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基于物联网的智能电表实时监测系统
资料介绍
针对普通电表功能单一,无法实现自诊断以及实时抄表的功能,以TM4C129和LB101模块为硬件核心芯片,设计了一种基于物联网的智能电表实时监测系统.该系统可以实现远程抄表、自诊断、电费自动计算、双向计量和远程通讯的功能.结合软件设计,还可以同时实现电压波动和闪变的监测功能.同时该系统采用3G技术来实现远程通讯,相比于GSM/GPRS,不但提高了数据传输速度,而且满足了监测系统准确传输音频和图像信息的需求.实际实验表明该系统实用可靠、安全性高.
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（完整内容请下载后查看）２０１７年
第 １２期
２０１７
Ｎｏ．１２
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
基于 物联 网的 智 能 电 表 实 时 监 测 系 统
刘卫兵１，许春香２
（1ꢀ郑州财经学院 河南郑州 450000；2ꢀ中州大学，河南郑州 450005）
摘要：针对普通电表功能单一，无法实现自诊断以及实时抄表的功能，以 ＴＭ４Ｃ１２９和 ＬＢ１０１模块
为硬件核心芯片，设计了一种基于物联网的智能电表实时监测系统。该系统可以实现远程抄表、自诊
断、电费自动计算、双向计量和远程通讯的功能。结合软件设计，还可以同时实现电压波动和闪变的监
测功能。同时该系统采用 ３Ｇ 技术来实现远程通讯，相比于 ＧＳＭ／ＧＰＲＳ，不但提高了数据传输速度，而
且满足了监测系统准确传输音频和图像信息的需求。实际实验表明该系统实用可靠、安全性高。
关键词：智能电表；物联网；实时监测；３Ｇ
中图分类号：ＴＰ９３４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－１８４１（２０１７）１２－００７２－０４
Realꢁtime Monitoring System for Smart Meters Based on Internet of Things
１
２
ＬＩＵ Ｗｅｉꢁｂｉｎｇ ，ＸＵ Ｃｈｕｎꢁｘｉａｎｇ
（1ꢀZhengzhou Institute of Finance and Economics，Zhengzhou 450000，China；2ꢀZhongzhou University，Zhengzhou 450005，China）
Abstract：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｍｅｔｅｒ，ｕｎａｂｌｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｅｌｆꢁｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｒｅａｌ ꢁｔｉｍｅ ｍｅｔｅｒ ｒｅａｄｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｒｅａｌꢁｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭ４Ｃ１２９ａｎｄ ＬＢ１０１ｍｏｄｕｌｅ ａｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐꢀＴｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅꢁ
ｍｏｔｅ ｍｅｔｅｒ ｒｅａｄｉｎｇ，ｓｅｌｆꢁｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ，ｔｗｏꢁｗａｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｎｃ ꢁ
ｔｉｏｎꢀＣｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｙｏｕ ｃａｎ ａｌｓｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｌｉｃｋｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ꢀＡｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｕｓｅｓ ３Ｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ＧＳＭ ／ＧＰＲＳ，ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｗａｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｍ ꢁ
ｐｒｏｖｅｄ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｕｄｉｏ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｅｄｓ ꢀＴｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓａｆｅ ꢀ
