基于4G的多功能一体化表的设计
符长友+雷文+蓝集明+李行
摘 要： 针对当前家庭中水表、电表无法实现高效运行与统一管理，提出并采用多种传感器、4G无线通信、WiFi无线通信、嵌入式微控制器等先进的物联网技术，设计出一款基于4G的多功能一体化表。详细阐述了其系统构成、硬件与软件设计等。实践表明，基于4G的多功能一体化表不仅能实时在线监测用户的水、电相关数据并实现阶梯计费，而且还有助于在自来水力公司、电力公司、用户三者间构建起全新的供用水、电关系，从而将有效促进社会资源消费结构的进一步提升。
关键词： 多功能一体化表； 物联网； WiFi； 4G； 微控制器
中图分类号： TN711?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0127?04
Design of integrated multifunctional meter based on 4G network
FU Changyou1，2， LEI Wen1， LAN Jiming1， LI Hang1
（1. School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China；
2. Sichuan Academician （Expert） Workstation， Sichuan University of Science and Engineering， Zigong 643000， China）
Abstract： Since the current domestic water meter and electricity meter can′t realize the efficient operation and unified treatment， the multi?sensor， 4G wireless communication， WiFi wireless communication， embedded microcontroller and advanced IoT （Internet of Things） technology are used to design a integrated multifunctional meter based on 4G network. The system composition， working principle， hardware design and software design of the meter are described in detail. The practice result shows that the integrated multifunctional meter based on 4G network can monitor the relevant parameters of users′ water consumption and electricity consumption to realize ladder billing， and is conducive to construction of the new water?electricity supply and demand relation among hydraulic company， electric power company and user to promote the change of the whole social resources and consumption structure effectively.
Keywords： multifunctional and integrated meter； Internet of Things； WiFi； 4G； microcontroller
0 引 言
目前我国家庭含有多种表计，如水表、电表、气表等，它们各自为政，无法实现高效的运行与统一管理。为此住建部要求水、电、气等多种计量表应高度集成、有效整合，同时还迫切要求有一款全新的、一体化的多功能智能表计，以实现水、电、气的精确计量与高效管理[1?5]。
随着对供水、供电方面的深入研究，设计出一款基于4G的多功能一体化表，以实现用户用水、用电的精准计量与阶梯计费。同时也有助于自来水公司、电力公司对水网、电网实现信息化、自动化、智能化，并在自来水公司、电力公司与用户三者间构建起全新的供用水、供用电关系，从而促进社会资源消费结构的深层次转变，提升资源利用率、减少浪费，进而高效推动低碳水力、电力，低碳能源以及推动低碳经济的稳步发展，全面提升自来水公司、电力公司的供水、供电管理水平、服务水平、互动化水平[3?9]。
1 系统架构与工作原理
