電表智能讀寫嵌入式終端設計與實現

徐長輝 吳永云 昌云松 晉安

【摘 要】電表的數據采集是電力行業的一項核心工作，隨著人工智能技術的高速發展，智能電表得到廣泛的應用。文章針對電網用戶開發一種嵌入式的電表智能讀寫系統，該系統可自動獲取并同步傳輸用戶信息，同時電力部門可通過該系統對用戶的電表進行監控與調控，提升了電力行業的服務效率和電網部門的工作效率，為電網行業的發展奠定了堅實的基礎。

【關鍵詞】智能電表;嵌入式;智能讀寫;大數據

【中圖分類號】TM933.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0038-03

當前，信息技術快速發展，推動電力行業也實現快速發展，這就要求電力行業的管理逐步向信息化方向發展，意味著智能電表將大量地進入老百姓的生活當中。對于用電信息記錄而言，傳統的手工方式工作過程煩瑣且效率低下，無法滿足目前的工作需求。因此，必須使用人工智能的方式采集數據信息，只有這樣，才能保證數據信息的精準性，以及發揮電力行業信息化管理的作用。近年來，電力行業高速發展，國內電網標準逐步與國際電網標準接軌，但是要想使所有的電網企業使用同一標準，必須在生產標準中達成一致。我國電網的發展水平與發達國家相比仍有一定差距，但隨著科技的不斷創新，國內電網行業的發展水平將會有大幅度的提升。

1 電網信息采集技術簡述

1.1 傳統手工采集方式

在智能電表問世之前，常用的信息采集方式是傳統手工采集方式，在我國的一些邊遠、落后地區至今仍使用這種方式，該方式主要是通過電網部門的工作人員上門服務，通過用筆錄的方式進行信息采集，這種方式雖然簡單易行，但是需要花費大量的人力、物力，而且效率較低，在采集過程中容易產生漏抄、錯抄及誤操作的現象，有時甚至對工作人員的人身安全造成一定威脅。智能電表出現后，這種落后的信息采集方式逐漸被淘汰。

1.2 磁卡/IC卡讀寫方式

在智能電表的發展歷程中，有一種磁卡/IC卡的電表，屬于早期的智能電表，該電表主要是通過磁卡/IC卡的方式進行自動操作和數據采集。用戶要先在IC卡中存入金額，電表通過自動識別的方式扣除相應的電費，把信息寫入卡中，如果卡的金額不足以抵扣電費，電表會出現自動斷電的操作，即不向用戶提供電網服務，用戶必須再向IC卡充入足夠的金額后，用電功能才可恢復正常。這種采集方式方便，但是電表的實時信息無法及時傳送到電網部門，造成用電部門無法實時監控用電的情況。

1.3 在線讀寫方式

在線讀寫方式主要通過電網專線或載波模式，將用戶電表的數據信息實時傳送到電力部門。在線讀寫方式具有成本低、跨度大、實用性強的特點，在電力行業中具有一定的應用范圍，為無線智能電表的發展奠定了堅實的基礎。在線讀寫方式在國際上的應用較廣泛，例如丹麥的國電公司已經在一些歐洲國家部署了電網自動采集系統，該系統融入現場總線協議技術，為智能電表的創新躍上一個新的臺階。但這種方式也有局限性，如果線路出現故障，就會影響數據的實時傳輸，并且有時會出現數據擁堵的現象，容易造成數據上傳緩慢或丟失的現象[1]。

2 系統需要分析

針對上述各種采集方式存在的弊端，本文研究了電表智能讀寫的嵌入式系統，該系統主要以模塊的方式嵌入在智能電表內部，對用電信息進行智能監控與管理，該程序可以實現與電網部門的實時連接，實時傳送數據，同時電網部門可對電表進行參數設置、故障修復等操作，實現用電管理的智能化，為用戶提供了方便，提高了電網部門的工作效率[2]。本系統需求分析主要功能包含信息采集需求、用電需求、系統維護需求、數據管理需求四大部分。

2.1 信息采集需求

信息采集需求主要是對用戶電表的信息采集，包括用戶信息、用電信息、電表狀態、故障信息等，分門別類地進行數據收集，在采集數據的過程中，對采集的數據進行檢索和糾錯處理，對收集后的數據自動建立信息通道，把數據信息傳送到電網部門，電網部門可對數據進行存儲和分析，將結果傳入下一步的流程。此外，系統能自動生成報表，供工作人員分析和使用。

