一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统的制作方法

本发明涉及一种电能采集及环境感知节点系统，尤其涉及一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统,属于电能质量监测领域。

背景技术：

随着社会经济快速发展，电力需求量持续增加，而电力供需形势却持续紧张，用电形势十分严峻。为此，根据我国国情，电力行业制定了坚强智能电网发展规划。随着智能电网的发展，为了更好的服务用户，需要提供更加精确和实时的电能能耗监测。节点实物设计成插座形式，完成了对用户侧电能的实时监测。系统精度高、稳定性好，为用户选择用电行为提供一个有利的参考。

目前，电监测设备往往只能记录总用电量，并不能掌握用电设备实时的用电情况。传统的方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点，无法为供电部门提供用电分析与预测的数据依据，不能在电量用度控制、供电单位与用户的交互等方面提供便利，无法满足日益发展的社会用电需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统，利用一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统解决传统的方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点，无法为供电部门提供用电分析与预测的数据依据，不能在电量用度控制、供电单位与用户的交互等方面提供便利，无法满足日益发展的社会用电需求的问题。

本发明采用的技术方案为一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统，包括电能采集及环境感知节点模盒本体、远程服务器端和用户电负荷，所述的电能采集及环境感知节点模盒本体安装在电力用户界区内的市电线路上；所述的电能采集及环境感知节点基于套接字方式通过wifi网络与远程服务器端连接；电路板安装在电能采集及环境感知节点模盒本体内。

所述的电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接用户电负荷的插口。

所述的电路板包括电能计量模块、电源模块、无线收发模块和串口，电源模块通过电能采集及环境感知节点模盒插头将市电接通转换后分别为电能计量模块和无线收发模块提供电源；无线收发模块和电能计量模块通过串口模块连接。

所述的无线收发模块为HF-A11。

利用本发明的技术方案，只需将模盒插入带电的电源插口，模盒内的电源模块就把市电转化为直流电，为电能计量模块供电，电能计量模块负责采集用电器的电压、电流、有功功率和用电量四组数据，采用套接字的方式将数据从模盒内的无线发送模块发送到远程服务器端，即可实现对用电用户的电压、电流、有功功率和用电量四组数据准确采集和实时发送，只需通过服务器端的监测系统就可实时采集用户的用电状况，并对所有采集到的信息进行综合分析。

所述的电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接用户电负荷的插口，该结构易安装，取电和用电方便，与用户用电线路合理布局，既美观又不影响用户外接用电设备的使用。

所述的电路板包括电能计量模块、电源模块、无线收发模块和串口，电源模块通过电能采集及环境感知节点模盒插头将市电接通转换后分别为电能计量模块和无线收发模块提供电源；无线收发模块和电能计量模块通过串口模块连接，该连接可实现数据采集、电源转换、数据传输。

所述的无线收发模块为HF-A11，HF-A11嵌入式WiFi模组提供了一种把UART/以太网/GPIO等接口数据转到WiFi接口的解决方案。通过HF-A11模组，传统的低端串口设备或MCU控制的设备均可以很方便的接入WiFi无线网络，从而实现物联网络控制与管理。

综上所述，利用一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统可以解决传统的方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点，无法为供电部门提供用电分析与预测的数据依据，不能在电量用度控制、供电单位与用户的交互等方面提供便利，无法满足日益发展的社会用电需求的问题。

附图说明

图1为本发明系统示意图图；

图2为本发明外观正视图；

图3为本发明外观侧视图。

具体实施方式

下面对发明进行进一步介绍。

如图1～3所示，一种基于套接字的电能采集及环境感知节点系统，包括电能采集及环境感知节点模盒本体、远程服务器端和用户电负荷，电能采集及环境感知节点模盒本体安装在电力用户界区内的市电线路上；电能采集及环境感知节点基于套接字方式通过wifi网络与远程服务器端连接；电路板安装在电能采集及环境感知节点模盒本体内。

电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接用户电负荷的插口。

电路板包括电能计量模块、电源模块、无线收发模块和串口，电源模块通过电能采集及环境感知节点模盒插头将市电接通转换后分别为电能计量模块和无线收发模块提供电源；无线收发模块和电能计量模块通过串口模块连接。

本发明的模盒可采用金属模盒或塑料模盒，模盒外观可为方形，也可为圆形以及其它任何外形，本实施例采用塑料外壳，外形采用方形外盒。

电源模块采用7805三端稳压集成电路，输出直流5V，再经过SP1117-3.3三端稳压芯片提供直流3.3V，由于采集节点主要是面向室内用电器，所以做成插座样式，由于要用AC 220V/50HZ交流供电。硬件电路中电源模块需要输出DC3.3V，DC5V。所以在模盒内安装一块电源模块，负责电源转换。

计量模块的设计是本系统硬件电路设计的核心，要求保证采集数据精度高、可靠性强。本系统采用电能计量芯片RN8209G，它是一款能够测量有功功率、有功能量，并能同时提供电流有效值、电压有效值、线频率、过零中断等的芯片，同时又兼具了体积小、成本低的优点，可以安装在塑料模盒内，塑料模盒侧边可以开一定数量的孔，用来将模盒内电路产生的热量散发出去，保证模盒内电路元器件的正常运行，并可以提高使用寿命。