Keywords：ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒ；ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ；ｒｅａｌꢁｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；３Ｇ
0
引言
力用户和电力公司进行双向通信，成为电力用户和电力
公司之间的桥梁，更进一步促进我国智能电网和智能家
居的发展，智能电表的研究和设计对我国电力系统来说
具有重要意义和实践价值。针对这一需求本文设计了一
套基于物联网的智能电表实时监测系统［３］。
随着国民经济的高速发展和电力系统市场化改革的
推进，现代电力系统面临着诸多问题［１－２］。如建立电力公
司和各个终端之间的互动平台，提高配电网络的可靠性
和安全性，提高分布式电源电网兼容性等。业界普遍认
为，发展智能电网是解决这些问题的必经途径。构建智
能电网是一个庞大而复杂的工程，需要分布进行，而其中
第一步就是建设高级计量体系。在智能电网的建设中，
电能表作为控制终端，承担着数据计量和互动的功能，其
可靠性、准确性和便捷性对人们的日常生活具有重要的
意义。近年来，我国电力系统重点进行智能电网的建设，
但传统的电能表由于计量精度低、功能单一以及电力公
司和电力用户之间难以互动等问题越来越难以满足现代
智能电网的发展需求。新型基于无线通信技术的智能电
表，不仅能够实现电能的监测和计费功能，而且可以使电
1
系统整体方案设计
基于物联网的智能电表监测系统由 ２部分组
成［４］，一部分是智能电表采集节点，其主要功能是完
成电能的采集、计算以及短距离通讯；另一部分是智
能电表网关节点，其主要功能是完成与采集节点的组
网，收集智能电表各个采集节点的的数据，然后把采
集的数据打包通过 ３Ｇ 的形式发送到服务器数据中
心，完成数据共享。其系统框图如图 １所示。
2
智能电表硬件系统的设计
2ꢀ1 智能电表采集节点硬件的设计
采集节点硬件设计选用的是 “专用计量芯片
［５］
＋ ＋
ＭＣＵ ＬＢ１０１”的方式 ，其主要是完成电能的采集、
基金项目：２０１２年度河南省科技攻关计划项目（１２２１０２２１０００１）；
中州大学科技创新团队建设计划项目（ＣＸＴＤ２０１７Ｋ４）
收稿日期：２０１７－０３－１０
计算以及短距离通讯，短距离通讯采用的是 ４７０ＭＨｚ
无线组网模块 ＬＢ１０１，它的功能是将智能电表采集的
万方数据
第 １２期
刘卫兵等：基于物联网的智能电表实时监测系统
７３
本文采用的是高精度计量芯片 ＡＤＥ７９５３［６］、电流互感
器 ＴＡ１６２６－１Ｍ，电压互感器 ＴＶ１３０３－１Ｍ 来实现电能
的精确计量［７］。用电流互感器和电压互感器对 ３路
模拟信号进行采样，２个电流通道和 １个电压通道。
电流通道 Ａ 用于测量相电流，电流通道 Ｂ 用于测量零
线电流，电压通道输入则用于测量相线与零线电压之
差，具体电路图如图 ３所示。
图 1 智能电表监测系统示意图
电能计量芯片采用 ＡＤＥ７９５３计量芯片。其设计适
合全世界的单相计量应用，在 ３０００∶１的动态范围内，有
功和无功功率计算误差小于 ０ꢀ１，精度堪称业界最高。对
于零线电流，在 １０００∶１动态范围内的有功和无功功率
计算误差小于 ０ꢀ１％。利用零线电流测量功能，可以实现
更强大的防窃电功能和更高的计费精度［８］。
节点信息发送给网关节点。具体示意图如图 ２所示。
图 ３中 ５、６管脚为差分输入电流通道，由电流特
性优越的电流互感器取样相线电流，同理，９、１０管脚
取样零线电流，１１、１２管脚由电流型电压互感器取样
电压。当零线电流与相线比较出现异常时，ＭＣＵ 驱动
ＬＥＤ 盗电预警。ＡＤＥ７９５３和 ＴＭ４Ｃ１２９之间设置通过
ＳＰＩ 接口通信，配置电表参数、读计量芯片寄存器更新
电能信息和监测电网状态。
图 2 智能电表采集节点总体示意图
2ꢀ2 智能电表电能采集电路的设计
智能电表不仅仅要精确计量用户电能的消耗，更
要详细监测和记录电网质量安全和用户用电情况。
图 3 智能电表电能测量电路图
2ꢀ3 智能电表通讯电路的设计
结构，自组织，自修复，两点之间通信距离空旷地带可
超过 １５００ｍ。该模块与 ＭＣＵ 之间直接采用串口的方
式进行通讯，具体电路图如图 ４所示。
智能电表采集节点通讯电路采用的是 ＬＢ１０１模
块，ＢＬ１０１是低功耗集中式的无线自组网模块，工作在
国家免申请的计量频段 ４７０～５１０ＭＨｚ，发射功率可设
置，最大可达 １００ｍＷ（２０ｄＢｍ），接收电流为 ２５ｍＡ。
工作电压范围 ２ꢀ０～３ꢀ６Ｖ，射频调制方式为 ＧＦＳＫ，空
中波特率为 １９２００ｂｉｔ／ｓ，采用同步跳频通信，划分 １６
个网络，采用 ＧＳＭ 频率复用方式。网络拓扑为 ＭＥＳＨ
2ꢀ4 智能电表网关节点硬件的设计
＋ ＋
网关节点硬件设计选用的是“ＭＣＵ ３Ｇ ＬＢ１０２”
的方式，其主要功能是将收集的各个智能电表采集节
点的信息通过 ３Ｇ 的形式发送到服务器数据中心，实
现用户与数据中心信息共享。如图 ５所示，ＭＣＵ 采用
万方数据
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2023-02-08 10:13:261563857078
hao