基于物聯網技術的智能電表設計與研究

劉 沙，郭 瑞，穆羨瑛，徐 述

（國網烏魯木齊供電公司，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 838000）

1 研究背景與意義

1.1 電能表國內外發展現狀

智能電表是一種基于物聯網技術的新型電能計量裝置，具備實時監測、數據傳輸、遠程控制等功能。近年來，隨著能源管理和智能化的重要性不斷凸顯，智能電表在國內外得到廣泛關注和應用。在國內，中國智能電表產業經歷了快速發展階段。政府部門支持政策的推動、能源監管要求的提高以及用戶對用電信息透明的需求，推動了智能電表市場的發展。國內企業積極參與研發，推出了多種類型的智能電表產品。這些產品不僅滿足了計量需求，還具備智能化功能，例如用電數據實時采集、遠程抄表、用電信息顯示等。在技術方面，智能電表逐漸采用了先進的通信技術，如NB-IoT、LoRa等，實現了數據傳輸的高效與穩定。同時，智能電表與用戶終端設備連接，實現了用電數據的共享與可視化，為用戶提供了更好的用電管理體驗。在國際市場上，智能電表同樣得到了廣泛應用。發達國家如美國、德國、日本等，智能電表已經普及，并且逐步替代了傳統的電能計量設備。在一些歐洲國家，政府主導或支持智能電表的大規模部署，以推動能源的可持續發展和能源管理的優化。智能電表在國外的應用也注重數據隱私保護和信息安全。各國智能電表標準和法規不斷完善，以確保用戶用電數據的安全性和隱私性，防止數據泄露和濫用。

1.2 智能電表應用技術發展趨勢

隨著物聯網技術的不斷演進和5G技術的普及，智能電表將在未來呈現更廣闊的發展前景。預計智能電表將更加智能化，不僅實現電能計量功能，還將融入更多智能功能，如自動負荷調整、用電優化建議、電價動態調整等。這些功能將大大提高用戶對電能的實時了解和控制，進一步激發用戶對節能的意識和行動。同時，智能電表將與其他智能設備和能源系統相互連接，實現更智能化的家居和能源管理。例如，智能電表可以與智能家居系統相互配合，實現智能控制家電的用電行為，優化能源消耗。智能電表還可以與智能能源網格相連接，實現用電數據的共享和能源調度的優化，為整個能源系統的穩定運行做出貢獻。為了保持競爭優勢，中國企業應加大研發投入，持續推進創新，提升產品質量和技術水平。同時，更加關注用戶需求，確保智能電表的功能和性能能夠切實滿足用戶的實際需求。智能電表在數據采集方面將更加高效和智能化。利用大數據和云計算技術，智能電表能夠實時分析和處理海量數據，幫助用戶深入了解用電情況。優化用電方案，并提供個性化的用電建議。

1.3 智能電表設計與研究的意義

隨著科技的不斷進步和物聯網技術的廣泛應用，智能電表作為電力行業的重要組成部分，具有重要的意義和深遠的影響。智能電表的設計與研究在以下幾個方面具有重要的意義。智能電表的設計與研究有助于實現電力系統的智能化。而智能電表借助物聯網技術，可以實現電能數據的自動采集、實時傳輸和智能處理，為電力系統的管理和運行提供了更加便捷高效的手段。通過智能電表的廣泛應用，可以實現對電力網絡的實時監測、故障檢測和快速響應，提高電力系統的安全性、穩定性和可靠性。通過對用電數據的分析和統計，可以發現用電中存在的浪費和異常情況，并提供相應的優化建議和措施，幫助用戶降低能源消耗，實現節能減排的目標。同時，智能電表還可以通過電能計量和計費功能，促使用戶形成節約用電的意識和行為習慣。智能電表的設計與研究對于電力行業的現代化建設和技術創新具有推動作用。隨著信息技術和通信技術的發展，智能電表可以與其他智能設備和系統進行互聯互通，形成智能家居、智慧城市等應用場景，實現電力系統與其他領域的融合與協同。智能電表的設計與研究促進了電力行業的數字化轉型和智能化發展，推動了電力系統的現代化建設和提升。

