基于WIFI的智能无线监控电表系统的制作方法

本实用新型属于智能监控电表技术领域，具体涉及一种基于WIFI的智能无线监控电表系统。

背景技术：

智能电表是智能电网(特别是智能配电网)数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。

在智能电表基础上构建的高级量测体系自动抄表系统能为用户提供更加详细的用电信息，使用户可以更好地管理他们的用电量，以达到节省电费和减少温室气体排放的目标；电力零售商可以根据用户的需求灵活地制定分时电价，推动电力市场价格体系的改革；配电公司能够更加迅速地检测故障，并及时响应强化电力网络控制和管理。

目前智能电表的通信方式主要有RS-485通信、红外通信、电力线载波通信、GPRS无线通信等，其中RS-485通信和红外通信主要用于本地通信，而电力线载波通信和GPRS无线通信主要用于远程通信。随着智能电网建设的推进和构建高级计量体系的需求，对智能电表的通信性能有了更高的要求，智能电表的通信需要具备更高的实时性，需要更高的通信速率以承载大量的数据，同时对通信的安全性和通信网络的接入也提出更高的要求。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种基于WIFI的智能无线监控电表系统。

一种基于WIFI的智能无线监控电表系统，包括开关电源、计量芯片、WIFI主控芯片、Flash存储器、复用按钮和指示灯；

所述的开关电源给计量芯片、WIFI主控芯片供电，计量芯片通过UART接口与WIFI主控芯片连接，Flash存储器通过SPI接口与WIFI主控芯片连接，WIFI主控芯片的指示灯信号输出端口与指示灯信号输入端连接，WIFI主控芯片上设有复用按钮；WIFI主控芯片继电器信号输出端口与继电器连接；

所述的计量芯片内设有电压传感器、电流传感器和电能计量芯片；所述电压传感器将220V内的配电电压按线性比例转为5V内的可测量信号量电压，所述的电流传感器将100A以内的用户电流按线性比例转为5V内的可测量信号量电压，所述的电能计量芯片将电压传感器和电流传感器采集到的电压、电流信息，计算出功率、功率因数和电量，并经过UART接口传送至WIFI主控芯片模块；

WIFI主控芯片通过UART接口读取计量芯片上的电能数据，定时地读取数据或者远程实时抄表读取数据，读取的数据包括电压、电流、功率、相位和频率；并对读取的数据进行数据处理，格式成互联网支持的Json数组，然后通过WIFI网络将数据传递给电表综合管理平台的后台数据库服务器，通过在手机上或者网页上查看电表实时电能数据。

所述的WIFI主控芯片采用上海乐鑫自主研发的物联网专用WiFi芯片。

所述的电能计量芯片采用单相电能计量SoC芯片。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

计量模块通过电压传感器、电流传感器采集电压、电流信号，并计算出功率、频率、相位等电气参数，并存储在寄存器内；WIFI主控芯片模块通过UART接口不断读取计量模块的数据，并进行存储和发送；智能电表只需要用在有无线路由器的地方就可以使用，网络施工方便快捷，安装电表成本低廉；所有电表有唯一的标号ID，通过此ID即可在服务器平台上访问到电表。使用轻量级MQTT协议交互电表数据，使得服务器开销小性能高，通过MQTT协议将用电量信息发送至综合管理平台。本实用新型电表准确度高，接口灵活，提供安全可靠的电量传输网络接口，可推广使用。

本文提出将WiFi无线通信作为智能电表的通信方式。在当前WIFI已经普及到千家万户的环境下，WIFI网络环境非常易得，借助WIFI通讯的物联网智能产品也发展蓬勃，出现了如WIFI插座、WIFI灯和WIFI热水器等各式各样的智能产品。WiFi通信布局成本越来越低廉，易用性与实用性其他通讯方式无法比拟。WiFi通信采用的是无线通信方式，使得智能电表的安装无需铺设专门的通信线路，安装维护极为便利。

本产品将使用WIFI模块研发一款性价比高的智能监控电表，主要用于电能监控场景，比如二次售电的小区物业以及城中村房东等。使用WIFI智能电表能实时监控各项用电数据，如电压、电流、功率、功率因素和电能等等。通过手机APP用户能实时查看到当前用电的各项数据，统计数据生成报表，达到现代化、集中化管理电力大数据的效果。

附图说明

图1为本实用新型所述智能电表的总体架构示意图；

图2为区域内WIFI通信结构图；

图3为基于MQTT协议电表与互联结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的基于WIFI的智能无线监控电表系统，包括：

计量模块，采用了电能专用的计量芯片采样电压信号和电流信号，并将电信号转化为数字量连同计算的电能基本量存储在其寄存器，再通过UART与WIFI主控芯片模块进行数据传输。

所述计量模块的具体架构主要包括电压传感器、电流传感器、电能专用的计量芯片等元件。

所述电压传感器可将220V内的配电电压按线性比例转为5V内的可测量信号量电压，有电阻分压器、电容分压器、电磁式电压互感器、电容式电压互感器、霍尔电压传感器等类型。本设计采用了电阻分压器，具有成本低性能好的优势，广泛应用在电表行业中，是推广使用的最佳方法。

电流传感器可将100A以内的用户电流按线性比例转为5V内的可测量信号量电压，有分流器、电磁式电流互感器、电子式电流互感器等类型。本设计采用了霍尔电流传感器，具有精度高、线性好、响应速度快、频带宽等特点，在电流产生畸变、中断、暂升降等电能质量问题时，可以比较迅速地反应原信号的特征，精确地测量电网侧电流。

