随着物联网概念的不断深入，各种智能设备层次不穷，为人们带来生活便利，提高了人们的物质生活水平。物联网（Internetofthings，IoT）即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通，将智能设备相互联系在一起，并且实现人机交互，让这些智能设备更好的提供服务。不同的网络之间发送信息，必须要经过一道“关口”，这个关口就叫做网关，而将各种实物相互联系在一起的设备就叫做物联网关。物联网的基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理。
1.带电能质量监控功能的物联网关监控终端简介
本文介绍的终端是一种具备电能质量监控的物联网关监控终端的工业物联网数据远传终端，可以用在局域网，也可以应用在广域网互联。通过RS232串口、RS485串口、微功率无线等通信方式连接现场设备PLC、OPC、环境传感器、仪表等，并将数据通过以太网、GPRS、3G、4G等方式，可通过MQTT、HTTP等协议传输到远端的服务器中，完成数据监控、本地逻辑控制、远程升级、故障报警等功能。同时，该终端还具有电能质量分析和计量功能，可以实时监控所挂载的市电网络电能质量情况，具备全波和基波有功、无功、视在功率检测，失压阈值可设并产生告警信号，电压暂降检测、过压过流检测等功能，在实现智能设备互联的同时检测各种设备的运行过程中对电网质量的影响。当有设备出现故障产生过压过流时，终端产生告警信号并通过4G网络将告警信号发送给主站，同时发送控制命令控制智能空气开关拉闸。本终端支持MODBUS协议，可以通过RS485或RS232串口外接各种传感器设备，如温湿度传感器、水浸传感器等。当配电房发生火灾或水淹的情况，传感器产生告警信号给终端，终端产生告警信号并通过4G网络将告警信号发送给主站，同时发送控制命令控制智能空气开关拉闸，防止发生次生灾害。物联网监控终端的应用可有效提高配电房各种用电设备的可靠、安全运行。设备应用场景如图1所示。
图1 应用场景示意图
物联网关监控终端采用双芯分离技术设计开发，双芯即管理芯和计量芯。管理芯基于ALMEL公司的AT91SAM9G25CPU开发，主频400MHz，并具有丰富的外设，可以实现外接多种接口设备，同时具备丰富的上行通信方式。计量芯采用锐能微RN8318+RN8302方案，实现电压计量、电流计量等电能数据计量，同时具备CT开短路检测和漏电流检测，有效提高用电安全。物联网关监控终端具体外设功能框图如图2所示。
图2 网关功能框图
2.终端具体实现的功能
2.1双芯分离
在实现系统功能融合的基础上，将计量芯与管理芯实行物理分离，法制计量功能通过计量芯来实现，保证法制计量数据的可追溯性和管理的可操作性。计量模块有独立的采样电路、独立的实时时钟以及大容量高可靠性的存储器，每分钟均记录计量数据，保证原始的法制计量数据的准确性；网关的其他功能通过管理芯来实现，管理芯可以支持远程升级来实现未来的一些高级应用功能。
2.2停电事件主动上报
物联网关监控终端可以实时监测进线电压值，一旦监测到电压值过低，立即生成停电事件告警并通过高速网络通信模块主动上报，相对目前的电能表停电事件产生后通过终端采集上传的方法能提供更为迅速和及时的停电信息，支撑供电服务满足指挥平台快速响应、电网故障快速定位、快速抢修的要求，可以彻底解决低压线路故障停电定位难、被动抢修等问题，缩短公司客户年平均停电时间。
2.3协议转换能力
物联网关监控终端具有不同协议的转换功能，从不同的感知网络到接入网络的协议转换、将下层的标准格式的数据统一封装、保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。通过不同协议的开发，可以兼容不同的外设接入，丰富应用场景。
2.4可管理能力
物联网关监控终端具有丰富的自我管理能力。首先对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理能力不同，可根据不同的子网要求定制开发配套网关功能。
2.5上行通信
上行具备4G无线通信、以太网通信功能。不方便不施工布线的地方可以采用4G无线网络上传数据。4G信号不好地方可以采用有线以太网或者光线通信上传数据。预留未来支持5G通信的拓展功能。该网关采用了IEC62056国际通信协议，是一种面向对象的通信协议。相比面向过程的DL/T645协议，至少具有以下4个优势：一是面向对象设计，具有良好的数据扩展性；二是计量系统上下行通信协议一致，可以数据溯源；三是支持多个数据项的读取，支持多种查询方式，通信效率高；四是基于有线网络，如以太网、光纤通信介质，可以实现秒级的数据采集需求。
2.6遥控输出功能
终端带有遥控输出功能，当系统内部有设备运行异常时主动发送遥控命令可以对外部设备进行拉合闸功能，如主动切断异常设备供电电源，有火灾告警时开启消防洒水喷头等。
2.7遥信功能
终端带有遥信输入功能，支持有源和无源信号。通过遥信接口采集外设的开关量信号，如空气开关状态、门禁状态、断路器或隔离开关的分/合闸状态，保护信号的动作/复归等，最终通过遥控信号输出形成整个系统的闭环。
2.8本地通信功能
市面上智能设备和传感器通信方式多种多样，本终端支持RS485通信、RS232通信、Loar无线通信、M-Bus通信等多种通信方式，有效接入各种外设，将各种数据采集后通过4G或者以太网的方式上传到广域网，最终实现各种设备的互联互通。用户可通过配套的APP客户端查看本网关上各种设备的数据及运行情况。
2.9电源网络
该设备为了使用现场供电方式不同，支持AC220V直流供电和DC9-DC36V直流供电，直流电路做了优化处理，可以不需要分正负方向。同时该终端具备电池供电，当市电掉电后可继续运行，电源网络如图3所示。
图3 电源网络框图
3.应用场景
物联网监控终端致力于提高配电房各种用电设备的可靠、安全运行，打造配电房“安全用电、优质服务”等多项实用化功能，可实现安全用电、智慧复电、透明用电、多表集抄等多个新应用场景
3.1家居安全用电监控
家居用电过度使用大功率的电器时，容易导致电器线路过载，严重时造成导线发热，引起线路起火。此外，用户电器设备的线路老化或潮湿环境，易引起绝缘层功能减退以及漏电，带来人身触电、设备损坏的隐患。智慧能源网关可对户内线路负荷实时监测，一旦用电负荷过载或漏电，可及时主动上报告警事件，并实现手动或自动分合闸，确保用电安全。
3.2智慧复电
低压配网由于设备自动化水平低，技术手段匮乏，目前故障主要通过用户电话报修的方式，开展“被动”抢修，制约了客户服务水平的提升。网关可以实时监测进线电压值，一旦监测到电压值过低，立即生成停电事件告警并主动上报。网关采用的“IP化”的以太网通信方式，可以准确定位到故障对象和故障地点，能够及时通知抢修人员，进行主动抢修、快速复电；客服人员也可以及时对用户来电做出准确解答，实现优质服务，提升客户满意度。
3.3透明用电
目前，用户电费账单一般只有缴费周期的总用电量，缺少电量构成明细，用户更是无法知晓各个电器的电能消耗情况，尤其是在用电量突增的情况下，容易引起用户对电量、电费真实性的疑虑。网关具有负荷识别功能，利用负荷分解和辨识技术，可以提供户内每个用电设备的电能消耗明细，帮助客户准确掌握家电能耗情况和使用行为，营造良好、公平、透明的供用电环境。
作者：吴非
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期
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