The Design and Application of a Shared Electricity Charge Control Terminal
黄炜① HUANG Wei；沈鑫② SHEN Xin；何明星③ HE Ming-xing；和志坚④ HE Zhi-jian；
谷战垒⑤ GU Zhan-lei；胡冰⑤ HU Bing
（①云南电网有限责任公司节约用电服务中心，昆明 650000；②云南电网有限责任公司计量中心，昆明 650000；
③云南电网能源投资有限责任公司，昆明 650000；④云南电网有限责任公司丽江供电局，丽江 674100；
⑤河南许继仪表有限公司，许昌 461000）
（①Power Saving Service Center of Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650000，China；
②Measurement Center of Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650000，China；
③Yunnan Power Grid Energy Investment Co.，Ltd.，Kunming 650000，China；
④Lijiang Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Lijiang 674100，China；
⑤Henan Xuji Instrument Co.，Ltd.，Xuchang 461000，China）
摘要：共享用电费控终端是一款应用于电力企业用电信息采集系统的重要设备，通过本地RS-485、电力载波等通信方式，实现用电数据采集任务下发、电量数据采集、用电记录采集等功能，同时具有电费核算管理、用电记录生成、用户档案下发与管理等功能。基于STM32F103T主芯片和Linux操作系统，设计了一款共享用电费费控终端，该终端硬件体系架构由电源模块、显示模块、刷卡模块、4G通信模块等组成，软件架构由Linux操作系统、底层驱动、平台应用、核心功能组成。该产品满足电力计量设备分时复用要求，有效节约电力企业投资成本，改善电力企业营商环境。
Abstract: The sharing electricity charge control terminal is an important equipment applied to the electric power information acquisition system of electric power enterprises. Through the local RS-485, power carrier and other communication modes, it can realize the functions of power consumption data collection task sending, electric power data collection, power consumption record collection, etc., at the same time, it has the functions of electricity charge accounting management, power consumption record generation, user file distribution and management. Based on STM32F103T8U7 main chip and Linux operating system, a shared electricity charge control terminal is designed. The hardware architecture of the terminal is composed of power module, display module, card swiping module and 4G communication module. The software architecture consists of Linux operating system, bottom driver, platform application and core functions. The product meets the requirements of time-sharing reuse of power metering equipment, effectively saves the investment cost of power enterprises, and improves the business environment of power enterprises.
关键词：共享用电；STM32F103T；Linux；费控终端
Key words: shared power；STM32F103T；Linux；cost control terminal
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0239-04
0 引言
随着我国共享经济的发展，国家出台了一系列政策，鼓励有条件的企业先行先试，充分发挥示范引领作用，促进共享经济的发展。云南电网积极响应国家政策，在用电领域深挖客户需求，探索共享用电业务新模式，结合“数字南网”建设要求，研究开发共享用电费控终端设备，满足农田排灌、商业街区、公租房等共享用电场景，有效改善电网企业营商环境。
1 共享用电费控终端体系架构
共享用电费控终端体系架构由电源模块、STM32F103T8U7主芯片、RS485通信、液晶显示、刷卡模块、语音提示等模块组成。电源模块是低功耗AC-DC开关电源，输出DC3.3V、DC5V、DC12V多路电源，为主芯片、通信模块、液晶显示模块等提供电源。STM32F103T8U7主芯片具有丰富的外围资源，主要包括FLASH存储接口、串口通信、USB通信、4G通信接口、以太网通信接口等外围电路。共享用电费控终端的体系架构如图1所示。
1.1 电源模块
电源模块主要由开关电源LH15-10B12ER2、降压芯片MP2315GJ和TLB117组成，开关电源将交流220V电源转换为1路12V直流电源，12V直流电源为宽带载波模块、4G通信模块、以太网模块供电；降压芯片MP2315GJ将12V转换为5V，5V直流电源为RS-485通信模块、显示模块、刷卡模块供电。通过降压芯片TLB117将5V电源转换成DC3.3V电源，DC3.3V电源主CPU、以太网模块、ESAM芯片、数据存储供电，详细电路如图2所示。
