鄭曉斌，鄒澤昌，陳忠士

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提升，人民的用電量也在不斷增加，要滿足居民的用電需求就需要不斷對電力系統(tǒng)進(jìn)行加強(qiáng)和創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的崛起更是對用電量發(fā)起了沖擊，要使許多電腦終端聯(lián)系在一起進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)收集、處理和分析就少不了電量的增加。因此安全用電也越來越受到關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)安全用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)也迫在眉睫，通過安全用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)降低用電安全隱患，主要從物聯(lián)網(wǎng)智能電表的設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)新點(diǎn)等出發(fā)，保證物聯(lián)網(wǎng)用電安全，更好地為用戶提供便利和服務(wù)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)化和數(shù)字化發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)的安全用電智能計(jì)量設(shè)備的優(yōu)勢

1.1 時(shí)代性

物聯(lián)網(wǎng)本身就是大數(shù)據(jù)時(shí)代的產(chǎn)物，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用改變了生活方式和工作模式，將人們與數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，通過數(shù)據(jù)去分析身邊事物，用更加科學(xué)客觀的眼光去看待事物。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用增加了電力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使用電規(guī)模增大，用電安全性也備受關(guān)注。安全用電智能計(jì)量設(shè)備具有時(shí)代性和科技性，不僅具有傳統(tǒng)的電表功能能夠檢測用電量和用電變化，還能對用電質(zhì)量進(jìn)行評估，對電路出現(xiàn)的問題進(jìn)行故障分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路出現(xiàn)的問題并提出解決方案，能夠保證整個(gè)過程的用電安全，更大程度上給用戶提供便利和安全，也能促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。

1.2 安全性

安全用電智能計(jì)量設(shè)備的安全性不言而喻，設(shè)備的研發(fā)就是將物聯(lián)網(wǎng)的安全放在首位，主要是通過對電路的修改達(dá)到較高的安全性，物聯(lián)網(wǎng)安全用電智能計(jì)量設(shè)備的電表在線路上是三相線的平衡，在出現(xiàn)任何危險(xiǎn)情況的時(shí)候都會(huì)發(fā)出警報(bào)或者自動(dòng)切斷電源，增加了物聯(lián)網(wǎng)的用電安全。智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)也減輕電力勞動(dòng)力的使用，提高了電工的人身安全，有些存在的安全隱患難以被人工發(fā)現(xiàn)，就算被發(fā)現(xiàn)也可能造成不可估量的損害，擁有智能計(jì)量設(shè)備就能通過自動(dòng)化的檢測察覺其中存在的危害，減少人工的使用，達(dá)到較高的安全系數(shù)。

2 安全用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)的概念早在1999年就被提出，直到2009年才被世人所熟知和廣泛應(yīng)用，是互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)的相互融合造就了物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生。隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，用電量的增加給物聯(lián)網(wǎng)的安全發(fā)展造成了阻礙。在研發(fā)用電安全智能計(jì)量設(shè)備中主要面臨互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)不完善、缺乏技術(shù)的相互融合以及研發(fā)難度大這三個(gè)方面的問題。

2.1 互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)不完善

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心是互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展安全與物聯(lián)網(wǎng)緊密聯(lián)系，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，兩者相輔相成共同進(jìn)步。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，經(jīng)歷了有線到無線再到物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀，但是在發(fā)展過程中能夠發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)不足逐漸暴露，無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)不全面，對于一些偏遠(yuǎn)的山區(qū)難以做到全方位覆蓋，這對于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理就缺少真實(shí)客觀的源頭，難以進(jìn)行全方位的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，這對物聯(lián)網(wǎng)安全用電智能設(shè)備的研發(fā)也產(chǎn)生了不良影響。

2.2 缺乏技術(shù)的相互融合

用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)需要各種技術(shù)的相互融合，采用多種技術(shù)的優(yōu)勢有助于設(shè)備的研發(fā)與推廣。在研發(fā)過程中呈現(xiàn)出各種技術(shù)獨(dú)立運(yùn)行的情況，沒有實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的溝通與融合，就難以研發(fā)出具有創(chuàng)新性的安全用電智能計(jì)量設(shè)備，研發(fā)過程中也會(huì)受到許多阻礙。缺乏技術(shù)的相互融合還會(huì)降低物聯(lián)網(wǎng)用電的速率，會(huì)出現(xiàn)跳閘、電路短路等問題，影響物聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行，降低物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的效率和質(zhì)量，同時(shí)技術(shù)之間的相互獨(dú)立也不利于物聯(lián)網(wǎng)信息交換和分析工作，難以提高物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展。

3 安全用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)

智能計(jì)量設(shè)備主要包含三個(gè)部分，主控單元部分、受控單元部分和串口通信模塊部分，這三個(gè)部分是智能計(jì)量設(shè)備的關(guān)鍵，對設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新主要從這三個(gè)方面入手來加強(qiáng)設(shè)備對用電量的檢測和控制，也提高物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行速度，更好地為用戶帶來便利。

