孫健 易欣 姚鵬 曾緯 袁銘敏

摘? ?要：針對電能計量裝置檢測電能表通訊技術(shù)的不足，提出新型的電能計量物聯(lián)網(wǎng)通訊方案，并設(shè)計出新型的物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊。該模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，適用范圍廣，滿足多種不同類型的物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊的需要，并且該模塊內(nèi)部設(shè)置有加密單元，能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅堋＿€采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS實現(xiàn)無線通訊遠程監(jiān)控，通過在無線網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee/GPRS無線數(shù)據(jù)集中器節(jié)點中，基于GPRS模塊與遠程計算機建立TCP/IP連接，與Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信息網(wǎng)絡(luò)。實驗表明，采用本設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊進行數(shù)據(jù)通訊能夠提高電能表檢測精度，提高了電能表數(shù)據(jù)檢測的可靠性。

關(guān)鍵詞：電能計量;物聯(lián)網(wǎng);ZigBee;GPRS模塊

中圖分類號： TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Design and Research of IoT Communication Module

for Realizing Energy Metering

SUN Jian?，YI Xin，YAO Peng，ZENG Wei，YUAN Ming-min

（State Grid Beijing Electric Power Institute，Beijing 100075，China）

Abstract：Aiming at the deficiencies of electric energy metering device in detecting electric energy meter communication technology，a new energy metering IoT communication scheme was proposed，and a new type of Internet of Things communication module was designed. The module has reasonable design structure and wide application range，and meets the needs of many different types of IoT communication modules，and the module is internally provided with an encryption unit，which can improve the security performance of data transmission. ZigBee wireless sensor network and GPRS are used to realize wireless communication remote monitoring. Through the ZigBee/GPRS wireless data concentrator node in the wireless network，the TCP/IP connection is established with the remote computer based on the GPRS module，and the information network is formed with the internet network. Experiments show that the data communication using the IoT communication module designed can improve the detection accuracy of the energy meter and improve the reliability of the energy meter data detection.

Key words：energy metering;Internet of Things;ZigBee;GPRS module

近年來，隨著我國科技發(fā)展速度的不斷加快，通訊裝置的不斷改進與升級[1-3]，通訊裝置不僅僅用于簡單的信息傳輸媒介，同時也運用于其他各個領(lǐng)域[4-5]，諸如電能計量技術(shù)領(lǐng)域，通過通訊模塊將電能計量裝置檢測電能表的數(shù)據(jù)傳遞到計算機和上層管理系統(tǒng)，俗稱物聯(lián)網(wǎng)[6-7]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但是涉獵廣泛，在多個領(lǐng)域均有應(yīng)用。通過通訊模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對智能電能表檢定數(shù)據(jù)的通訊，實現(xiàn)電能表檢定數(shù)據(jù)的遠程管理是目前電測領(lǐng)域中急需解決的問題[8-9]。

目前現(xiàn)有的通訊模塊只是進行簡單的信息傳輸，數(shù)據(jù)安全性能較差[10]，難以實現(xiàn)電能表檢定數(shù)據(jù)的安全、遠距離傳輸[11-14]，使得電能檢定人員難以遠程監(jiān)控、管理電能表檢定數(shù)據(jù)。設(shè)計出一種新型的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)傳輸方案，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，還使數(shù)據(jù)的安全性能大大增加。

1? ?通訊方案設(shè)計

通過對電能計量的物聯(lián)網(wǎng)通訊方案進行設(shè)計與研究，設(shè)計出能夠進行物聯(lián)網(wǎng)通訊的傳輸方案，如圖1所示。在本系統(tǒng)方案設(shè)計中，可將其分為數(shù)據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)通訊層和數(shù)據(jù)檢測層。通過該系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)電能表檢定系統(tǒng)的電能檢測的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電能表自動化檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的最優(yōu)化、智能化和信息化。本系統(tǒng)中的通訊方案采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時檢測底層設(shè)備（檢測系統(tǒng)各個檢定單元）的運行狀態(tài)、耗能狀態(tài)，能夠及時、準(zhǔn)確地掌握電能使用狀況，支持能效優(yōu)化與節(jié)能改造，綜合分析耗能情以便合理地進行資源配置，優(yōu)化生產(chǎn)流程，保障檢定系統(tǒng)的有效運行。

