一种多数据采集和加密的智能电能表的制作方法

1.本发明属于智能电网技术领域，尤其涉及一种多数据采集和加密的智能电能表。


背景技术：

2.智能电表是智能电网数据采集的重要基础设备，对于电网实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用，属于ami系统的重要组成部分，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。智能电表的广泛应用能够提高电力企业的经营效率、促进节能减排，增强电力系统的稳定性。
3.目前水、气、热等子表数据都是各自管理，有个别国家和地区在推动水表、气表采用自带小无线模块的方式采集数据，此方式浪费大量的财力物力，成本非常高。同时目前很多智能电表本地关键数据如电量数据、关键通讯参数如psk、电表模式字等都未加密，非法人员通过破坏或者拆卸一块电表的存储器(eeprom、flash)，破解所有数据的存储格式以及校验方式，那么就可以批量修改所有电表的信息，可以让整个电网通讯瘫痪，后果非常严重，损失巨大。公开号为cn213600781u的专利提供了一种智能电表数据采集系统，包括采集器、后台服务器和一组智能电表，所述的采集器包括通信接口一、通信接口二和无线通信模块；所述的智能电表包括与采集器对应的通信接口一和通信接口二；一台智能电表通过通信接口一与采集器连接，用于通信和供电；其余的智能电表通过通信接口二与采集器连接，用于通信；采集器通过无线通信模块与后台服务器通信连接。此专利虽然阐述了一对多的数据采集，但是仍局限于电能数据这单一项，对于如何可以同时采集其他子表数据并对这些数据进行加密却并无相关技术方案。
4.因此，如何提供一种可同时采集多项电表数据并对数据进行加密、成本低的同时安全性能高的智能电能表是本技术领域人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多数据采集和加密的智能电能表，以解决现有技术中智能电能表成本高、安全性低，无法对多项数据进行采集并加密的问题；此外本发明还提供了一种计算机可读存储介质及智能终端。
6.为了解决上述问题，本发明采用了如下的技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种多数据采集和加密的智能电能表，包括：
8.主控mcu控制器模块以及与所述主控mcu控制器模块通信连接的计量模块、继电器驱动模块、存储模块、电源模块、加密模块、外置扩展模块、g3-plc通信模块、显示模块和m-bus子表采集模块；
9.计量模块用于电能计量；所述m-bus子表采集模块包括用于采集子表数据的有线m-bus接口，所述有线m-bus接口同时接入多个子表；所述主控mcu控制器模块的芯片内部包括加密硬件加速器，用于与所述加密模块配合对所述计量模块和所述m-bus子表采集模块所采集的数据进行加密。
10.进一步的，还包括与所述主控mcu控制器模块通信连接的p1口，所述p1口按照dsmr标准设计，采用标准接口rj12，外接户内显示单元。
11.进一步的，所述计量模块的数据采集包括曲线与事件记录，所述曲线包括15分钟负荷曲线、日负荷曲线和月结曲线；所述事件记录包括标准事件、窃电事件和电能质量事件。
12.进一步的，所述g3-plc通信模块采用r9a06g037双通道自适应载波控制，支持cen_a与fcc双通道并存，工作通频带分别在41khz～89khz和151khz～472khz。
13.进一步的，所述外置扩展模块支持4g、nb-iot和rf通讯方式中的一种或多种，通过rs485总线与所述主控mcu控制器模块连接。
14.进一步的，所述主控mcu控制器模块采用microchip的sam4c16c高性能芯片。
15.进一步的，所述计量模块采用锐能微rn8302芯片。
16.进一步的，所述m-bus子表采集模块的采集方式为按照设定周期定时采集子表数据。
17.第二方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序应用于如上所述多数据采集和加密的智能用电表的数据采集和加密。
18.第三方面，本发明还提供了一种智能终端，包括：处理器及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如上所述多数据采集和加密的智能用电表的数据采集和加密。
19.本发明提供的多数据采集和加密的智能电能表与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
20.本发明结构简单、功能全面，通过自身计量模块采集电表数据，通过m-bus子表采集模块采集水表、气表和热量表的数据，根据环境不同可选择g3-plc的采集方式或4g采集方式，实现四表集抄，成本较低；所采集的关键数据可通过主控mcu控制器模块与加密模块进行加密存储，杜绝外部任何破解方式，保证采集数据的安全，同时还能对智能电能表的固件进行加密，防止固件被篡改，安全性能高。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的图作一个简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例提供的一种多数据采集和加密的智能电能表的结构框图。
