CN111239488A - 一种智能电表和智能电表系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供的智能电表和智能电表系统，包括设置在智能电表主体内部的且通过主板相互连接的Arduino芯片、电量计量芯片和通信芯片，电量计量芯片，用于计量用户的用电量；通信芯片，用于接收与智能电表通信的所有智能插座发送的用电信息；Arduino芯片，用于根据用电信息和用电量完成用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算；通信芯片，用于将计算结果发送至智能终端，并远程与智能终端保持通信。通过在智能电表中设置Arduino芯片，能够依靠Arduino芯片进行用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算，具有较为高效的计算能力，解决了当前的智能电表由于计算性能较低，无法处理较多的实时数据等问题。

Description

一种智能电表和智能电表系统

技术领域

本申请涉及泛在电力物联网技术领域，尤其涉及一种智能电表和智能电表系统。

背景技术

电表分为传统的智能电表和传统电表，传统电表指的就是当前常见的具有显示用电量的电表，不具有其他功能，传统智能电表是指具有相应的功能的电表，内部具有单片机的电表，如自动充电费等其他功能，传统电表由于具有入户抄表难度大，人工操作费用高，人工读表精度差等缺点，其正在逐步被智能电表所取代。

自2009年，国家电网公司开始在全国范围内兴建用电信息采集系统，通过采集终端尤其智能电能表实现了对电力用户用电量、用电负荷、电压电流等数据的全面采集，针对此类数据的存储和分析对电力调配起到了关键性的作用，近年来国家电网提出了构建泛在电力物联网的目标，从而实现电网状态全息感知、运营数据全面连接等目的。泛在电网的提出和实现对当前的智能电表提出来新的挑战和要求，为实现智能电表本体及运行环境的深度感知、实时反应，需在有效利用当前已有数据的基础上，实现对用户内多种电器设备使用量进行精确统计。

当前的智能电表一般采用单片机实现，常见的大都是51单片机等8位或16位单片机，虽然能够运行简单的程序，但是一方面无法运行操作系统，另一方面也无法支撑运行复杂应用。虽然当前也有部分采用具有相关的智能插座等设备统计此插座的电力使用情况，但是无法和家庭电表的数据进行汇总融合，电力部门对家庭内的电力使用情况还是无从感知，同时由于智能电表的规模数量庞大，直接传输收集到的原生数据将会带来庞大的通信和计算开销，因此需要智能电表执行一些本地计算任务对数据进行预处理，而当前的智能电表由于计算性能较低，无法处理较多的实时数据和本地执行任务，因此无法达到泛在电网的要求。

发明内容

本申请提供了一种智能电表和智能电表系统，以解决当前的智能电表由于计算性能较低，无法处理较多的实时数据和本地执行任务，无法达到泛在电网的要求的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种智能电表，包括设置在智能电表主体内部的且通过主板相互连接的Arduino芯片、电量计量芯片和通信芯片，

所述电量计量芯片，用于计量用户的用电量；

所述通信芯片，用于接收与所述智能电表通信的所有智能插座发送的用电信息；

所述Arduino芯片，用于根据所述用电信息和用电量完成用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算；

所述通信芯片，用于将所述计算结果发送至智能终端，并远程与智能终端保持通信。

可选的，还包括FPGA芯片；

所述FPGA芯片与所述Arduino芯片通过主板连接，所述Arduino芯片加载程序到所述FPGA芯片并向所述FPGA芯片发送相应指令，所述FPGA芯片根据接收到的所述指令执行相应操作，并将结果返回至所述Arduino芯片。

可选的，还包括存储芯片；

所述存储芯片与所述Arduino芯片通过主板连接，并和所述电量计量芯片通信，用于存储所述用电量。

可选的，还包括高峰统计单元；

所述高峰统计单元为软件，运行在所述Arduino芯片，用于根据所述至少一个智能插座发送的所述用电信息，确定用电高峰时段；

所述通信芯片还用于将所述用电高峰时段信息发送给所述智能终端。

可选的，还包括与所述Arduino芯片通过主板连接的按键操作装置和液晶屏显示装置；

所述按键操作装置，用于接收用户指令；

所述液晶屏显示装置，用于根据所述用户指令显示用户界面，所述用户界面包括所述用电量、用电信息以及所述计算结果。

可选的，所述用电信息至少包含：指定时间段内的用电量数据，所述指定时间段至少包含：当日、当月、近半年内任意月份或用户设定的任意时间段。

可选的，所述智能电表还用于通过无线网络控制所述智能插座；

所述智能插座向所述智能电表反馈所述智能插座的拓扑结构，所述智能电表根据所述智能插座反馈的拓扑结构，更新对所述智能插座的拓扑结构信息，并对后续用电量统计时进行相应处理。