基于4G的多功能一体化表由多个一体化表与资源管理中心（软件）构成，通过4G实现数据通信，这样便于自来水公司、电力公司、用户及时查询、更新及快速掌握水、电资源使用情况及最新信息，如图1所示。一体化表将实现水量、电量的实时感知与智能处理，并对用户的用水、用电自动实行阶梯计费、实时在线显示、信息及时更新。同时将用水、用电信息自动保存并将相关数据通过4G以短信方式传送给资源管理中心。一体化表也可接收资源管理中心發来的控制指令，并执行相关的控制操作。此外，用户可采用短信或WiFi方式通过一体化表来主动查询用水用电及相关费用等信息，也可通过短信或浏览资源管理中心的相关Web页面来查询所关注的信息等。
一体化表由水量采集终端与信息处理单元构成，二者通过WiFi无线通信方式进行数据通信，如图2（a）所示。水量采集终端实现水流量实时采集，并将所采集的信息通过WiFi发送给信息处理单元。同时也可接收信息处理单元传来的控制命令，并执行相关的控制动作。水量采集终端由微控制器、流量传感器、电磁阀、温度传感器、实时时钟、WiFi无线通信等模块组成，如图2（b）所示。
信息处理单元实现电能参数的实时感知与在线采集，以及用电量、用水量的阶梯计费与实时自动显示。同时将所采集的电能参数、水流量参数与预先设定的标准值进行对比、研判。如果某项参数超出标准值，则产生故障预警并自动及时断电、断水，以保护用户家庭设备。同时把故障信息以短信方式及时告知用户。此外，信息处理单元还把用户的用水、用电信息快速向资源管理中心发送，当然也可接收资源管理中心或用户发来的控制命令或查询命令，并执行其相关的控制操作。因此信息处理单元由电能参数传感器、高性能嵌入式微控制器、WiFi、实时时钟、4G、LCD显示、继电器等组成，如图3所示。
2 关键点电路设计
2.1 WiFi无线通信模块
WiFi无线通信模块采用小型、低功耗、高性能的SZ12?01?LPW。该模块集成了IEEE 802.11b/g/n，射频以及一个可运行WiFi网络协议栈，其内置512 MB的闪存，波特率为1 200～115 200 b/s，采用3.3 V供电。工作于ISM 2.4 GHz，可对14个信道分别进行选择或域限制，通信距离[10]为200 m。其电路设计如图4所示。
2.2 电能参数传感器
电能参数感知采用ATT7059S，是一款带UART接口的单相多功能电能计量芯片，其工作电压为5.0 V。该芯片的特征为：三路22位Σ?Δ ADC；支持5 000∶1的动态范围；支持无功、有功、視在功率和电能脉冲输出；可同时得到2路计量通道的有功功率、无功功率，以及电压频率，电压电流相位[11]。其电路设计如图5所示。电压信号采集从V3P，V3N接入，电流信号采集从V1P，V1N接入。
2.3 4G无线通信模块
4G通信采用尺寸小、质量轻的高性能MC7700模块，其支持LTE，DC?HSPA+，HSPA+，HSDPA，HSUPA，WCDMA，GSM，GPRS，EDGE网络，具有100 Mb/s的下载速度和50 Mb/s上传速度，集成了 GPS性能，支持Linux与Windows系统，可采用PCI?E或USB接口与外部微控制器进行数据通信[12]。在具体设计中，采用简单的USB接口对MC7700进行读写控制操作，如图6所示。MC7700模块的USIM_rst，USIM_data，USIM_clk分别与UIM卡座的U_RST，U_DATA，U_CLK引脚相连。
2.4 嵌入式微控制器
由于嵌入式微控制器需与电能参数感知、WiFi、4G、存储MMC卡等多个模块通信，因此嵌入式微控制器需具有UART，USB，SPI等多种接口。于是选用基于ARM Cortex?M4内核的LPC54113J128，其带有128 KB FLASH，96 KB SRAM，含4个UART接口、2个SPI接口、1个USB接口，I/O口可多达48根，工作频率可高达100 MHz，同时还含有1个实时时钟RTC[13]，以保证水、电数据的高实时性与高效性。此外，为了确保长时间的信息数据安全并方便实时存储，采用小巧的MMC卡来存储用户的水、电等相关数据。其电路设计如图7所示。
3 软件设计
3.1 电能参数感知程序
电能参数实时感知是整个系统的一个重要组成部分，其核心程序部分代码如下：
void Write_SPI（unsigned char Com， unsigned long data） { SPI_CS=1； //SPI总线使能
SPI_SCLK=0；
SPI_CS=0；
Com|=0x80； //发送1 B的命令字
for（n=7；n>=0；n??）
{ SPI_SCLK=1；
SPI_DIN=Com.n；
SPI_SCLK=0；
}
for（n=23；n>=0；n??） //读取24位电能参数数据
{ SPI_SCLK=1；
SPI_DIN=data.n；
SPI_SCLK=0；
} SPI_CS=1；
…
3.2 4G无线通信子程序
4G无线通信是智能控制、管理的核心部分，其子程序部分代码如下：
unsigned char phone_1[ ]="＼r＼n"；
strcpy（（char *）phone_0，"AT+CMGS=＼"）；
strcat（（char *）phone0，（char *）phone_num）；
strcat（（char *）phone0，（char *）phone_2）；
uart1_send_s（（unsigned char*）phone_0，rece）；