具体实施方式
23.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
24.本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
25.此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
26.本发明提供了一种多数据采集和加密的智能电能表，应用于智能电网中的数据采集，多数据采集和加密的智能电能表包括：
27.主控mcu控制器模块以及与主控mcu控制器模块通信连接的计量模块、继电器驱动模块、存储模块、电源模块、加密模块、外置扩展模块、g3-plc通信模块、显示模块和m-bus子表采集模块；
28.计量模块用于电能计量；m-bus子表采集模块包括用于采集子表数据的有线m-bus接口，有线m-bus接口同时接入多个子表；主控mcu控制器模块的芯片内部包括加密硬件加速器，用于与加密模块配合对计量模块和m-bus子表采集模块所采集的数据进行加密。
29.本发明可实现多项能耗数据的采集并可加密所采集的数据，成本低且安全性能高。
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
31.本发明提供了一种多数据采集和加密的智能电能表，应用于智能电网中的数据采集，如图1所示，所述多数据采集和加密的智能电能表包括：主控mcu控制器模块以及与主控mcu控制器模块通信连接的计量模块、继电器驱动模块、存储模块、电源模块、加密模块、外置扩展模块、g3-plc通信模块、显示模块和m-bus子表采集模块；计量模块采用锐能微rn8302芯片，用于电能计量，支持有功、无功视在电能计量，同时还支持31次谐波计量，基本上能覆盖当前绝大多数用户的需求；m-bus子表采集模块包括用于采集子表数据的有线m-bus接口，有线m-bus接口同时接入多个子表如水表、气表、热量表等，并按照设定周期采集子表数据；主控mcu控制器模块用于与加密模块配合对计量模块和m-bus子表采集模块所采集的数据进行加密，采用microchip的sam4c16c的高性能芯片，m4 arm内核，最高主频达到120mhz，芯片内部包括加密硬件加速器，为采集数据高性能加密功能提供基础，外置扩展模块包括4g、nb-iot和rf通讯方式，g3-plc通信模块采用r9a06g037双通道自适应载波控制方案，支持cen_a与fcc双通道并存，工作通频带分别在41khz～89khz和151khz～472khz，提高抗噪声能力，实际应用中用户可以根据现场的环境自由选择通讯方式，一般电网环境较好时优先选择成本低廉的g3-plc通讯方式，如果电网环境较差，优先选择其他通讯方式如4g、3g、gprs通讯方式。
32.本实施例中，多数据采集和加密的智能电能表对用户用电的数据采集包括曲线和事件记录，曲线包括15分钟负荷曲线、日负荷曲线、月结曲线，事件记录一般要关注的有标
准事件、窃电事件、电能质量事件等。曲线类的用电计量会根据捕获周期和数据量设定不同的采集周期，15分钟负荷曲线由于数据量大，一般4～6小时采集一次，才能确保一天的数据能够被采集完整；日负荷曲线每天凌晨采集；月结算曲线在结算日后采集一次即可。事件记录的用电计量有两种方式，电表主动上报和主动抄读，紧急事件需要立即通知主站，并需要立即处理的事件采用主动上报方式，主站收到上报信息后会提示工程人员是否要到现场处理异常。
33.本实施例中，g3-plc通信模块采用r9a06g037双通道自适应载波控制方案，支持cen_a与fcc双通道并存，工作通频带分别在41khz～89khz和151khz～472khz，提高抗噪声能力，随着新能源产品多样化以及用电设备的使用普及，电网中的低频干扰越来越大，智能电表可以根据信号情况切换到fcc频段，确保数据采集时不受影响。电能表每次上电后，g3-plc通信模块会注册到对应的网关，数据采集系统下发通讯指令通过网关转发至电表。
34.本实施例中，外置通讯模块采用4g模块，按照既定采集方案采集电表数据，此外外置通讯模块支持级联功能，一个外置通讯模块可以连接多块电表，外置通讯模块与电表之间采用rs485总线连接，现场施工时一个表箱安装多台智能表，只需要一个外置通讯模块就可以实现数据采集，成本做到最优。
35.外置扩展模块支持频段包括：
36.fdd lte:b1、b2、b3、b4、b5、b7、b8、b28；
37.umts:b1、b2、b5、b8；
38.gsm:850、900、1800、1900mhz。
39.本实施例中，m-bus子表采集模块支持有线m_bus接口，一个智能电能表可同时接入水表、气表、热量表，智能电能表定时对多个子表进行数据采集并存储在大容量存储器flash中，由于子表都是采用电池供电，考虑其电池消耗问题，采集周期不宜过于频繁，默认为1小时采集一次，用户可根据需求灵活配置采集周期。