2.2 用電需求

用電需求主要是對用戶發回的數據進行用電分析，了解當地用戶的用電情況，以便對該地區的配電作業進行統一的管理，這有助于解決工作人員必須現場測量的問題，可對地區的數據召回檢測與配電巡查進行實時操作，遠程解決配電問題。

2.3 系統維護需求

系統維護需求主要是對智能電表的日常維護，主要包括電表參數的讀取與寫入、電表故障的檢測、電網線路的診斷等功能，以便電網部門實現更快捷的管理。

2.4 數據管理需求

數據管理需求主要是電網部門根據用戶智能電表回傳的數據進行統一管理，包括信息傳輸完好率查詢、高壓電網的補招等，以及對用戶的數據進行實時存儲，對各類信息進行大數據分析，可為分析用戶的用電情況和電網部門的改進措施等提供重要的參考依據。

3 系統設計

3.1 系統功能設計

智能電表的嵌入式讀寫系統的功能設計主要根據需求分析進行規劃和設計，本系統的功能模塊主要包含信息采集、用電管理、維護模塊、數據管理四大主要功能。

（1）信息采集功能模塊設計。智能電表的信息采集工作是電網行業的核心工作，與傳統電表的數據抄送有著本質的區別，是按照一定流程進行的信息采集工作，該功能主要包含用戶管理、用電信息、電表監測、故障信息4個功能，這些數據信息經過自動采集后，可實時發送到電網部門，電網部門對收集的數據信息進行相應的處理。

（2）用電管理功能模塊設計。用電管理模塊是本系統的關鍵模塊，該功能主要是電網部門對當地的用戶用電進行監測后的配電操作，主要包括用電監測和配電巡查2個小模塊，用電監測主要是對用戶的用電情況進行實時監測，通過系統后臺的大數據可分析用戶的使用狀況，而配電巡查功能主要是對當地用戶的用電量進行巡查，查看是否有異常現象，并且根據所有用戶的總使用量對配電量進行有效控制，滿足當地的用電需求。

（3）維護功能模塊設計。維護功能模塊主要包括電表參數設置、故障檢測、線路檢測功能，該功能主要是方便電網部門的日常維護與管理，可對電表進行遠程的參數修改與寫入，對電表的故障進行檢測與診斷，同時可根據各項數據信息，在后臺進行大數據分析后判斷是否存在線路的老化或損壞等故障現象，如果有損壞的現象，系統則定位到既有的電表地址進行現場處理。

（4）數據管理功能模塊設計。數據管理功能模塊設計主要包括數據傳輸、信息查詢、電網補招（高壓）功能，數據傳輸主要包括數據的導入與導出操作，信息查詢主要包括各類數據信息的檢索與查詢，以及數據在傳輸過程中完好率的查詢、高壓電網信息的補招等。數據存儲可以分為自動存儲與手動存儲兩種模式，工作人員可根據具體需要進行選擇。

3.2 傳輸協議設計

協議是各種通信設備之間進行數據傳輸時必須遵循的“原則”，本文使用的是施耐德公司的Modbus協議，并在原有協議的基礎上進行改進。Modbus協議具有兼容性好、傳輸速度快及誤碼率低等特點，但支持的接口較少，一般Modbus協議所使用的接口為RS232標準接口，該接口的控制器可自動實現主-從通信，在網絡上實現“單獨”原則，但在電網線路上，設備通信是雙向的，主設備把消息發給從設備后，同樣希望從設備回發到主設備，因此必須對該協議進行改進[3]。

當主設備發送消息時，先把消息請求通知從設備所進行的執行任務，主要是通過數據庫中的附加信息字段中表示，該信息字段中必須注明從設備的識別信息，如果從設備接收到信息，則將產生回應，把回應消息回發給主設備，這個操作要在一個特定的數據段中完成，并要注明主設備的相關信息、出錯信息等，回發的過程主要通過書寫代碼的方式實現，彌補Modbus協議的不足。

3.3 系統數據庫設計

在本系統的數據庫設計中，要確保數據的安全性，必須對數據的存儲進行先加密后存儲的流程操作、本系統使用的數據庫系統為oracle，在加密方式上采用加密算法進行處理，在讀取數據時，必須經過解密后才能訪問[4]。此外，系統的數據庫除了具備數據的安全性外，還必須具備數據的可移植性，數據表的結構可以擴容，方便日常的維護。

