本發(fā)明屬于智能監(jiān)控電表技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于wifi的智能無線監(jiān)控電表系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

智能電表是智能電網(wǎng)(特別是智能配電網(wǎng))數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一，承擔著原始電能數(shù)據(jù)采集、計量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基礎(chǔ)。

在智能電表基礎(chǔ)上構(gòu)建的高級量測體系自動抄表系統(tǒng)能為用戶提供更加詳細的用電信息，使用戶可以更好地管理他們的用電量，以達到節(jié)省電費和減少溫室氣體排放的目標；電力零售商可以根據(jù)用戶的需求靈活地制定分時電價，推動電力市場價格體系的改革；配電公司能夠更加迅速地檢測故障，并及時響應強化電力網(wǎng)絡(luò)控制和管理。

目前智能電表的通信方式主要有rs-485通信、紅外通信、電力線載波通信、gprs無線通信等，其中rs-485通信和紅外通信主要用于本地通信，而電力線載波通信和gprs無線通信主要用于遠程通信。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進和構(gòu)建高級計量體系的需求，對智能電表的通信性能有了更高的要求，智能電表的通信需要具備更高的實時性，需要更高的通信速率以承載大量的數(shù)據(jù)，同時對通信的安全性和通信網(wǎng)絡(luò)的接入也提出更高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了基于mqtt通訊和wifi組網(wǎng)的智能電表及查詢方法

一種基于mqtt通訊和wifi組網(wǎng)智能電表，包括開關(guān)電源、計量芯片、wifi主控芯片、flash存儲器、復用按鈕和指示燈；

所述的開關(guān)電源給計量芯片、wifi主控芯片供電，計量芯片通過uart接口與wifi主控芯片連接，flash存儲器通過spi接口與wifi主控芯片連接，wifi主控芯片的指示燈信號輸出端口與指示燈信號輸入端連接，wifi主控芯片上設(shè)有復用按鈕；wifi主控芯片繼電器信號輸出端口與繼電器連接；

所述的計量芯片內(nèi)設(shè)有電壓傳感器、電流傳感器和電能計量芯片；所述電壓傳感器將220v內(nèi)的配電電壓按線性比例轉(zhuǎn)為5v內(nèi)的可測量信號量電壓，所述的電流傳感器將100a以內(nèi)的用戶電流按線性比例轉(zhuǎn)為5v內(nèi)的可測量信號量電壓，所述的電能計量芯片將電壓傳感器和電流傳感器采集到的電壓、電流信息，計算出功率、功率因數(shù)和電量，并經(jīng)過uart接口傳送至wifi主控芯片模塊；

wifi主控芯片通過uart接口讀取計量芯片上的電能數(shù)據(jù)，定時地讀取數(shù)據(jù)或者遠程實時抄表讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)包括電壓、電流、功率、相位和頻率；并對讀取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，格式成互聯(lián)網(wǎng)支持的json數(shù)組，然后通過wifi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給電表綜合管理平臺的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過在手機上或者網(wǎng)頁上查看電表實時電能數(shù)據(jù)。

所述的wifi主控芯片采用上海樂鑫自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)專用wifi芯片。

所述的電能計量芯片采用單相電能計量soc芯片。

一種基于mqtt通訊和wifi組網(wǎng)智能電表的查詢方法，該方法具體包括一下步驟：

步驟一：計量芯片內(nèi)的電壓傳感器將220v內(nèi)的配電電壓按線性比例轉(zhuǎn)為5v內(nèi)的可測量信號量電壓，電流傳感器將100a以內(nèi)的用戶電流按線性比例轉(zhuǎn)為5v內(nèi)的可測量信號量電壓，電能計量芯片通過電壓傳感器和電流傳感器采集到的電壓、電流信息，并計算出功率、功率因數(shù)和電量；