40.本实施例中，p1口硬件上按照dsmr(dutch smart meter requirements)标准设计，同时兼容5.0和3.0版本，两个版本的差异主要是终端设备的供电是否由智能电能表提供，用户可以根据需求硬件可选即可，无需修改电路，p1口接口采用标准接口rj12，方便连接操作，支持自动检测是否连接终端设备，一旦接入智能电能表启动push功能，否则停止push数据，p1口主要用于数据单相传输，外接设备为户内显示单元，用户可以按照需求配置push对象清单，智能电能表按照对象清单定时push数据，最高push频率可实现每秒push一次，最大传输字节为1024字节，为了确保数据的实时性最高波特率为115200bps。p1口还可以作为政府机构发布紧急事件的一种媒体介质，例如：地质灾害、台风、停电信息、重要新闻等信息发布。
41.进一步的，本实施例中，多数据采集和加密的智能电能表的高安全性能主要包括以下方面：
42.智能电能表本地关键数据安全：电能表新表首次上电时触发主控mcu控制器模块内部随机数发生器产生一个随机数，将此随机数通过企业申请的专用证书生成一个新秘钥，将此秘钥存储在主控mcu控制器模块内部flash中，由于是随机产生那么每个智能电能表的秘钥不一致，此秘钥用于本地数据的加密、解密，由于此秘钥存储在内部flash，无读取接口，无人能获取，数据没有被破解的可能，保证数据的安全性。
43.电量数据安全：电量数据是电能表的核心数据，电量数据通过秘钥进行加密，数据没有被破解的可能，保证数据的安全性。
44.关键参数安全：关键参数采用上述秘钥加密，确保数据安全，避免了对参数破解后对电网进一步破坏，关键参数如g3-plc通讯模块用到的psk、tone_mask等。
45.个人隐私安全：负荷曲线时刻记录着用户用电情况，使用本地秘钥可以有效的保护用户的隐私及财产安全。
46.本地秘钥自身安全：由于本地秘钥是随机产生，秘钥存储在主控mcu控制器模块内部flash中，要通过编程口读取才能获取，可以通过熔丝手段来保证本地秘钥自身的安全性，熔丝是不可逆的，使编程口永久禁止。
47.智能电能表固件安全：
48.a.固件本身安全：固件存储在主控mcu控制器模块内部flash中，为了防止非法人员通过编程口读取内部固件进行篡改并烧录，对编程口进行熔丝，熔丝不可逆，使编程口永久禁止。
49.b.固件升级过程安全：智能电能表固件升级步骤如下：
50.主站下发固件升级包，其中第一个数据包中包含了固件的版本、数字签名等信息；
51.智能电能表每接收到一个正确的升级包后将数据存储在外部flash中；
52.计算出crc效验码并存储在mcu内部flash(rom)中指定区域；
53.检查所有升级包是否接收完成，并检验每个数据包校验码是否与数据包匹配；
54.对完整固件包进行完整性检查，采用数字签名方式验证，如果签名值与第一个数据包中的签名值一致，则认为固件包未被篡改；
55.智能电能表应用程序复位，再次检查固件签名是否正确，启动升级，将数据包拷贝至内部flash中。
56.通过以上步骤，任何环节篡改固件升级包和效验码都会被智能电能表识别出来，停止升级，上述步骤开始之前会对当前运行的固件进行备份，为后续升级过程中出现异常时程序回滚做好文件备份，确保任何异常情况下都会以一个完整的固件运行。
57.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序应用于本实施例中的多数据采集和加密的智能电能表的数据采集和加密。
58.本发明实施例还提供了一种智能终端，包括：处理器及存储器；存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行存储器存储的计算机程序，以使终端执行本实施例中的多数据采集和加密的智能电能表的数据采集和加密。
59.本实施例中的计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述多数据采集和加密可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述多数采集和加密；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
60.上述实施例所述的多数据采集和加密的智能电能表，结构简单、功能全面，通过自身计量模块采集电表数据，通过m-bus子表采集模块采集水表、气表和热量表的数据，根据环境不同可选择g3-plc的采集方式或4g采集方式，实现四表集抄，成本较低；所采集的关键数据可通过主控mcu控制器模块与加密模块进行加密存储，杜绝外部任何破解方式，同时还能对智能电能表的固件进行加密，防止固件被篡改，保证采集数据的安全，安全性能高。
61.显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。