在數(shù)據(jù)檢測層中，檢測設(shè)備底層是直接從電能表自動化檢定系統(tǒng)現(xiàn)場中采集數(shù)據(jù)，比如單相電能表、三相電能表、功率表等工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，其主要負責(zé)能源用量的實時檢測，反映線路中的最原始的能耗數(shù)據(jù)或者其它運行數(shù)據(jù)。檢測系統(tǒng)主要包含物流輸送系統(tǒng)、機器人、耐壓檢測、外觀檢測、誤差檢定裝置、機器人上下料系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、表位單元等檢測單元，每個檢測單元均有電能消耗。數(shù)據(jù)管理中心層用于對整個轄區(qū)內(nèi)的電能表自動化檢定系統(tǒng)及其組件進行能耗數(shù)據(jù)采集，采用符合國家電能計量能耗監(jiān)測技術(shù)將電能檢測裝置接入電能表自動化檢定系統(tǒng)及要檢測的地方，在具體操作中可使用功率表，比如將功率表接入在電能輸出端以便檢測電能輸出的功率，接入在周轉(zhuǎn)箱輸送系統(tǒng)處以檢測其處的功耗，接入在機器人處以檢測機器人處功耗，以及接入在檢定輸送線、PLC控制電源、檢定裝置、各個檢測表位等，這個就可以得出各個不同單元處的功耗，由已知的總輸出功率和各個單元處的功率，可得出各個單元組件功耗，通過各個單元的功耗，可對電能表自動化檢定系統(tǒng)進行整體的資源配置和合理的調(diào)整，及時節(jié)約能源和成本。在數(shù)據(jù)管理中心層可以采用B/S構(gòu)件，用戶可以通過登錄Web瀏覽器瀏覽電能表自動化檢定系統(tǒng)中各個單元組件中的能耗情況。系統(tǒng)可以擴展使用，經(jīng)過擴展后的能效管理系統(tǒng)可以互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問。數(shù)據(jù)管理中心層能夠?qū)崿F(xiàn)與上層信息管理系統(tǒng)層的聯(lián)網(wǎng)運行，工作流與資產(chǎn)流進行無縫管理。網(wǎng)絡(luò)接入方式優(yōu)先采用優(yōu)先專網(wǎng)方式接入上層信息管理系統(tǒng)層，可選擇3G/4G公網(wǎng)無線通訊方式加主站系統(tǒng)作為備選配置方案。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用層中，上層信息管理系統(tǒng)層配置應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等設(shè)備，對外提供營銷系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的接口，對內(nèi)（本地的操作人員）提供WEB交互界面。實時監(jiān)控及調(diào)度數(shù)據(jù)管理中心層配置前置服務(wù)器，一方面監(jiān)控各檢測設(shè)備底層是否工作正常，發(fā)現(xiàn)異?？蓪ν鈭缶?，另一方面可上層信息管理系統(tǒng)層下發(fā)的指令，轉(zhuǎn)發(fā)給各設(shè)備，并負責(zé)協(xié)調(diào)各設(shè)備的動作，共同完成特定的任務(wù)。實現(xiàn)計量生產(chǎn)調(diào)度平臺、SG186營銷信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)電能表自動化檢測系統(tǒng)以及各個裝置的電能數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計匯總、數(shù)據(jù)上傳等業(yè)務(wù)功能。上層信息管理系統(tǒng)層是對各級數(shù)據(jù)管理中心層統(tǒng)一管理的系統(tǒng)層，能夠接收電能表自動化檢定系統(tǒng)各個單元、不同階段的功耗檢測的數(shù)據(jù)，并對檢測的功耗數(shù)據(jù)進行接收、存儲、處理、分類等，還能向各個國家電網(wǎng)、計量中心、檢測單位、電能管理部門上報能效狀況。該結(jié)構(gòu)層還能夠為用戶提供統(tǒng)一的管理平臺，為現(xiàn)場檢測人員提供遠程指示、遠程監(jiān)控，還供其能效數(shù)據(jù)查詢、調(diào)取、分析等功能，為電能計量工作提供健全的能耗數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

在上層信息管理系統(tǒng)層中，可安裝能效管理專用軟件，負責(zé)轄區(qū)內(nèi)的電能表自動化檢定系統(tǒng)以及檢定系統(tǒng)內(nèi)的各個檢定單元的能效管理。系統(tǒng)具有智能表庫系統(tǒng)具有工單管理、檔案信息管理、檢定系統(tǒng)信息管理、資產(chǎn)管理、檢定裝置管理、報表統(tǒng)計、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)報表顯示、數(shù)據(jù)分析等功能。其支持常用的主流數(shù)據(jù)庫，比如Oracle數(shù)據(jù)庫、Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫等，系統(tǒng)還具有可擴展性等。在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)應(yīng)用層與數(shù)據(jù)檢測層之間通過通訊模塊進行通訊，下文將詳細描述。