步驟二：wifi主控芯片通過uart接口讀取計量芯片上的電能數(shù)據(jù)，定時地讀取數(shù)據(jù)或者遠程實時抄表讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)包括電壓、電流、功率、相位和頻率；并對讀取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，格式成互聯(lián)網(wǎng)支持的json數(shù)組；

步驟三：wifi主控芯片并通過spi接口存儲到本地flash存儲器中，此外通過wifi接口的http協(xié)議提交數(shù)據(jù)到遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器，遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后存儲至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；

步驟四：每一塊智能電表都有一個唯一的數(shù)字編號id，手機上或者網(wǎng)頁根據(jù)此id通過遠程服務(wù)器訪問此電表的數(shù)據(jù)；讀取電表的電能數(shù)據(jù)、wifi狀態(tài)、系統(tǒng)運行狀態(tài)和存儲在電表本地的歷史數(shù)據(jù)，或者讀取或控制繼電器的狀態(tài)，實現(xiàn)遠程斷電功能，其中通過遠程服務(wù)器與電表交互式的操作都通過mqtt任務(wù)完成。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

計量模塊通過電壓傳感器、電流傳感器采集電壓、電流信號，并計算出功率、頻率、相位等電氣參數(shù)，并存儲在寄存器內(nèi)；wifi主控芯片模塊通過uart接口不斷讀取計量模塊的數(shù)據(jù)，并進行存儲和發(fā)送；智能電表只需要用在有無線路由器的地方就可以使用，網(wǎng)絡(luò)施工方便快捷，安裝電表成本低廉；所有電表有唯一的標號id，通過此id即可在服務(wù)器平臺上訪問到電表。使用輕量級mqtt協(xié)議交互電表數(shù)據(jù)，使得服務(wù)器開銷小性能高，通過mqtt協(xié)議將用電量信息發(fā)送至綜合管理平臺。本發(fā)明電表準確度高，接口靈活，提供安全可靠的電量傳輸網(wǎng)絡(luò)接口，可推廣使用。

本文提出將wifi無線通信作為智能電表的通信方式。在當前wifi已經(jīng)普及到千家萬戶的環(huán)境下，wifi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境非常易得，借助wifi通訊的物聯(lián)網(wǎng)智能產(chǎn)品也發(fā)展蓬勃，出現(xiàn)了如wifi插座、wifi燈和wifi熱水器等各式各樣的智能產(chǎn)品。wifi通信布局成本越來越低廉，易用性與實用性其他通訊方式無法比擬。wifi通信采用的是無線通信方式，使得智能電表的安裝無需鋪設(shè)專門的通信線路，安裝維護極為便利。

本產(chǎn)品將使用wifi模塊研發(fā)一款性價比高的智能監(jiān)控電表，主要用于電能監(jiān)控場景，比如二次售電的小區(qū)物業(yè)以及城中村房東等。使用wifi智能電表能實時監(jiān)控各項用電數(shù)據(jù)，如電壓、電流、功率、功率因素和電能等等。通過手機app用戶能實時查看到當前用電的各項數(shù)據(jù)，并且強大的軟件系統(tǒng)幫助相關(guān)工作的人員統(tǒng)計數(shù)據(jù)生成報表，達到現(xiàn)代化、集中化管理電力大數(shù)據(jù)的效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述智能電表的總體架構(gòu)示意圖；

圖2為區(qū)域內(nèi)wifi通信結(jié)構(gòu)圖；

圖3為基于mqtt協(xié)議電表與互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本實施例所述的基于wifi通信和mqtt協(xié)議智能電表，包括：

計量模塊，采用了電能專用的計量芯片采樣電壓信號和電流信號，并將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量連同計算的電能基本量存儲在其寄存器，再通過uart與wifi主控芯片模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