可选的，所述无线网络包括蓝牙、无线局域网或ZigBee通信。

可选的，包括上述的智能电表和至少一个智能插座，所述智能电表通过无线网络与所述智能插座相连。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供了一种智能电表和智能电表系统，包括设置在智能电表主体内部的且通过主板相互连接的Arduino芯片、电量计量芯片和通信芯片，电量计量芯片，用于计量用户的用电量；通信芯片，用于接收与智能电表通信的所有智能插座发送的用电信息；Arduino芯片，用于根据用电信息和用电量完成用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算；通信芯片，用于将计算结果发送至智能终端，并远程与智能终端保持通信。通过在智能电表中设置Arduino芯片，能够依靠Arduino芯片进行用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算，由于Arduino芯片可以完成大分部的执行任务，因此能够保证智能电表的低功率运行，保证了电力部门对家庭用电更细粒度的统计和分析，为电力调度提供了支撑。本申请提供的智能电表，具有较为高效的计算能力，解决了当前的智能电表由于计算性能较低，无法处理较多的实时数据和本地执行任务，无法达到泛在电网的要求的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的智能电表结构原理图；

图2为本申请实施例提供的智能电表系统结构原理图；

图3为本申请实施例提供的智能电表和用户、供电站和智能插座之间的工作示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参考附图1，附图1为本申请实施例提供的智能电表结构原理图，如图1所示，本申请书实施例提供的智能电表，一种智能电表，包括设置在智能电表主体内部的且通过主板相互连接的Arduino芯片、电量计量芯片和通信芯片，

所述电量计量芯片，用于计量用户的用电量；

所述通信芯片，用于接收与所述智能电表通信的所有智能插座发送的用电信息；

所述Arduino芯片，用于根据所述用电信息和用电量完成用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算；

所述通信芯片，用于将所述计算结果发送至智能终端，并远程与智能终端保持通信。

本申请实施例提供的智能电表，其能够和多组松散式具有计量电量的智能插座实时通信，其中，松散式指智能电表和智能插座实现一种耦合关系，这种关系并不是紧耦合，而是一种松散式的可扩展式连接关系，松散式关系同时也指的是智能电表和智能插座可以通过网络连接在一起，同时智能插座关闭以后就和智能电表实现断联。

智能插座将插座上的用电信息等传输给智能电表，同时智能电表能够通过Arduino芯片发送一系列的控制命令至智能插座或智能电表开关等，包括插座的开启和关闭等。

本申请实施例中提供的智能电表，通过在智能电表中设置Arduino芯片，能够依靠Arduino芯片进行用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算，由于Arduino芯片可以完成大分部的执行任务，因此能够保证智能电表的低功率运行，保证了电力部门对家庭用电更细粒度的统计和分析，为电力调度提供了支撑。本申请提供的智能电表，具有较为高效的计算能力，解决了当前的智能电表由于计算性能较低，无法处理较多的实时数据和本地执行任务，无法达到泛在电网的要求的问题。

可选的，还包括FPGA芯片；

所述FPGA芯片与所述Arduino芯片通过主板连接，所述Arduino芯片加载程序到所述FPGA芯片并向所述FPGA芯片发送相应指令，所述FPGA芯片根据接收到的所述指令执行相应操作，并将结果返回至所述Arduino芯片。

智能电表中设置FPGA芯片后使得智能电表具有动态功能可配置功能，即FPGA芯片能够动态加载各种任务，和传统的ASIC芯片不同，传统的ASIC芯片在生产时就已经具有特定的功能，在使用过程中功能无法更新，但是FPGA芯片的功能是可以动态可配置的，在智能电表使用过程中，智能终端能够进行信息的更新，如智能电表信息传输过程中的加密算法，如AES加密算法等。本申请实施例采用非对称加密算法实现数据的传输，并且能够实时动态更新公钥和私钥。同时本申请提供的智能电表具有一定容量的存储芯片，所述存储芯片与所述Arduino芯片通过主板连接，并和所述电量计量芯片通信，存储芯片能够记录当前用户一定时间内的用电情况，智能电表在一定时间内将用户的用电量情况传输给智能终端后，可以对存储的数据进行删除，为将来的电量存储提供新的存储空间。

其中，上述智能终端包括供电站、远程站点或适用于用户使用的用户终端等设备。

可选的，还包括高峰统计单元；

所述高峰统计单元为软件，运行在所述Arduino芯片，用于根据所述至少一个智能插座发送的所述用电信息，确定用电高峰时段；

所述通信芯片还用于将所述用电高峰时段信息发送给所述智能终端。

可选的，还包括与所述Arduino芯片通过主板连接的按键操作装置和液晶屏显示装置；

所述按键操作装置，用于接收用户指令；

所述液晶屏显示装置，用于根据所述用户指令显示用户界面，所述用户界面包括所述用电量、用电信息以及所述计算结果。

可选的，所述用电信息至少包含：指定时间段内的用电量数据，所述指定时间段至少包含：当日、当月、近半年内任意月份或用户设定的任意时间段，可以根据实际使用需求进行设置和选择。