3.1 主控單元部分的研發(fā)

主控單元部分是控制智能計(jì)量設(shè)備的核心部分，包含了計(jì)量模塊、電源模塊、儲(chǔ)存芯片和RTC時(shí)鐘以及LCD顯示器等部分，這幾個(gè)部分缺一不可，這幾顆部分都采用集成計(jì)量和MCU控制的計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算運(yùn)行，其中ADE7169采用的是SOC單芯片，集成了51核單片機(jī)，能夠?qū)Χ嘟M數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量，給物聯(lián)網(wǎng)電力運(yùn)用提高了計(jì)量精度高的計(jì)量優(yōu)勢，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)使用過程中的用電量，對什么時(shí)候用電量高，什么時(shí)候用電量低進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而采用有效的方式達(dá)到智能節(jié)電的效果。主控單元部分的電源管理采用ADC電池電壓測量以及硬件RTC都能夠測量電流、電壓有效值、電網(wǎng)頻率，能夠給用電提供實(shí)時(shí)的電參數(shù)，提供非常準(zhǔn)確的電量使用情況。大大提高了物聯(lián)網(wǎng)的工作效率，實(shí)時(shí)檢測物聯(lián)網(wǎng)的用電量，并且能夠?qū)τ秒娏坎捎煤侠淼目刂剖侄巍?/p>

圖1 低功耗產(chǎn)品ADC精準(zhǔn)測量電池電壓

3.2 受控單元部分的研發(fā)

受控單位部分的研發(fā)深受智能計(jì)量設(shè)備的工作環(huán)境的影響，要根據(jù)智能計(jì)量設(shè)備的使用環(huán)境進(jìn)行選擇開關(guān)，有些環(huán)境中使用普通的設(shè)備開關(guān)就能滿足用電需求，而有些環(huán)境中會(huì)使用固態(tài)的開關(guān)。普通開關(guān)在用電不正常需要切斷電源的原理是依靠活動(dòng)的金屬觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)切斷電源，普通開關(guān)就是一種機(jī)械裝置，這種機(jī)械裝置的成本低，大多數(shù)都會(huì)選擇以普通開關(guān)作為受控單元部分，但是其缺點(diǎn)是需要大量的時(shí)間才能達(dá)到切斷電源的效果。另一個(gè)固態(tài)開關(guān)就是根據(jù)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性來實(shí)現(xiàn)間接性的連接，這種連接方式不會(huì)產(chǎn)生電弧，因此能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電源切斷，還能在電路短路的時(shí)候快速切斷電源，減少電能的損失，在進(jìn)行受控單位的研發(fā)時(shí)就選擇了固態(tài)開關(guān)的方式，大大地降低了物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)問題的電量消耗，也節(jié)約了能源。除了開關(guān)之外，受控單元的主控程序設(shè)計(jì)也是非常重要的一個(gè)部分，物聯(lián)網(wǎng)的大量耗電使電路負(fù)擔(dān)過大，需要增加電流保護(hù)和超壓以及欠壓的功能，保證在大量使用電量的時(shí)候能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的用電意外，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)采取相應(yīng)的防范措施來解決問題。智能計(jì)量設(shè)備的運(yùn)行與電力設(shè)備的運(yùn)行情況緊密相連，由于電氣設(shè)備難以在理想的環(huán)境中運(yùn)行，因此就會(huì)產(chǎn)生各種難以想象的問題，就需要加入超壓以及欠壓來起到保護(hù)電流的功能，給電路的運(yùn)用保駕護(hù)航。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過程中難以保證在額定的電壓環(huán)境中長久運(yùn)行，如果低于-15%電壓，就是出現(xiàn)了欠壓的現(xiàn)象，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)工作時(shí)出現(xiàn)欠壓的時(shí)候?yàn)榱吮Ｗo(hù)電路安全就應(yīng)當(dāng)及時(shí)切斷電源。除此之外還有另一種超壓，超壓就是高于+15%時(shí)的電壓，此時(shí)為了保護(hù)電路安全也應(yīng)當(dāng)實(shí)行切斷電源的方法。受控單位部分增加過流保護(hù)就是針對欠壓和超壓做出的措施，當(dāng)智能計(jì)量設(shè)備檢測到出現(xiàn)了超壓或者欠壓的情況時(shí)就會(huì)啟動(dòng)過流保護(hù)，在正常情況下就不會(huì)啟動(dòng)過流保護(hù)裝置，使物聯(lián)網(wǎng)正常工作。

3.3 串口通信模塊部分的研發(fā)