uart1_send_s（s，rece）； //s为要发送的字符串
while（UTRSTAT2&（0x3<<1））！=（0x3<<1）； //等待发送
UTXH1=0x1a； //发送短信
uart1_send_s（（unsigned char*）"AT+CMGR=18＼r＼n"， rece）；
…
3.3 WiFi无线通信子程序
WiFi无线通信子程序部分代码如下：
AT+SZ_NETWORKTYPE=STA/r/n；
AT+SZ_SECURITY=OPEN/r/n；
AT+SZ_WEPINDEX=0A/r/n；
AT+SZ_DHCP=ENABLE/r/n；
AT+SZ_IP_DEFAULT=192.169.23.12/r/n；
AT+SZ_UARTDATA_CHECK=ODD/r/n；
AT+SZ_UARTDATA_STOPBIT=1/r/n；
AT+SZ_DATELENGTH=10/r/n；
AT+SZ_SAVE_CONFIG=SAVE/r/n；
…
4 测试数据
由P=UIcos φ，Q=UIsin φ，S=UI，其中φ为相电压与相电流间的相位差角，即可计算出系统的有功功率、无功功率与视在功率[5]。采用广东三雄极光照明股份有限公司生产的25 W/230 V，40 W/230 V，60 W/230 V白炽灯泡作为系统的被测对象，同时又采用专业设备进行测试。实测仪器为广州致远电子股份有限公司生产的功率分析仪PA6000。其测试数据如表1所示。
表1 多功能一体化表在不同负载下的监测与仪器实测对比表
注：U为电压；I为电流；P为有功功率；Q为无功功率；S为视在功率；
E为耗电量；f为线频率
5 实物图片
基于4G的多功能一体化表实物工作如图8所示。
6 結 论
基于4G的多功能智能一体化表不仅能高效地实现水、电的运行参数实时在线显示、阶梯式计费与供水、供电的管理模式，方便用户选择最适宜的用水、用电方式，而且还能非常高效地控制、监管水、电资源，以节约有限的水、电资源。此外，基于4G的多功能智能一体化表还在自来水、电力公司与用户三者之间构建起全新的供用水、电关系，从而将有效促进社会资源消费结构的巨大转变，进而实现低碳、生态节约型社会。
参考文献
[1] 符长友，马钢，周苗苗.基于物联网的高级量测体系的设计[J].电测与仪表，2012，49（7）：45?48.
[2] 符长友.大型机电设备电气参数监测与故障诊断装置[J].电子技术应用，2012，38（5）：136?138.
[3] 蓝集明，符长友，周苗苗.基于物联网的智能电表系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（7）：2018?2019.
[4] 符长友，雷志勇，李行.基于物联网的智能插座的设计[J].现代电子技术，2016，39（8）：122?125.
[5] 符长友，何俊鹏，杨鑫.基于物联网的机电设备实时监测与诊断系统[J].四川理工学院学报（自然科学版），2014，27（5）：21?28.
[6] 王思彤，周晖，袁瑞铭，等.智能电表的概念及应用[J].电网技术，2010，34（4）：17?23.
[7] 孙庆青.大规模智能水表市场即将开启[N].中国建设报，2014?02?11（6）.
[8] 许高阳，宣筱青，司庆华，等.云计算智能电表在电力系统的应用[J].电力信息化，2012，10（10）：114?118.
[9] 赵羡龙，李晓林.智能电表在智能用电中的重要作用[J].沈阳大学学报（自然科学版），2012，24（6）：26?29.
[10] 上海顺舟智能科技股份有限公司.SZ12?01?LPW WiFi模块产品手册V1.0[EB/OL].[2016?05?20].http：//shuncom.com/filedownload/4217.
[11] 钜泉光电科技（上海）股份有限公司.ATT7059S用户手册V1.6[EB/OL].[2014?12?01].http：//www.hitrendtech.com/download/ATT7053BU_ATT7059S_ATT7059C%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%89%8B%E5%86%8CV1.6.pdf.
[12] Sierra Wireless， Inc. Product technical specification & customer design guidelines of AirPrime MC7700 Ver. 8 [EB/OL]. [2010?02?11]. http：//www.alibaba.com/product?detail/Sierra?Wireless?AirPrime?MC7700?module_1786057923.html
[13] NXP Semiconductors. Product datasheet of LPC5411x Rev.1.2 [EB/OL]. [2011?05?23]. http：//cache.nxp.com/documents/data_sheet/LPC5411X.pdf？pspll=1.
