基于WiFi的智能电表技术研究

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华北电力大学研究生结课作业

学 年 学 期：2013-2014学年第二学期 课 程 名 称：Seminar课程 学 生 姓 名：孟宪盖 学 号：2132215028 提 交 时 间：2014年7月12日

基于WiFi的智能电表技术研究

摘要 介绍一种基于WiFi的智能电表系统的硬件和软件实现方法，给出智能电

表系统的总体框架结构。通过在现有智能电表硬件上增加Wi-Fi通信模块及接口电路，在软件上增加对 Wi-Fi模块的驱动和对TCP连接的数据收发管理，实现了智能电表对外的多路并行TCP通信，并可以通过参数设置，使智能电表可以工作于 AP和STA两种工作模式。

关键词： 智能电表 Wi-Fi通信 无线传输

Smart meter technology research based WiFi

Abstract Introduced hardware and software method of a smart meter system based on Wi-Fi communication,given the whole framework of the smart meter system.By increasing the communication modules of Wi-Fi and interface circuits on the existing smart meter hardware,and increasing the drivring of Wi-Fi module and managing of sending and receiving to the connection of TCP on the software, the smart meter achieves external multi-channel parallel TCP communications, and can work in two modes AP and STA by being setted the parameters.

Keywords: smart meter Wi-Ficommunication wireless transmission

一 引言

出于加强用电监管的要求，电力资源的紧张，发电、用电环境监管要求日趋严格及能源政策的不断调整，电力网络跟电力市场、用户之间的协调和交换越来越紧密，电能消耗的质量水平要求逐步提高，可再生能源等分布式发电资源数量不断增加，传统电力网络已经难以支撑如此多的发展要求。为此人们提出了发展智能电网(smart grid)的设想，以实现在传统电网基础上的升级换代。

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(advanced metering infrastructure，AMI)、自动抄表(automatic meter reading，AMR)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。

国内的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。

本文提出将WiFi无线通信作为智能电表的通信方式。通信技术正朝着IP化的方向发展，以以太网为基础的有线网络覆盖全球，WiFi 作为以太网的无线终端接入技术正在越来越普及，各种移动互联网设备都已将WiFi 通信作为通信的必备功能。WiFi 通信已成为局域网的重要组成方式，电信运营商也正在铺设越来越多的 WiFi 热点，WiFi 通信已经具备了良好的基础平台环境。同时，由于 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，具有很高的安装便利性。

在满足智能电表行业标准和技术条件的基础上，将 WiFi 通信加入到智能电表的通信方式之中，以满足高速、实时的通信需求。

二 WIFi通信技术优势

1.相对蓝牙技术，更适合中国普遍的公寓住宅楼情况下的家用电系统；

无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而Wi-Fi的半径则可达300100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300100米的通信距离扩大到46.5公里。

2.传输速率更适合AMR基础上的AMI、智能电表； 虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。

3.作为电能消耗的信息反馈的技术和设备，其推广障碍低；

厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。 4.对人体辐射小，健康；

IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦。 手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，应该是绝对安全的。

图1-1 802.11b/a/g/n对比

通过上图观察得知，WiFi是基于802.11一系列协议的标准和无线设备兼容。随着无线设备的对协议标准的互通支持，满足WiFi对传输速率和覆盖范围的提升和潜力拓展。对于智能电表的实际需求，这是最好的满足。 成本 电池寿命（天） 有效传输距离（米） 传输速率 采用协议 通信频带 适合传输的内容 WiFi 较高 1-100 5.5/11Mbps UWB 最高 1-30 Blue Tooth 较低 1至7 1-10+ ZigBee 最低 100-1000 255/65,000 20/40/250kBps 802.15.4 2.4Ghz/868Mhz/915Mhz 监测信号 GPRS/GSM 高于UWB 1至7 1,000+ 64-128+ kBps 1xRTT/CDMA 900/1800/1900Mhz 声音&数据 0.5至5 1-10h 40-600Mbps 1-3Mbps 802.15.1 2.4Ghz 图像 802.11b DS-UWB/MBOA 2.4Ghz 3.1-10.6Ghz 图像 视频 图1-2 WiFi与其他无线通信方式的性能比较 在满足未来智能电表适应性方面，通过对这几种无线通信方式相比较得出，WiFi有安全性问题，ZigBee有速率限制问题，GPRS有费率昂贵问题，BlueTooth有距离问题，UWB有电池寿命问题。

三 智能电表在智能电网中的定位

1.智能电表的概括功能为高级测量、高效控制、高速通信、快速储能。 2.智能电表及 AMI 的建立是智能电网的基础。从功能的多少和智能化的程度将智能电网的建设以及智能计量系统的建设分为 5 个层次

图3-1 智能计量系统与智能电网功能概况

智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，具有自动计量/测量、数据处理、双向通信和功能扩展等能力，能够实现双向计量、远程/本地通信、实时数据交互、多种电价计费、远程断供电、电能质量监测、水气热表抄读、与用户互动等功能。以智能电表为基础构建的智能计量系统，能够支持智能电网对负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场交易和减少排放等方面的要求。