电能专用的计量芯片可将电压传感器和电流传感器采集到的电压、电流信息，计算出功率、功率因数、电量等信息，并经过UART接口传送至WIFI主控芯片模块，进行进一步的数据分析与传输。

计量模块的工作过程：单相市电经过电压传感器、电流传感器转化为低电压测量信号，而低电压测量信号量在电能专用的计量芯片有效测量范围内。电能专用的计量芯片的模数转换(AD)模块将低电压测量信号量转换为数字量，而电能专用的计量芯片的集成数字信号处理电路则对已转换的数字量进行计算，得到电压、电流有效值、功率因素、相角、频率、有功功率、无功功率等电气量，并存储在寄存器内。WIFI主控芯片模块可以通过UART接口进行读取。

WIFI主控芯片模块，采用基于MIPS架构的微处理器模块，内置Tensilica L106的32位微处理器(MCU)，具有超低功耗的16位的精简指令集RSIC。此模块的CPU时钟速度为80MHz，开启倍频技术后高可达160MHz。目前Wi-Fi协议栈只用了其20％的CPU运算处理能力(MIPS)，其他的都可并进行计算、显示、通讯、控制等操作。该WIFI主控芯片模块的具体架构主要包括基于MIPS结构的微处理器、WIFI通讯接口、UART通信接口、SPI接口、按键、指示灯等部分。

WIFI主控芯片通过异步串行口读取电能数据，定时地读取数据或者远程实时抄表读取数据，读取的数据包括电压、电流、功率、相位和频率等数据；

WIFI主控芯片模块对异步串口读取的数据进行数据处理，格式成互联网支持的Json数组，然后通过WIFI网络将数据传递给电表综合管理平台的后台数据库服务器，可以在手机上或者网页上查看电表实时电能数据；

智能电表配有1个按钮和三个状态指示灯。三个状态灯分别是系统运行灯、WIFI指示灯和服务器指示灯。一个按钮为复用按钮，短按执行继电器测试模式。按一下继电器打开，再按一下继电器关闭。按钮长按进入WIFI模块的SMART—LINK配置操作模式，可以通过手机APP辅助广播发送路由器的名称和密码，以便配置WIFI模块首次接人家庭无线路由器。

所述WIFI主控模块负责系统的全部任务的执行，使用定时器的方式运行多任务，并根据智能电表的功能创建了WIFI通讯任务、本地数据存储任务、HTTP上传任务、MQTT交互任务和按键操等，主要任务的具体功能如下：

WIFI通讯任务：该此任务维持WIFI协议栈，负责支持802.11/b/g/n协议的内容。包括WIFI的发现、连接和校验，连接成功后对TCP协议栈的支持，TCP连接成功后对MQTT协议和HTTP协议的支持。

定时存储和上传任务：此任务一分钟时间间隔，通过UART接口读取计量模块的电能数据，并通过SPI接口存储到本地Flash存储器中，此外通过WIFI接口的HTTP协议POST(提交)数据到远程数据服务器，远程数据服务器获取数据后存储至数据库服务器；

复用按钮任务：此任务是使用中断方法执行，当按钮按下时，检测按钮是短按还是长按，短按执行继电器通电或断电操作，长按进入WIFI模块的配置操作模式，通过手机APP辅助WIFI模块接入加密路由器；

MQTT任务：此任务是电表与远程服务器数据交互的通道。每一块智能电表都有一个唯一的数字编号ID，根据此ID可以通过远程服务器访问此电表的数据。在MQTT协议中，每个电表订阅自身ID的主题Topic。通过此ID可以读取电表的电能数据、WIFI状态、系统运行状态和存储在电表本地的历史数据。也可以读取或控制继电器的状态，可以实现远程断电功能。一切通过远程服务器与电表交互式的操作都通过MQTT任务完成，是智能电表数据交互枢纽。

本实用新型设计采用了区域中智能电表WIFI无线通讯的方法。WIFI通信方式是最普遍的无线通讯方式之一，具有性能稳定、成本低廉、安装调试方便等等优点。

①区域内的智能电表经过无线路由器连接在一起，如图2所示。

②WIFI主控芯片运行的定时任务，给每个智能电表分配唯一的电表ID，不断向远程数据库服务器上传电表数据，并且在本地存储电表数据。

本实用新型设计采用了轻量级MQTT协议进行数据承载交互。MQTT (Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和致动器(比如通过Twitter让房屋联网)的通信协议。

使用MQTT协议传输电表数据会带来很多技术上的优势。MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

1、使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；

2、对负载内容屏蔽的消息传输；

3、使用TCP/IP提供网络连接；

4、有三种消息发布服务质量：“至多一次”、“至少一次”、“只有一次”，确保消息的质量的同时能根据使用者的需求来调节网络资源的利用率。

5、小型传输，开销很小(固定长度的头部都是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量；

所有智能电表采用MQTT协议连接数据服务器，通过MQTT将数据发送至综合管理平台。其情况如下：

①所有的智能电表与远程服务器使用MQTT连接在一起，所有的手机APP和Web服务端也使用MQTT协议连接服务器，如图3所示。

②WIFI主控芯片运行的定时任务，给每个智能电表分配唯一的电表ID，不断向远程数据库服务器上传电表数据，并且在本地存储电表数据。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。