2? ?關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1? ?通訊模塊設(shè)計

設(shè)計出具有加密功能的通訊模塊，通訊模塊包括模塊本體、通訊接口單元、加密單元，其中加密模塊包含密鑰單元、密鑰分發(fā)單元和密鑰認(rèn)證單元組成。加密模塊設(shè)置在模塊本體內(nèi)部，通訊模塊外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通訊模塊能夠采用RFID技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通訊，模塊本體上還設(shè)置有應(yīng)答器，應(yīng)答器與閱讀器能夠?qū)崿F(xiàn)信息互通。通訊模塊具有數(shù)據(jù)收發(fā)的多種傳輸方式，其具有靈活、可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等多種傳輸方式，通訊模塊通過無線通訊的方式實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。然后通過信號轉(zhuǎn)化裝置（信號轉(zhuǎn)化裝置內(nèi)通常設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換單元）將其收到的模擬數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化成計算機能夠識別的數(shù)字電信號。

通訊模塊通過加密單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密和解密。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

加密單元中包含有秘鑰，在設(shè)計秘鑰時，要考慮密鑰的長度、秘鑰排列的順序及其復(fù)雜程度，這種方式能夠促進物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備的安全性。當(dāng)通訊模塊中加密模塊的密鑰單元的密鑰長度較短時，容易無力抵抗外界通訊干擾，當(dāng)通訊模塊中加密模塊的密鑰單元的密鑰長度較長時，則容易占用較多的存儲區(qū)域，這能夠大大降低網(wǎng)絡(luò)連通能力。在加密單元，密鑰可以包括對稱密鑰、非對稱密鑰、橢圓曲線秘鑰等。在實際應(yīng)用中，用戶應(yīng)該根據(jù)各種不同的通信狀況來選擇比較合適的密鑰。秘鑰認(rèn)證單元在認(rèn)證時，通訊模塊內(nèi)部的密鑰由秘鑰分發(fā)單位進行認(rèn)證，再秘鑰認(rèn)證成功后，密鑰認(rèn)證單元會生成秘鑰認(rèn)證指令，并將該指令傳輸給秘鑰認(rèn)證單元，秘鑰認(rèn)證單元在規(guī)定時間內(nèi)驗證用戶所選擇的不同密鑰。加密過程可用公式（1）來表示：

假設(shè)使用的密鑰加密為 E，比如對稱秘鑰，最終所設(shè)計出的密鑰為 Kab，通訊模塊輸出的信息量為M，則加密后的通訊模塊的通信信息為Y，則

將加密后的通訊模塊進行信息分級，假設(shè)級數(shù)為 n，則各個級別的信息量用Cn表示，則：

在上述公式中：i表示信息塊標(biāo)志，seq表示收發(fā)單位間的會話次序，Ti表示時間戳。會話次序和信息塊標(biāo)志能夠重新排列接收單位信息，時間戳能夠增強通訊模塊加密單元的防御性能，提高通訊過程中的安全性能。

2.2? ?遠程通訊技術(shù)

通訊為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合GPRS的遠程監(jiān)控。在無線網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee/GPRS無線數(shù)據(jù)集中器節(jié)點中，由GPRS模塊與遠程計算機建立TCP/IP連接，并連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建出電能計量物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)。通訊原理示意圖如圖4所示。

文中使用ZigBee通信協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸模塊與移動網(wǎng)絡(luò)基站有些類似。在使用過程中，傳輸數(shù)據(jù)較為安全，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，最多能夠容納65000個節(jié)點。利用ZigBee工作的無線設(shè)備在 868MHz、915MHz 和 2.4GHz 頻段具有傳播速率為250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾千米，并支持無限擴展。其中ZigBee/GPRS無線數(shù)據(jù)通訊的集中器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

在底層通訊網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee/GPRS無線數(shù)據(jù)集中器能夠?qū)崿F(xiàn)底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和網(wǎng)絡(luò)管理功能，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力，彼此節(jié)點之間能夠自動尋找互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后通過無線數(shù)據(jù)集中器的GPRS模塊和無線網(wǎng)絡(luò)運營商上的基站來連接Internet互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)電能計量數(shù)據(jù)的遠程數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