2 智能電表系統的整體設計方案

2.1 智能電表系統設計功能

①數據持久化存儲功能：為解決傳統智能電表數據丟失問題，可采用先進的存儲技術。在電能數據檢測模塊中，引入閃存芯片，以確保電能數據在斷電或其他故障情況下仍能持久保存。每次檢測到電能變化，系統將數據立即存儲在閃存中，避免數據的意外丟失。②雙向數據備份與冗余：為進一步保障數據的安全性，在電能存儲模塊中引入了雙向數據備份機制。除了將數據存儲在本地閃存中，系統還通過加密通道將數據備份到云服務器上。云服務器也會定期備份數據到多個地理位置，確保數據的冗余性和可恢復性。③異常檢測與自修復功能：針對服務器宕機問題，在數據傳輸模塊中引入了異常檢測與自修復功能。數據傳輸過程中，中央采集器不僅負責采集多個用戶的用電數據，還會監測服務器的狀態。④數據傳輸分布化：設計采用數據傳輸分布化方式，優化數據抖動問題。中央采集器將采集到的數據按地理位置進行分組，然后通過多個可用網絡通道傳輸數據至供電公司服務器。這樣可以避免單一網絡通道的故障影響數據傳輸的穩定性。

2.2 智能電表系統的主要模塊

①電能檢測模塊：該子模塊通過協調硬件和軟件模塊的工作，完成電能數據的實時采集。電能過濾子模塊在智能電表中的作用是通過軟件部分實現數據的過濾，以消除由電子元器件抖動引起的噪聲，并提高電能數據的準確性。通過該子模塊的精確處理，能夠獲得可靠的電能信息，確保用戶獲取準確而可信的用電數據，為能源管理和電力系統優化提供可靠的基礎。②電能顯示模塊：電能計算子模塊對電能采集子模塊獲取的數據進行計算。該子模塊負責將原始數據進行處理和分析，以獲得用戶的實際用電情況。電能顯示子模塊將計算得到的數據以用戶可讀的形式進行顯示。系統還需要考慮人眼視覺暫留特性等因素，在實際顯示時進行一些額外的處理。③電能傳輸模塊：電能存儲子模塊用于存儲客戶端采集到的數據。該子模塊負責將數據進行存儲，以便后續使用。數據存儲模塊可采用合適的存儲介質，如閃存。數據發送子模塊將存儲在數據集中器中的數據發送至供電公司的服務器。服務器端對接收的數據進行解包，根據數據包頭的標識符識別用戶，以實現用電數據的統計分析。

2.3 軟件與硬件模塊化的設計方法

針對智能電表系統的設計需求，采用了模塊化的思維，分別對軟件和硬件的各個部分都分解成不同具體功能的子結構，便于快速開發同時增加產品的便捷性。硬件部分主要以STM32F103芯片為主處理器，包含主電路、通信電路、顯示電路、按鍵電路、計算電路、光伏電路、保護電路以及存儲電路等。在軟件部分，主要涵蓋了幾個關鍵模塊。其中，主程序軟件設計是整個系統的核心。主要負責控制硬件部分的各項功能，實現數據的采集、處理和傳輸。按鍵掃描軟件設計負責對按鍵電路進行掃描，實時檢測用戶的操作，以便響應相應的指令或功能。數據發送軟件設計負責通過通信電路將采集到的數據傳輸給外部設備或服務器，實現與其他系統的數據交互。同時，數據存儲軟件設計系統還設計了存儲電路，以確保電能數據能夠持久化存儲，防止數據因系統故障而丟失。這樣的設計保證了數據的可靠性和持久性，使得智能電表系統能夠穩定地進行數據交流和存儲，為用戶提供準確的用電信息和數據分析支持。電能統計軟件設計負責對電能數據進行統計和分析，實現對用戶用電情況的監測和記錄。通過采用硬件與軟件模塊化的設計方法，系統在開發過程中能夠更加高效地進行部署和調試，降低了開發成本和風險。同時，該模塊化設計還為后續的系統維護和升級提供了便利，使系統具備更好的可擴展性和靈活性。總體而言，硬件與軟件的模塊化設計將有助于提高系統的穩定性和性能，使智能電表系統能夠更好地滿足市場需求。