四 基于WIFI通信的智能电表

图 4-1 智能电表工作于AP模式

图 4-2 智能电表工作于STA模式

智能电表有AP、STA两种工作模式，表根据实际情况的需要会自动选择何种工作方式。在没有公网或专用WiFi网络覆盖的情况下，智能电表工作于AP模式，自动创建一个WiFi网络，实现与移动互联网设备的WiFi通信，实现本地抄表/人工抄表。在有公网或专用WiFi网络覆盖的情况下，智能电表工作于STA模式。通过无线传输到无线AP，再有线传输到控制中心，借助有线传输实现远程抄表。

图4-3 基于WiFi的用电采集系统总体结构图

该系统包括智能电表、WiFi无线局域网网络和控制中心。WiFi通讯模块采集用户电表的信息，并将其处理后通过WiFi 无线通信方式，如距离较远通过无线中继器，发送到AP接入点。 接入点将收集到的数据通过有线网络传送至控

制中心。

五 硬件搭建

基于WiFi通信的智能电表采用K30系列的MK30N512VMD微控制器作为核心处理单元。K30采用DSP指令集的32位ARMCortex-M4内核，工作频率可达100Mhz，RAM容量128KB，Flash容量512KB。K30工作电压为1.7-3.6V，集成功耗模式管理器，支持10多种功耗模式，内置DMA控制器，提供32个完全可编程通道；集成16位SAR ADC，最大可支持位4路差分信号和24路单端信号的模拟量输入，最大支持48路信号输入，其中段码信号最大支持44路，公共端信号4路。在通信接口上，K30支持CAN、IIC、SPI、UATR等通信接口。 WiFi部分采用BCM8000模块作为构建智能电表的接入设备，其工作电压3.3V，满足802.11b/g标准，具备UART、SPI、USB等多种通信接口。BCM8000支持STA和AP两种组网模式，在AP模式下，BCM8000可在无需额外AP支持的情况下与其它设备建立Wi-Fi连接，并支持DHCH服务。

WiFi-VDD为Wi-Fi电路电源，由电表内部的3.3V数字电路V3P3提供，WiFi-VDD受K30的IO引脚PTE2控制。由于BCm8000内部没有复位电路，为保障模块上电后能正常工作，对BCM8000复位也需要控制。因为K30的IO引脚已经全部被占用，所以新加MAX706来对BCM进行上电复位；K30和BCM8000之间的数据交换通过串行通讯口UART进行，由于两者都是使用3.3V的TTL电平作为逻辑1，所以不需要电平转换。BCM8000的RXDH和TXDH分别对应连接到K30UART的TX和RX引脚。

图 5-1 WiFi通信电路设计

六 软件设计

关于智能电表的软件设计，国内的研究机构和电表厂家已经做了大量的工

作。这里着重介绍在智能电表内实现 WiFi 通信的相关部分。智能电表借助于 BCM8000可以工作与 AP 模式和STA模式，同时采用TCP连接，智能电表建立侦听，对收到的请求做出响应，智能电表不主动发送数据，考虑智能电表内部资源的局限性，本文的设计中最大同时支持 3路TCP连接。应用层的通信协议采用国家电网公司颁布的DL/T645-2007通信规约。

由于通信模块TCM8000本身已经实现了TCP协议，本文的工作主要是使用 TCP 的编程命令对模块进行初始化和 TCP数据收发，所有的操作都是通过UART2串口通信进行。WiFi通信的软件实现分为三大模块：模块初始化、编程命令通信和数据收发控制。 ( 1) 编程命令通信

图6-1 编程通信命令流程

编程命令通信是 WiFi模块操控的基础，WiFi模块的参数设置、状态检测、数据收发都是通过串行通信接口的编程命令通信来进行的。在本文的设计中，K30与 BCM8000采用 UART异步串行通信接口进行通信，串口通信接口设置为：57600bps 波特率，1位起始位，1位停止位，8位数据位，不采用奇偶校验。 UART的字节发送和接收都采用中断的方式，在编程命令发送完毕后，K30反复检测接收的数据，接收到正确的应答则返回通信成功标识，如果在规定的时间内没有收到正确的应答，则重发编程命令。如果3次重发都没有收到正确的应答，则判定此次编程命令通信失败。由于BCM8000 内置的处理器运算能力较强，在正常的情况下，收到K30 发送的请求后会很快做出应答，所以接收超时时间不会很长，同时，本文的设计中，每次通信的数据量不超过256字节，在57600bps 的通信速率下，耗时也很小，所以本文中采用的超时时间为 100ms。