摘 要： 针对当前家庭中水表、电表无法实现高效运行与统一管理，提出并采用多种传感器、4G无线通信、WiFi无线通信、嵌入式微控制器等先进的物联网技术，设计出一款基于4G的多功能一体化表。详细阐述了其系统构成、硬件与软件设计等。实践表明，基于4G的多功能一体化表不仅能实时在线监测用户的水、电相关数据并实现阶梯计费，而且还有助于在自来水力公司、电力公司、用户三者间构建起全新的供用水、电关系，从而将有效促进社会资源消费结构的进一步提升。
关键词： 多功能一体化表； 物联网； WiFi； 4G； 微控制器
中图分类号： TN711?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0127?04
Design of integrated multifunctional meter based on 4G network
FU Changyou1，2， LEI Wen1， LAN Jiming1， LI Hang1
（1. School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China；
2. Sichuan Academician （Expert） Workstation， Sichuan University of Science and Engineering， Zigong 643000， China）
Abstract： Since the current domestic water meter and electricity meter can′t realize the efficient operation and unified treatment， the multi?sensor， 4G wireless communication， WiFi wireless communication， embedded microcontroller and advanced IoT （Internet of Things） technology are used to design a integrated multifunctional meter based on 4G network. The system composition， working principle， hardware design and software design of the meter are described in detail. The practice result shows that the integrated multifunctional meter based on 4G network can monitor the relevant parameters of users′ water consumption and electricity consumption to realize ladder billing， and is conducive to construction of the new water?electricity supply and demand relation among hydraulic company， electric power company and user to promote the change of the whole social resources and consumption structure effectively.
Keywords： multifunctional and integrated meter； Internet of Things； WiFi； 4G； microcontroller
0 引 言
目前我国家庭含有多种表计，如水表、电表、气表等，它们各自为政，无法实现高效的运行与统一管理。为此住建部要求水、电、气等多种计量表应高度集成、有效整合，同时还迫切要求有一款全新的、一体化的多功能智能表计，以实现水、电、气的精确计量与高效管理[1?5]。
随着对供水、供电方面的深入研究，设计出一款基于4G的多功能一体化表，以实现用户用水、用电的精准计量与阶梯计费。同时也有助于自来水公司、电力公司对水网、电网实现信息化、自动化、智能化，并在自来水公司、电力公司与用户三者间构建起全新的供用水、供用电关系，从而促进社会资源消费结构的深层次转变，提升资源利用率、减少浪费，进而高效推动低碳水力、电力，低碳能源以及推动低碳经济的稳步发展，全面提升自来水公司、电力公司的供水、供电管理水平、服务水平、互动化水平[3?9]。
1 系统架构与工作原理
基于4G的多功能一体化表由多个一体化表与资源管理中心（软件）构成，通过4G实现数据通信，这样便于自来水公司、电力公司、用户及时查询、更新及快速掌握水、电资源使用情况及最新信息，如图1所示。一体化表将实现水量、电量的实时感知与智能处理，并对用户的用水、用电自动实行阶梯计费、实时在线显示、信息及时更新。同时将用水、用电信息自动保存并将相关数据通过4G以短信方式传送给资源管理中心。一体化表也可接收资源管理中心發来的控制指令，并执行相关的控制操作。此外，用户可采用短信或WiFi方式通过一体化表来主动查询用水用电及相关费用等信息，也可通过短信或浏览资源管理中心的相关Web页面来查询所关注的信息等。