4 系統實現

通過研究本系統的需求分析與功能模塊設計，總結出電表智能讀寫嵌入式系統的實現主要有4個部分，即信息采集功能模塊、用電管理功能模塊、維護模塊功能模塊、數據管理功能模塊四大主要功能。系統的實現框架圖如圖1所示。

電表智能讀寫嵌入式系統是基于MVC模式進行設計和開發的，系統的結構主要有對話層、操作層、數據存儲層3個部分。對話層主要是實現人機的對話操作界面，界面主要以網頁的方式實現;操作層主要是本系統的各個功能模塊，在本系統主要指的是信息采集、用電管理、維護模塊、數據管理這些功能模塊;數據存儲層主要是對系統的數據進行存儲管理。整個系統的運行方式如下：用戶在對話層進行操作，發送業務請求，操作層收到該業務請求后進行處理，處理過程中所有的數據都通過加密程序進行數據加密，然后保存到后臺數據庫中，數據存儲與業務請求的操作的執行過程屬于并行執行。

5 系統測試

5.1 功能測試

本系統的功能測試主要對四大功能通過輸入特定的例子進行測試，在信息采集功能測試中，通過輸入用戶名可以成功進入系統登錄頁面，通過選擇“用電信息”功能時，可進入用電信息采集界面;對用電管理功能進行測試，當輸入該地區任何一戶電表號時，系統會顯示該地區的所有用戶列表，同時顯示各用戶的用電總量等，在配電巡查中則顯示該地區的配電供應情況，是否滿足當地的用電需求;在維護功能模塊測試中，輸入用戶的電表號后，可以顯示該電表的參數配置信息、狀態信息、電表工作狀態及地區線路狀態等;在數據管理功能測試中，通過新增用戶信息，點擊“保存”后，在后臺數據庫中顯示該用戶的記錄，同時通過輸入用戶電表號可查詢該用戶的相關用電信息等。通過上述一系列的測試，系統功能運行正常，達到預期的效果。

5.2 性能測試

系統的性能測試主要是檢測系統的使用效率。性能測試是系統測試的一項核心內容，主要包括主、從設備的連接速度、數據傳輸速度和系統壓力測試。在連接速度測試中，通過智能電表與電網部門的連接，查看連通需要的時間，通過秒表顯示為2～4 s，符合標準;在性能測試中，主要實現批量數據的上傳與下載功能，經測試，傳輸所需的時間達到理想的范圍;對系統壓力進行測試，主要是同時對所有用戶進行同一時間的連接與傳輸，查看整個系統的響應狀況，各個用戶的數據都能在電網部門后臺中接收[5]。經過一系列的系統性能測試，均達到預期的目標。

5.3 可移植性測試

把系統由電腦移植到移動終端運行時，測試使用效果，測試的設備使用“蘋果”系統的手機和“安卓”系統的手機，分別在兩種不同的手機操作系統下安裝本系統，通過手機與電表進行實時連接，然后進行數據傳輸。經過測試，兩種不同操作系統的手機端均能收到相應的數據信息，測試結果與電腦的傳輸效果完全一致。

6 結語

在電力行業中，電表的數據采集及管理是一項重要的工作，隨著智能電表的高速發展，電力行業逐步進入人工智能的信息化時代，對電力部門而言，不僅提升了工作效率，也提升了服務質量。本文通過對電表的嵌入式系統的設計與開發，實現了電表的智能化管理，在用戶信息的智能讀寫、數據的自動傳輸、電表參數遠程設置、用電及配電的遠程管理等方面都發揮著重要作用。該系統的設計與開發提高了電力部門的工作效率，節省了人力、物力，但系統仍存在不足，在今后需要不斷地改進和完善。

參 考 文 獻

[1]陳曼君，鄧志亮，林靖雯，等.一種電費一體化抄核收智能管理系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，9（12）：88-91.

[2]宋國慶.智能電網條件下的智能電表系統的研究與設計實現[D].長春：吉林大學，2019.

[3]梁振琦.基于藍牙技術的抄表系統在智能電表領域的關鍵技術研究[D].青島：青島科技大學，2018.

[4]翟峰，楊挺，曹永峰，等.基于區塊鏈與K-means算法的智能電表密鑰管理方法[J].電力自動化設備，2020，5（2）：142-146.

[5]何繪宇.智能電表嵌入式軟件性能測試[J].電子測試，2017，7（1）：125-128.