3 智能電表軟件設計

系統軟件部分的設計主要包括OLED顯示程序、電能計量驅動程序、I2C、WIFI、SPI等通信程序設計，并采用串口方法進行調試以檢測程序運行狀態。智能電表具備多項功能，在這里使用了C代碼進行軟件編寫。三相智能電表的主程序結構，包括三大模塊：顯示模塊、電能計量模塊和通信模塊。此外，還包括繼電器控制模塊、時鐘模塊、數據存儲模塊和系統初始化模塊。為了應對智能電表中子模塊較多的情況，選擇使用Keil C語言編輯環境進行開發。Keil編程開發環境支持軟件算法的模塊化編程，能夠實現代碼的逐步調試，并且對STM32軟件開發提供了優良的支持。通過使用這樣的開發環境，能夠更加高效地開發和調試智能電表的軟件部分，確保其穩定運行和功能完善。

4 實驗測試結果

為了確保實驗結果的可靠性和準確度，在本實驗中采用了三相標準源作為電力信號發生器。這款三相標準源具有極高的功率精度，非常適合用于電力檢測。將三相智能電表連接到三相標準源上，以測試電表的各項性能。本設計的三相智能電表具有以下具體特點：①高精度功率測量：能夠準確測量和計算電能消耗，確保測量結果的精確性。②可調節的相位和幅度：工作頻率范圍42～65 Hz，相位和幅度可以根據需要進行調節。③寬范圍的電壓輸出：0～420 V的交流電壓輸出范圍，調節精度為0.05% RG。④寬范圍的電流輸出：0～20 A的交流電流輸出范圍，調節精度為0.05% RG。⑤諧波輸出功能：能夠輸出2～50次諧波波形，滿足特定需求。

在本設計的三相智能電表的硬件電路中，進行了電能計量實驗，并得到了表1的實驗結果。

表1 電流電壓測試結果

實驗數據顯示，智能電表的測量誤差非常小，且實驗結果十分穩定。為了進一步評估智能電表的精確度，進行了與市用電表的精確測量對比，文章設計的RN8302智能電表相較于市面上常用的電表，具有更高的測量精確度和更強的穩定性。這種顯著的改進主要得益于在設計中采用了濾波電路，用于消除電力系統中產生的高次諧波信號。此外，RN8302智能電表本身具備出色的降噪能力，進一步提高了測量的準確性。

根據上表的實驗數據，可以得出測量誤差非常小且實驗結果非常穩定的結論。這一顯著改進的主要原因在于采用了濾波電路來消除電力系統中產生的高次諧波信號，并且RN8302本身具備出色的降噪能力，從而使測量結果更加精準。本設計的三相智能電表系統不僅滿足了設計要求，而且在測量精確度方面優于市面上常用的電表，具備更高的穩定性。這得益于采用濾波電路消除高次諧波信號以及RN8302本身的降噪能力。因此，可以確信本設計的三相智能電表能夠達到預期的功能，并為電力系統的優化和能源管理提供更加精確可靠的數據支持。

5 結論

隨著物聯網技術的不斷演進和5G技術的普及，智能電表將在未來呈現更廣闊的發展前景。文章闡述了智能電表的整體設計方案，包括智能電表系統的主要模塊、智能電表系統設計功能、軟件與硬件模塊化的設計方法；對系統的軟件部分進行設計，主要包括OLED顯示程序、電能計量驅動程序、WIFI、I2C、SPI等通信程序設計，并采用串口進行調試以檢測程序運行狀態；在本設計的三相智能電表的硬件電路中，進行了電能計量實驗，通過實驗結果可得出本次設計方案有效果。