一体化表由水量采集终端与信息处理单元构成，二者通过WiFi无线通信方式进行数据通信，如图2（a）所示。水量采集终端实现水流量实时采集，并将所采集的信息通过WiFi发送给信息处理单元。同时也可接收信息处理单元传来的控制命令，并执行相关的控制动作。水量采集终端由微控制器、流量传感器、电磁阀、温度传感器、实时时钟、WiFi无线通信等模块组成，如图2（b）所示。
信息处理单元实现电能参数的实时感知与在线采集，以及用电量、用水量的阶梯计费与实时自动显示。同时将所采集的电能参数、水流量参数与预先设定的标准值进行对比、研判。如果某项参数超出标准值，则产生故障预警并自动及时断电、断水，以保护用户家庭设备。同时把故障信息以短信方式及时告知用户。此外，信息处理单元还把用户的用水、用电信息快速向资源管理中心发送，当然也可接收资源管理中心或用户发来的控制命令或查询命令，并执行其相关的控制操作。因此信息处理单元由电能参数传感器、高性能嵌入式微控制器、WiFi、实时时钟、4G、LCD显示、继电器等组成，如图3所示。
2 关键点电路设计
2.1 WiFi无线通信模块
WiFi无线通信模块采用小型、低功耗、高性能的SZ12?01?LPW。该模块集成了IEEE 802.11b/g/n，射频以及一个可运行WiFi网络协议栈，其内置512 MB的闪存，波特率为1 200～115 200 b/s，采用3.3 V供电。工作于ISM 2.4 GHz，可对14个信道分别进行选择或域限制，通信距离[10]为200 m。其电路设计如图4所示。
2.2 电能参数传感器
电能参数感知采用ATT7059S，是一款带UART接口的单相多功能电能计量芯片，其工作电压为5.0 V。该芯片的特征为：三路22位Σ?Δ ADC；支持5 000∶1的动态范围；支持无功、有功、視在功率和电能脉冲输出；可同时得到2路计量通道的有功功率、无功功率，以及电压频率，电压电流相位[11]。其电路设计如图5所示。电压信号采集从V3P，V3N接入，电流信号采集从V1P，V1N接入。
2.3 4G无线通信模块
4G通信采用尺寸小、质量轻的高性能MC7700模块，其支持LTE，DC?HSPA+，HSPA+，HSDPA，HSUPA，WCDMA，GSM，GPRS，EDGE网络，具有100 Mb/s的下载速度和50 Mb/s上传速度，集成了 GPS性能，支持Linux与Windows系统，可采用PCI?E或USB接口与外部微控制器进行数据通信[12]。在具体设计中，采用简单的USB接口对MC7700进行读写控制操作，如图6所示。MC7700模块的USIM_rst，USIM_data，USIM_clk分别与UIM卡座的U_RST，U_DATA，U_CLK引脚相连。
2.4 嵌入式微控制器
由于嵌入式微控制器需与电能参数感知、WiFi、4G、存储MMC卡等多个模块通信，因此嵌入式微控制器需具有UART，USB，SPI等多种接口。于是选用基于ARM Cortex?M4内核的LPC54113J128，其带有128 KB FLASH，96 KB SRAM，含4个UART接口、2个SPI接口、1个USB接口，I/O口可多达48根，工作频率可高达100 MHz，同时还含有1个实时时钟RTC[13]，以保证水、电数据的高实时性与高效性。此外，为了确保长时间的信息数据安全并方便实时存储，采用小巧的MMC卡来存储用户的水、电等相关数据。其电路设计如图7所示。
3 软件设计
3.1 电能参数感知程序
电能参数实时感知是整个系统的一个重要组成部分，其核心程序部分代码如下：
void Write_SPI（unsigned char Com， unsigned long data） { SPI_CS=1； //SPI总线使能
SPI_SCLK=0；
SPI_CS=0；
Com|=0x80； //发送1 B的命令字
for（n=7；n>=0；n??）
{ SPI_SCLK=1；
SPI_DIN=Com.n；
SPI_SCLK=0；
}
for（n=23；n>=0；n??） //读取24位电能参数数据
{ SPI_SCLK=1；
SPI_DIN=data.n；
SPI_SCLK=0；
} SPI_CS=1；
…
3.2 4G无线通信子程序
4G无线通信是智能控制、管理的核心部分，其子程序部分代码如下：
unsigned char phone_1[ ]="＼r＼n"；
strcpy（（char *）phone_0，"AT+CMGS=＼"）；
strcat（（char *）phone0，（char *）phone_num）；
strcat（（char *）phone0，（char *）phone_2）；
uart1_send_s（（unsigned char*）phone_0，rece）；
uart1_send_s（s，rece）； //s为要发送的字符串