1.2 主CPU模块
共享用电费控终端主CPU模块采用STM32系列STM32F103T芯片，该芯片核心处理器为ARM■ Cortex-M3，运行速率为72MHz，程序存储器容量64KB，RAM 容量：20K×8。此处理器具有丰富的外围接口资源，如CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB等，满足共享用电费终端串口通信、USB通信、4G通信、以太网通信接口需求，主CPU模块详细电路如图3所示。
1.2.1 无线4G通信模块
4G通信模块通过串口与主芯片连接，实现数据的发送与接收。共享用电费控终端通过4G通信模块与系统主站通信，主站系统通过4G通信或者以太网通信下发的电能表档案、用户档案、电价、互感器变比等数据，共享用电费控终端将接收到系统下发的参数进行本地处理并保存。共享用电费控终端将本地采集到的用电记录、冻结电路、异常用电事件等数据，利用4G通信或者以太网通信的方式上传给系统主站。
1.2.2 本地RS-485通信模块
共享用电费控终端具有两路本地RS-485通信功能，一路RS-485用于与本地电能表连接，实现电能表冻结数据、当前电量、电压、电流等数据的本地采集。另外一路RS-485用于共享用电费控终端程序升级及运维调试。
1.2.3 刷卡模块
刷卡模块通过SDA口与主CUP模块连接，用户可以通过购电卡在共享用电费控终端上刷卡用电，共享用电费控终端根据购电卡信息，自动识别下挂电能表档案，同时发送合闸或分闸指令，控制电能表的电源输出。
1.2.4 液晶显示模块
液晶显示模块是共享用电费控终端的对外展示窗口，主要用于终端运行状态查看和用电状态查看。用户可以查看设备4G通信状态、抄表状态、用电状态等信息。在设备运行维护时，可以通过液晶显示模块查看终端升级状态、启动状态等信息。
1.2.5 数据加密模块
数据加密模块采用电力专用的加密芯片，通过SPI口与主CPU模块连接，将共享用电费控终端于系统主站直接的交互数据加密，避免数据明文传输，确保数据的安全。
2 共享用电费控终端软件设计
共享用电费控终端采用容器式设计思想，主要由LINUX操作系统、底层应用驱动、中间接口层、功能应用层组成。LINUX操作系统执行任务调度管理、数据处理管理、数据存储管理等功能，底层驱动完成硬件接口数据发送与接收，中间接口实现参数设置与读取、数据缓存等功能。功能应用主要开展设备管理、用电数据采集、电费核算、数据采集与上传等功能。共享用电费控终端体系架构，如图4所示。
2.1 Linux操作系统
Linux操作系统是一套高效性和灵活性的Unix操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行UNIX工具软件、多种应用程序和网络通信协议。它支持32位或者64位硬件环境。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思路，是一个性能稳定的多用户操作系统。将Linux操作系统移植共享用电费控终端主CUP芯片STM32F103T内，实现多任务并发与调度管理。
2.2 底层驱动
底层驱动为共享用电费控终端不同通信接口提供管理支撑，灵活调度不同接口的数据收发与管理。主要包括交流采样数据存储与管理、时钟管理、串口通信管理、4G通信管理、以太网通信管理、USB接口管理、ESAM数据加密管理、ERAM数据存储管理等驱动程序。不同的通信接口驱动程序统一封装为静态库，便于中间接口层调用硬件驱动模块。
2.3 功能应用
共享用电费控终端主要功能包括采集任务下发、电量数据采集、电费核算管理、用电记录生成、用户档案下发与管理等功能。
2.3.1 采集任务下发
共享用电费控终端具有采集任务下发功能，可以手动采集任务下发，通过手动按键的方式，将采集任务下发到共享用电费控终端内，设置采集频率、采集数据项、数据上报方式等内容。同时也可以通过系统主站远程下发采集任务，对于共享用电费控终端批量上线时，通过系统主站批量下发采集任务，共享用电费控终端收到主站下发的采集任务后，终端能够本地存储采集人并执行。
2.3.2 电量数据采集
共享用电费控终端具有全量数据采集的功能，对于电表的多有数据项，都能够通过共享用电费控终端采集，电量数据采集是核心的数据项，用户在用电的过程中，共享用电费控终端能够采集用户的开始用电电量、结束用电电量、月冻结电量、日冻结电量等数据，为电费核算、营销对账提供数据支撑。
2.3.3 电费核算管理
电费核算是共享用电费控终端的核心功能，对于用户开始用电的电量数值、结束用电的电量数值、用电时长等数据，共享用电费控终端的根据实时采集的电量数据计算本次用户的用电量，根据终端内预设的电价，自动计算出用户每次用电的电费值，实时扣除用户账号金额，并将结果上传到主站，详细流程如图5所示。
2.3.4 用电记录生成
共享用电费控终端能够自动生成用电记录，在用户结束用电后，终端根据用户号、用户名、用电时间、开始用电电量、结束用电电量、本次用电量、本次用电金额等内容，生成完整的用电记录，并将用电记录主动上报给主站，便于用户查看和电力营销业务对账。
2.3.5 用户档案管理
用户档案管理是共享用电费控终端的基本功能，根据主站下发或者本地加载的用户档案，终端能够自动存储和管理。用户每次开始用电时，终端能自动识别用户信息是否合法，便于用户档案的管理和用电设备的科学管理。
3 实验验证
基于STM32F103T主CUP的共享用电费控终端具有较高的应用推广价值，该产品能够支撑多用户分时用电，实现电力设备的共享复用，有效降低电力企业的投资成本。对于公租房、农田排灌、商业街区等共享用电场景，有力支撑我国共享经济的发展政策背景。
该产品按照电力企业标准规范技术要求设计，通过脉冲群实验、高低温实验、强磁场干扰实验、静电干扰实验等性能测试，满足标准实验等级测试要求。功能方面测试，通过电力企业专业机构功能测试，包括数据采集、本地通信、远程通信、电费核算、用电记录生成与上报等功能测试。
4 结束语
本文介绍了一种共享用电费控终端设计与应用方法，包括终端的硬件设计、软件设计、核心功能介绍等内容。根据电力企业相关标准规范，开展性能实验和功能实验，完全满足相关标准的实验要求。结合“数字南网”建设要求，共享用电场景应用及国家对共享资源、共享经济的支持，该产品满足农田排灌、商业街区、公租房等共享用电场景，有效改善电网企业营商环境，得到很好的推广应用。
参考文献：
[1]林向阳，项立卫，符金金，张俊浩.基于RX63N微控制器的Ⅱ型集中器设计：中国仪器仪表行业协会电工仪器仪表分会第六届第三次理事会扩大会议暨2018第三十六届中国电工仪器仪表产业发展技术研讨会、展会.
[2]360百科.Linux系统简介.
[3]谷战垒，何诚，宁月松.基于NA5TR1的无线定位节点的设计[J].电子设计工程，2011（09）. |