2.3? ?軟件設(shè)計

在嵌入式Linux平臺下進行程序設(shè)計，在進行軟件設(shè)計時，應(yīng)用C語言來編寫不同數(shù)據(jù)傳輸方式。在無線數(shù)據(jù)采集與傳輸時，其應(yīng)用軟件為CC2530配套免費的Z-Stack協(xié)議棧2007版本。該協(xié)議棧內(nèi)部自帶操作系統(tǒng)，上位機程序設(shè)計采用美國 NI公司的圖形化語言Labview8.5軟件，該軟件功能較為強大，能夠支持RS232和RS485協(xié)議通信，內(nèi)置電能表檢測的庫函數(shù)。檢測方法示意圖如圖6所示。

3? ?實驗分析與驗證

為驗證電能計量的準(zhǔn)確性、正確性和可靠性，選取三相電能表計量裝置為本文設(shè)計方案實驗本體，在該裝置中設(shè)置通訊模塊作為監(jiān)測對象，在試驗裝置上配置通訊模塊，為了演示通訊效果，在距離實驗室每100 m的地方設(shè)置路由節(jié)點，并在路由器的交匯處設(shè)置協(xié)調(diào)節(jié)點，以對模塊的通訊性能進行測試。同時，采用高精度功率分析儀對電能計量裝置上的通訊模塊進行測試。在實驗時，通過本文設(shè)計技術(shù)方案的通訊模塊對三相電能表的電流、電壓、有功功率、無功功率、安全性等參數(shù)進行誤差評估，并基于Zig-bee無線網(wǎng)絡(luò)、3G通信網(wǎng)絡(luò)進行通訊，在試驗過程時，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

將該電能計量裝置利用本技術(shù)方案測量三種電能表，其測量功率的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)功率值進行比較。根據(jù)誤差的計算公式，能夠計算出電能質(zhì)量的誤差。根據(jù)計算可得，該系統(tǒng)測得的電能參數(shù)誤差。功率誤差因數(shù)小于10%。然后利用上述方案進行2小時、5小時、10小時以及20小時測量，隨著時間的延長，誤差率逐步降低，最高的準(zhǔn)確度99.9%。

4? ?結(jié)? ?論

基于電能計量實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊，對通訊模塊進行了研究，通過使用本設(shè)計的通訊模塊，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電能計量數(shù)據(jù)的遠程通訊，還能夠?qū)崿F(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的加密，大大提高了數(shù)據(jù)的安全傳輸能力。本設(shè)計的通訊模塊硬件結(jié)構(gòu)合理，適于在各種場合安裝，兼容性、適用性比較強。在數(shù)據(jù)通訊時，采用ZigBee/GPRS無線數(shù)據(jù)集中器來實現(xiàn)底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和網(wǎng)絡(luò)管理功能，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)通訊，便于用戶遠程監(jiān)控電能表檢測數(shù)據(jù)。

參 考 文 獻

[1]? ? 沈鑫，趙丹妮，曹敏. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能計量裝置遠程在線監(jiān)測及分析平臺研究[J]. 電測與儀表，2015，52（z1）：43-48.

[2]? ? 杜錦陽. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能計量裝置遠程在線監(jiān)測及平臺建設(shè)研究[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2016（23）：16-17.

[3]? ? 沈鑫，曹敏，李仕林，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能計量網(wǎng)絡(luò)圖信息化及配電營銷系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]. 中國電業(yè)（技術(shù)版），2015（9）：116-119.

[4]? ? 依溥治. 基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2015（11）：1-70.

[5]? ? 唐明軍，潘建華. 基于ZigBee的電能無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（11）：26-27.

[6]? ? 郭燕青. 基于可見光通信的物聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 南京：南京郵電大學(xué)，2016（02）：1-85.

[7]? ? 趙潔，楊劍. 物聯(lián)網(wǎng)多設(shè)備通信中的加密模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（18）：69-72.

[8]? ? 蔡麗娜. 基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[9]? ? 張?zhí)?，顧曉峰，張大維，等. 基于電力線載波通信的智能用電管理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（4）：149-152.

[10]? 張喜生，岑宏杰. 一種物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測計量終端的設(shè)計[J]. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015（1）：7-11.

[11]? 張大品，歐清海，何業(yè)慎，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)智能節(jié)能量測量方法及實現(xiàn)[C]// 數(shù)字中國 能源互聯(lián)--2018電力行業(yè)信息化年會論文集，2018.

[12]? 張羅平，趙偉，高峰，等. 一種智能插座及其控制方法，CN107017530A[P]. 2017.

[13]? 滕海坤，劉心聲，李倫彬. 基于RTSJ的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)研究[J]. 鹽城工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，31（1）：30-35.

[14]? 楊小國，余毅. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 河北軟件 職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，20（4）：1-3.