while（UTRSTAT2&（0x3<<1））！=（0x3<<1）； //等待发送
UTXH1=0x1a； //发送短信
uart1_send_s（（unsigned char*）"AT+CMGR=18＼r＼n"， rece）；
…
3.3 WiFi无线通信子程序
WiFi无线通信子程序部分代码如下：
AT+SZ_NETWORKTYPE=STA/r/n；
AT+SZ_SECURITY=OPEN/r/n；
AT+SZ_WEPINDEX=0A/r/n；
AT+SZ_DHCP=ENABLE/r/n；
AT+SZ_IP_DEFAULT=192.169.23.12/r/n；
AT+SZ_UARTDATA_CHECK=ODD/r/n；
AT+SZ_UARTDATA_STOPBIT=1/r/n；
AT+SZ_DATELENGTH=10/r/n；
AT+SZ_SAVE_CONFIG=SAVE/r/n；
…
4 测试数据
由P=UIcos φ，Q=UIsin φ，S=UI，其中φ为相电压与相电流间的相位差角，即可计算出系统的有功功率、无功功率与视在功率[5]。采用广东三雄极光照明股份有限公司生产的25 W/230 V，40 W/230 V，60 W/230 V白炽灯泡作为系统的被测对象，同时又采用专业设备进行测试。实测仪器为广州致远电子股份有限公司生产的功率分析仪PA6000。其测试数据如表1所示。
表1 多功能一体化表在不同负载下的监测与仪器实测对比表
注：U为电压；I为电流；P为有功功率；Q为无功功率；S为视在功率；
E为耗电量；f为线频率
5 实物图片
基于4G的多功能一体化表实物工作如图8所示。
6 結 论
基于4G的多功能智能一体化表不仅能高效地实现水、电的运行参数实时在线显示、阶梯式计费与供水、供电的管理模式，方便用户选择最适宜的用水、用电方式，而且还能非常高效地控制、监管水、电资源，以节约有限的水、电资源。此外，基于4G的多功能智能一体化表还在自来水、电力公司与用户三者之间构建起全新的供用水、电关系，从而将有效促进社会资源消费结构的巨大转变，进而实现低碳、生态节约型社会。
参考文献
[1] 符长友，马钢，周苗苗.基于物联网的高级量测体系的设计[J].电测与仪表，2012，49（7）：45?48.
[2] 符长友.大型机电设备电气参数监测与故障诊断装置[J].电子技术应用，2012，38（5）：136?138.
[3] 蓝集明，符长友，周苗苗.基于物联网的智能电表系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（7）：2018?2019.
[4] 符长友，雷志勇，李行.基于物联网的智能插座的设计[J].现代电子技术，2016，39（8）：122?125.
[5] 符长友，何俊鹏，杨鑫.基于物联网的机电设备实时监测与诊断系统[J].四川理工学院学报（自然科学版），2014，27（5）：21?28.
[6] 王思彤，周晖，袁瑞铭，等.智能电表的概念及应用[J].电网技术，2010，34（4）：17?23.
[7] 孙庆青.大规模智能水表市场即将开启[N].中国建设报，2014?02?11（6）.
[8] 许高阳，宣筱青，司庆华，等.云计算智能电表在电力系统的应用[J].电力信息化，2012，10（10）：114?118.
[9] 赵羡龙，李晓林.智能电表在智能用电中的重要作用[J].沈阳大学学报（自然科学版），2012，24（6）：26?29.
[10] 上海顺舟智能科技股份有限公司.SZ12?01?LPW WiFi模块产品手册V1.0[EB/OL].[2016?05?20].http：//shuncom.com/filedownload/4217.
[11] 钜泉光电科技（上海）股份有限公司.ATT7059S用户手册V1.6[EB/OL].[2014?12?01].http：//www.hitrendtech.com/download/ATT7053BU_ATT7059S_ATT7059C%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%89%8B%E5%86%8CV1.6.pdf.
[12] Sierra Wireless， Inc. Product technical specification & customer design guidelines of AirPrime MC7700 Ver. 8 [EB/OL]. [2010?02?11]. http：//www.alibaba.com/product?detail/Sierra?Wireless?AirPrime?MC7700?module_1786057923.html
[13] NXP Semiconductors. Product datasheet of LPC5411x Rev.1.2 [EB/OL]. [2011?05?23]. http：//cache.nxp.com/documents/data_sheet/LPC5411X.pdf？pspll=1.