RN8209G功耗很低，典型值为32mW。使用DC5V电源供电，内部包含有电源监测电路，当电源电压低于4V±0.1V时芯片被复位，当电源电压高于4.3V±0.1V时芯片正常工作。内部电源监控电路的作用是保证上电和断电时，芯片的可靠工作。因此，在正常工作时，电源电压波动不应该超过±0.3V。

RN8209G提供两路电流和一路电压有效值测量，包括三路ADC，分别用来对相线电流、零线电流和电压进行采样。测量误差很小：电流和电压在400：1动态范围内，有效值误差<0.5％，有功电能和无功电能误差在1500：1范围内<0.1％。

RN8209G使用UART通用异步串行口与微控制器MCU通信，只需要两根线，一根发送(TX)，一根接收(RX)。支持全数字的增益、相位和offset校正。有功、无功电能脉冲分别从PF、QF管脚输出。

计量模块的串口为UART串口，可采用微控制器MCU通过UART串口对计量芯片进行配置与校正。UART接口工作在符合UART协议的从模式、半双工通讯、9位UART(含偶校验位)上，帧结构包含校验和字节。其通讯帧格式由CMD(命令字节)+DATA(数据字节)+CKSM(校验和字节)组成。校验和算法如下：CheckSum[7:0]＝～(CMD[7:0]+DATAn[7:0]......+DATA1[7:0])。芯片通过硬件管脚B1和B0配置波特率，有四种波特率可供选择，通过对无线传输速率等的综合考虑，本系统选择的波特率选择9600bps。

计量模块采集的电能参数，在交流电路中，除了P＝UI外，还有一个反应电压、电流相位差的余弦，即功率因数cosφ，RN8209模块提供测量的方法如下：

电流有效值

取每一个工频周期内同步采样次数为N，则电流有效值I_d计算如下：

式中，i(k)为k时刻电流的瞬时值；k为采样序号。

电压有效值

取每一个工频周期内同步采样次数为N，则电流有效值U_d计算如下：

式中，u(k)为k时刻电流的瞬时值；k为采样序号。

有功功率

采用积分算法，有功功率P_d为：

可以保证所获得电能参数能够精确采样。

由于涉及的无线传送装置要求比较高，本发明无线发送模块采用HF-A11，HF-A11嵌入式WiFi模组提供了一种把UART/以太网/GPIO等接口数据转到WiFi接口的解决方案。通过HF-A11模组，传统的低端串口设备或MCU控制的设备均可以很方便的接入WiFi无线网络，从而实现物联网络控制与管理。HF-A11嵌入式模组内部集成了WLAN MAC，基带处理，射频前端等硬件，软件提供完整的802.11b/g/n WLAN协议，TCP/IP协议，配置管理等协议。

串口转WiFi模块实现了数据的无线通讯。HF-A11外接管脚有14个，本次设计中主要用到了：GND、3.3v、TX、RX、nLink、nReload。其中nLink、nReload接3.3v高电平，使芯片正常工作。TX、RX分别接计量模块的RX、TX，实现串口数据的读写。

无线模块在初始化时需要进行必要的配置。第一次使用，模块默认处于AP(access point)模式，电脑通过WiFi连接无线模块，之后在浏览器中输入10.10.100.254，打开无线模块的配置页面(默认用户名和password均为admin)。在本发明中，需要让无线模块工作在STA(station)模式。无线接入点设置可以更改网络名称SSID。无线终端设置，选择无线要接入的网络名称(即要连接的路由器)，在下拉列表中选择一个AP，并输入密码。在串口与网络协议设置中，波特率选择9600、数据位8、检验位Even、停止位1、网络模式选择client、协议为TCP、端口号默认8899、服务器地址，需要输入连接到当前局域网路由器中准备做为服务器的电脑的IP(路由器自动分配的IP)。所有的这些设置均要点击确定。在模式选择中选择station模式。最后在模块管理中选择重启。待无线列表中AP消失后表示重启成功。

在远程服务器端采用python语言编写程序，以保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收，套接字采用流套接字用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。

在完成所有硬件设施和软件编程后，可以将模盒插头插入用户用电线路中，同时启用用户用电设备，系统开始运行，客户端请求是由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器套接字的地址和端口号，然后再向服务器端套接字提出连接请求。

当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的信息发送给客户端，一旦客户端确认了此连接，连接即可建立。而服务器端继续处于监听状态，继续接收其他客户端的连接请求。

本发明使用套接字进行数据处理选择异步模式。异步模式的特点是在通过Socket进行连接、接收、发送操作时，客户机或服务器不会处于阻塞方式，而是利用callback机制进行连接、接收、发送处理，这样就可以在调用发送或接收的方法后直接返回，并继续执行下面的程序。

在远程监控画面，就可以看到用户的电能数据已经经过模盒以无限方式传输到了服务器，在服务器端就可以利用采集到的数据进行分析和管理。