所述計量模塊的具體架構(gòu)主要包括電壓傳感器、電流傳感器、電能專用的計量芯片等元件。

所述電壓傳感器可將220v內(nèi)的配電電壓按線性比例轉(zhuǎn)為5v內(nèi)的可測量信號量電壓，有電阻分壓器、電容分壓器、電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器、霍爾電壓傳感器等類型。本設(shè)計采用了電阻分壓器，具有成本低性能好的優(yōu)勢，廣泛應用在電表行業(yè)中，是推廣使用的最佳方法。

電流傳感器可將100a以內(nèi)的用戶電流按線性比例轉(zhuǎn)為5v內(nèi)的可測量信號量電壓，有分流器、電磁式電流互感器、電子式電流互感器等類型。本設(shè)計采用了霍爾電流傳感器，具有精度高、線性好、響應速度快、頻帶寬等特點，在電流產(chǎn)生畸變、中斷、暫升降等電能質(zhì)量問題時，可以比較迅速地反應原信號的特征，精確地測量電網(wǎng)側(cè)電流。

電能專用的計量芯片可將電壓傳感器和電流傳感器采集到的電壓、電流信息，計算出功率、功率因數(shù)、電量等信息，并經(jīng)過uart接口傳送至wifi主控芯片模塊，進行進一步的數(shù)據(jù)分析與傳輸。

計量模塊的工作過程：單相市電經(jīng)過電壓傳感器、電流傳感器轉(zhuǎn)化為低電壓測量信號，而低電壓測量信號量在電能專用的計量芯片有效測量范圍內(nèi)。電能專用的計量芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ad)模塊將低電壓測量信號量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而電能專用的計量芯片的集成數(shù)字信號處理電路則對已轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進行計算，得到電壓、電流有效值、功率因素、相角、頻率、有功功率、無功功率等電氣量，并存儲在寄存器內(nèi)。wifi主控芯片模塊可以通過uart接口進行讀取。

wifi主控芯片模塊，采用基于mips架構(gòu)的微處理器模塊，內(nèi)置tensilical106的32位微處理器(mcu)，具有超低功耗的16位的精簡指令集rsic。此模塊的cpu時鐘速度為80mhz，開啟倍頻技術(shù)后高可達160mhz。目前wi-fi協(xié)議棧只用了其20％的cpu運算處理能力(mips)，其他的都可并進行計算、顯示、通訊、控制等操作。該wifi主控芯片模塊的具體架構(gòu)主要包括基于mips結(jié)構(gòu)的微處理器、wifi通訊接口、uart通信接口、spi接口、按鍵、指示燈等部分。

wifi主控芯片通過異步串行口讀取電能數(shù)據(jù)，定時地讀取數(shù)據(jù)或者遠程實時抄表讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)包括電壓、電流、功率、相位和頻率等數(shù)據(jù)；

wifi主控芯片模塊對異步串口讀取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，格式成互聯(lián)網(wǎng)支持的json數(shù)組，然后通過wifi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給電表綜合管理平臺的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可以在手機上或者網(wǎng)頁上查看電表實時電能數(shù)據(jù)；

智能電表配有1個按鈕和三個狀態(tài)指示燈。三個狀態(tài)燈分別是系統(tǒng)運行燈、wifi指示燈和服務(wù)器指示燈。一個按鈕為復用按鈕，短按執(zhí)行繼電器測試模式。按一下繼電器打開，再按一下繼電器關(guān)閉。按鈕長按進入wifi模塊的smart—link配置操作模式，可以通過手機app輔助廣播發(fā)送路由器的名稱和密碼，以便配置wifi模塊首次接人家庭無線路由器。

所述wifi主控模塊負責系統(tǒng)的全部任務(wù)的執(zhí)行，使用定時器的方式運行多任務(wù)，并根據(jù)智能電表的功能創(chuàng)建了wifi通訊任務(wù)、本地數(shù)據(jù)存儲任務(wù)、http上傳任務(wù)、mqtt交互任務(wù)和按鍵操等，主要任務(wù)的具體功能如下：

wifi通訊任務(wù)：該此任務(wù)維持wifi協(xié)議棧，負責支持802.11/b/g/n協(xié)議的內(nèi)容。包括wifi的發(fā)現(xiàn)、連接和校驗，連接成功后對tcp協(xié)議棧的支持，tcp連接成功后對mqtt協(xié)議和http協(xié)議的支持。