串口通信模板也就是通過智能計(jì)量設(shè)備內(nèi)置或云端后臺(tái)管理系統(tǒng)中的命令和算法，進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)收集和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)的用電量，減少人力物力的運(yùn)用，串口通信模塊是實(shí)現(xiàn)智能計(jì)量設(shè)備與云端后臺(tái)管理系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信功能的一部分。針對串口通信模塊部分通?？梢赃x用WiFi模塊、GPRS模塊、4G模塊等，能夠快速地實(shí)現(xiàn)通訊，傳達(dá)物聯(lián)網(wǎng)使用過程中的數(shù)據(jù)收集，減少數(shù)據(jù)的傳遞的延遲性，能夠快速地做出數(shù)據(jù)分析。其中FPGA是一種專用集成電路，其設(shè)計(jì)過程中將眾多串口通信模塊聯(lián)系在一起，解決了定制電路的不足，F(xiàn)PGA在使用過程中雖然比ASIC電路的速度要慢，但是其功能更加強(qiáng)大，在研發(fā)和使用過程之中會(huì)利用FPGA的可編程能力將其邏輯板塊進(jìn)行連接，從而得到合用的芯片，F(xiàn)PGA的內(nèi)部有豐富的觸發(fā)感和I/O引腳，能夠提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，保證物聯(lián)網(wǎng)用電的安全性和便利性。

4 安全用電智能計(jì)量設(shè)備的具體應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在生活中廣泛應(yīng)用，無論是生活還是工作都會(huì)涉及到物聯(lián)網(wǎng)，因此用電量劇增，要控制用電的安全與便利就要加快安全用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用，主要可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測分析、峰谷用電分析、遠(yuǎn)程遙控以及智能小區(qū)管理，有大數(shù)據(jù)的地方就存在物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行，就需要控制用電的安全性與實(shí)用性。

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測分析

安全用電智能計(jì)量設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)檢測分析，對于用電量、用電時(shí)間都能夠起到檢測作用，在使用過程中還能檢測線路的運(yùn)用狀態(tài)。運(yùn)用到企業(yè)中就是能夠檢測整棟樓或者整個(gè)公司的電路運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)檢測是否會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，或者電路的運(yùn)行問題，如果有的話能夠及時(shí)報(bào)警并且做出切斷電源的行動(dòng)。

對于個(gè)人來說，家庭中的家電逐漸走向智能化，家電的正常運(yùn)行也會(huì)有物聯(lián)網(wǎng)的參與，智能化的家庭也會(huì)產(chǎn)生龐大的耗電量，家庭中運(yùn)用智能計(jì)量設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，出現(xiàn)故障的時(shí)候及時(shí)切斷電源，避免安全事故的發(fā)生，造成人身財(cái)產(chǎn)的損失。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測分析的功能是智能計(jì)量設(shè)備不可缺少的一部分，也是最重要的一部分，及時(shí)將一切安全隱患扼殺在搖籃之中，保護(hù)用電安全，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的工作質(zhì)量和作用效率。

4.2 峰谷用電分析

一天的用電量不是均勻分布，會(huì)出現(xiàn)用電高峰期和低谷期，不同時(shí)期面臨的用電問題不同，智能計(jì)量設(shè)備能夠觀察對峰谷用電進(jìn)行分析，從而采取不同的措施給用戶供電，更加合理地安排用電時(shí)間，能夠在很大程度上節(jié)約能源。安全用電智能計(jì)量設(shè)備能夠進(jìn)行豐富用電分析，對科學(xué)合理安全用電時(shí)間提供真實(shí)數(shù)據(jù)，避免在高峰期產(chǎn)生各種安全隱患，同時(shí)也能夠提出節(jié)能意見，避免多余電能的浪費(fèi)，更好為物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行服務(wù)。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給生活和工作提供了便利，提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度，物聯(lián)網(wǎng)由于其技術(shù)性、包容性和安全性等優(yōu)勢快速占領(lǐng)了行業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用也使得電力需求量的增加，用電安全也日益受到關(guān)注，這給安全用電智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)提供了機(jī)會(huì)和技術(shù)指導(dǎo)。加強(qiáng)智能計(jì)量設(shè)備的研發(fā)要從主控單元、受控單元以及串口通信這三個(gè)設(shè)計(jì)方面出發(fā)，加入現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理念有創(chuàng)造性地進(jìn)行研發(fā)，使其能夠及時(shí)檢測出物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行過程中存在的安全隱患，并且及時(shí)采取措施避免安全事故的發(fā)生，保證人身財(cái)產(chǎn)的安全。此外，用電智能計(jì)量設(shè)備也廣泛應(yīng)用于生活和工作之中，起到監(jiān)控、分析和做出決策的作用，給居民提供了生活便利，充分發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大功能，促進(jìn)社會(huì)的和諧穩(wěn)定發(fā)展，為邁向現(xiàn)代化的經(jīng)濟(jì)社會(huì)添磚加瓦。