( 2) 模块初始化

图6-2 WIFi模块初始化流程

模块初始化包含模块硬件复位、参数设置和软件复位。硬件初始化是对 WiFi块重新掉上电，通过在WiF模块电源控制引脚PTE2 输出高电平使Wi-Fi模块掉电，延时100ms 后，PTE2 恢复低电平。在 Wi-Fi 工作期间，PTE2 始终保持低电平。参数设置包括无线网络参数和TCP 连接参数。无线网络包含 WiFi 模块的 MAC地址，Wi-Fi信道、SSID、安全认证机制及密码等，如果 Wi-Fi模块工作在 AP模式，还需设置IP地址和DHCP服务参数。TCP连接参数包括TCP侦听端口、最大允许连接数、帧最大长度、TCP连接超时时间等。所有这些参数都作为智能电表参数的一部分存放在智能电表的存储芯片内，在初始化过程中逐一通过Wi-Fi 模块的编程命令设置到模块中，如果在设置过程中有一个参数设置不成功，则判为所有参数设置失败，需对Wi-Fi模块掉上电后从第一个参数开始设置。

软件复位是通过向模块发送软件复位命令来实现，由于模块收到复位命令 后立即重启，所以软件复位命令无需等待模块应答。当软件复位完成后，需要通过命令查询 TCP Server服务是否已启动来最终判断初始化是否成功。

模块初始化在智能电表上电后调用一次，如果这次初始化不能成功，智能电表会在后面的通信流程中进行查询初始化成功标志，重新初始化。同时，在通信流程中，智能电表也会对 Wi-Fi模块的状态进行检测，当发现Wi-Fi 模块工作异常时，也会对模块重新初始化。

( 3) 数据收发控制

图6-3 数据收发流程

智能电表的Wi-Fi通信链路层采用TCP连接，应用层遵循 DL/T645-2007 规约( 简称 645 规约) 。645规约是一种半双工的通信协议，接收和发送共用一个缓冲区。同时按照645 规约，智能电表不主动对外发送数据，因此，智能电表的通信都是接收驱动的被动应答方式。

每次进行通信前，智能电表会查询 TCP Server 是否正常工作，如果 TCP Server出现异常，则必须对 Wi-Fi模块进行复位并重新初始化。因为智能电表作为 TCP Server，支持多路连接，所以需要对每一路 TCP 连接进行分别处理，智能电表对每一路 TCP 连接进行记录，如果出现新的TCP连接，则对该路连接的通信缓存区进行复位。然后对通信编程命令读取每一路 TCP 连接的接收数据，并查找接收数据中是否有合法的645 协议请求，如果有请求，则组织应答帧，调用编程命令通过 TCP Socket发送应答数据，如果没有收到请求，则继续接收数据。TCP连接的超时处理通过在初始化过程中设置超时时间，BCM8000 对超时的TCP 连接进行管理。

七 总结

本文设计的基于WiFi的智能电表，其WiFi通信模块功能实现了多数据收发的功能，解决了实时性及通信距离等问题。并在实际应用中取得了良好效果。同时，该电表系统采用无线通讯技术，降低了成本，为合理用电提供了高效、科学的管理手段，为电力部门的电表管理网络化、抄表自动化提供一种可选择的有效方法，具有很好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 张方昌、刘晓丹、侯维岩、宋 杨；一种基于WiFi的计量抄表系统的实现[J]， 自动化与仪表， 2010(6)

[2] 韩 明、费宇航，智能电表系统实现方案及其发展趋势[J]，集成电路应用学 报，2010（10）

[3] 王思彤、周晖、袁瑞铭、易忠林，智能电表的概念及应用[J],电网技术，2010 （4），34（4），17-23. [4] 李先茂、费敏锐，面向智能小区的WiFi自动抄表系统研究[J],自动化与仪表， 2012（9），33（9），49-59.

[5] 王科、童嵘、甘建平，WiFi通信在智能电表中的应用研究[J],电测与仪表， 2013（9），50（573），64-68.

七 总结

本文设计的基于WiFi的智能电表，其WiFi通信模块功能实现了多数据收发的功能，解决了实时性及通信距离等问题。并在实际应用中取得了良好效果。同时，该电表系统采用无线通讯技术，降低了成本，为合理用电提供了高效、科学的管理手段，为电力部门的电表管理网络化、抄表自动化提供一种可选择的有效方法，具有很好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 张方昌、刘晓丹、侯维岩、宋 杨；一种基于WiFi的计量抄表系统的实现[J]， 自动化与仪表， 2010(6)

[2] 韩 明、费宇航，智能电表系统实现方案及其发展趋势[J]，集成电路应用学 报，2010（10）

[3] 王思彤、周晖、袁瑞铭、易忠林，智能电表的概念及应用[J],电网技术，2010 （4），34（4），17-23. [4] 李先茂、费敏锐，面向智能小区的WiFi自动抄表系统研究[J],自动化与仪表， 2012（9），33（9），49-59.

[5] 王科、童嵘、甘建平，WiFi通信在智能电表中的应用研究[J],电测与仪表， 2013（9），50（573），64-68.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qmxo.html