定時存儲和上傳任務(wù)：此任務(wù)一分鐘時間間隔，通過uart接口讀取計量模塊的電能數(shù)據(jù)，并通過spi接口存儲到本地flash存儲器中，此外通過wifi接口的http協(xié)議post(提交)數(shù)據(jù)到遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器，遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后存儲至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；

復用按鈕任務(wù)：此任務(wù)是使用中斷方法執(zhí)行，當按鈕按下時，檢測按鈕是短按還是長按，短按執(zhí)行繼電器通電或斷電操作，長按進入wifi模塊的配置操作模式，通過手機app輔助wifi模塊接入加密路由器；

mqtt任務(wù)：此任務(wù)是電表與遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)交互的通道。每一塊智能電表都有一個唯一的數(shù)字編號id，根據(jù)此id可以通過遠程服務(wù)器訪問此電表的數(shù)據(jù)。在mqtt協(xié)議中，每個電表訂閱自身id的主題topic。通過此id可以讀取電表的電能數(shù)據(jù)、wifi狀態(tài)、系統(tǒng)運行狀態(tài)和存儲在電表本地的歷史數(shù)據(jù)。也可以讀取或控制繼電器的狀態(tài)，可以實現(xiàn)遠程斷電功能。一切通過遠程服務(wù)器與電表交互式的操作都通過mqtt任務(wù)完成，是智能電表數(shù)據(jù)交互樞紐。

本發(fā)明設(shè)計采用了區(qū)域中智能電表wifi無線通訊的方法。wifi通信方式是最普遍的無線通訊方式之一，具有性能穩(wěn)定、成本低廉、安裝調(diào)試方便等等優(yōu)點。

①在硬件方面，區(qū)域內(nèi)的智能電表經(jīng)過無線路由器連接在一起，如圖2所示。

②在軟件方面，wifi主控芯片運行的定時任務(wù)，給每個智能電表分配唯一的電表id，不斷向遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳電表數(shù)據(jù)，并且在本地存儲電表數(shù)據(jù)。

本發(fā)明設(shè)計采用了輕量級mqtt協(xié)議進行數(shù)據(jù)承載交互。，mqtt(messagequeuingtelemetrytransport，消息隊列遙測傳輸)是ibm開發(fā)的一個即時通訊協(xié)議，有可能成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。該協(xié)議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當做傳感器和致動器(比如通過twitter讓房屋聯(lián)網(wǎng))的通信協(xié)議。

使用mqtt協(xié)議傳輸電表數(shù)據(jù)會帶來很多技術(shù)上的優(yōu)勢。mqtt協(xié)議是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計的協(xié)議，它具有以下主要的幾項特性：

1、使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合；

2、對負載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸；

3、使用tcp/ip提供網(wǎng)絡(luò)連接；

4、有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：“至多一次”、“至少一次”、“只有一次”，確保消息的質(zhì)量的同時能根據(jù)使用者的需求來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

5、小型傳輸，開銷很小(固定長度的頭部都是2字節(jié))，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量；

所有智能電表采用mqtt協(xié)議連接數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過mqtt將數(shù)據(jù)發(fā)送至綜合管理平臺。其情況如下：

①在硬件方面，所有的智能電表與遠程服務(wù)器使用mqtt連接在一起，所有的手機app和web服務(wù)端也使用mqtt協(xié)議連接服務(wù)器，如圖3所示。

②在軟件方面，wifi主控芯片運行的定時任務(wù)，給每個智能電表分配唯一的電表id，不斷向遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳電表數(shù)據(jù)，并且在本地存儲電表數(shù)據(jù)。

以上所述之實施例子只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。