可选的，所述智能电表还用于通过无线网络控制所述智能插座；

所述智能插座向所述智能电表反馈所述智能插座的拓扑结构，所述智能电表根据所述智能插座反馈的拓扑结构，更新对所述智能插座的拓扑结构信息，并对后续用电量统计时进行相应处理。

可选的，所述无线网络包括蓝牙、无线局域网或ZigBee通信，智能电表和智能插座也可以通过常见的网络硬件和网络协议组织在一起，比如可以通过蓝牙通信实现智能电表和智能插座的通信，也可以采用ZigBee网络，或者更为普通的是用户的家庭网络实现它们之间的互联。

可选的，包括上述的智能电表和至少一个智能插座，所述智能电表通过无线网络与所述智能插座相连。

同时，本申请实施例提供的智能电表还包括以下功能：

1)在Arduino芯片上设置计电功能和事件记录功能，事件记录功能记录下智能电表中的操作，一方面能够为故障发生以后朔源提供了支持，另一方面也能够避免了不法分子的偷电窃电篡改信息等行为。

2)全新的电能计量功能。提供可供选择的时段和费率，远程站点能够实时推送和调整费率，用户可以根据费率选择最适合的用电时间并且调控不同的智能插座工作和停止。

4)故障快速定位，当出现故障状况时，智能电表能够及时将发生故障的地点等有关信息发送到相关部门(一般指的是电力运营部门)，使其能够在第一时间赶来维修故障；同时智能电表能够根据各个智能插座反馈到的信息进行一系列的决策，如判断是否是因为功率太高造成的高负荷跳闸等，并尝试自我恢复。

进一步的，为了本领域技术人员更加清楚的理解本申请中提供的技术方案，如图2所示为本申请实施例的一种实施方式，以下对其具体实施方式进行简单介绍：

图2表示了一种智能电表系统的结构原理示意图，智能电表内部主要有电量计量芯片、Arduino芯片、FPGA芯片、通信芯片和存储芯片，以及若干智能插座，系统初始化时，首先Arduino从其内部的存储单元加载linux操作系统，并加载一系列需要的软件，包括控制电力测量芯片的软件，与智能终端建立通信的软件，与智能插座通信的软件，与控制FPGA芯片的软件等，同时初始化电量计量芯片、FPGA芯片和通信芯片，实现与智能终端，即供电站之间的通信，此时采用Arduino芯片内部的电子公钥加密传输信息，信息加密过程在FPGA芯片内完成，信息加密完成后传输给智能终端，智能终端同时根据当前情况决定是否更新通信密钥，通信密钥进行周期性更换，同时当智能电表检测到攻击时，能够主动和智能终端联系，主动发起更新密钥的请求，随后两者进行协商完成密钥的更新。

Arduino芯片启动后，电量计量芯片与用户家庭内的多个智能插座建立通信连接，此通信方式不限，可以通过蓝牙或者无线、ZigBee通信等方式完成通信，智能插座周期性的将插在此插座的设备的用电情况发送给智能电表，智能电表对智能插座传输来的数据进行校验，并进行偏差计算，若家庭内的插座统计信息和电表计量出现偏差，则向用户发出警报，同时将信息传输给智能终端，智能终端派出工作人员对智能电表进行检修，判断是否人为盗电还是电表故障。在智能电表运行过程中，智能终端若进行一些大数据分析，如统计用户的每日使用量，智能电表无需将所有数据传输回智能终端，由智能终端来统计分析，智能终端只需要将此任务进行封装成程序，通过网络分发给区域内的所有智能电表，智能电表接受到任务后，由Arduino芯片加载程序到FPGA芯片内，FPGA芯片从内部发起查询任务，并将结果返回给Arduino芯片。

本申请实施例中的技术方案相对于传统的查询方法能够大大降低数据传输开销和数据的查询工作量，提高效率。本实施例中提供的智能电表所需要的网络通信一方面可以借助于电力网传输，因为数据传输过程中都是加密状态，因此也可以通过用户家庭内的网络进行传输。

如图3所示为智能电表和用户、供电站和智能插座之间的工作示意图，用户、供电站和智能插座通过智能电表进行联系起来，用户将家庭内的用电插座都换成相应兼容与智能电表的智能插座，智能电表动态的维护智能插座的拓扑结构，智能插座之间可以有串联和并联方式，其用电量的计算方式由智能电表来调整，智能插座上有其他智能插座后，此类拓扑信息由智能插座发送给智能电表，智能电表收到信息后，更新自己对智能插座的拓扑结构信息，对后续用电量统计时进行相应处理。用户一方面可以从供电站获取家庭的用电量等统计信息，同时也可以从网络直接和智能电表相通信，如控制家庭内某一个插座断电等，只需要在供电站开发的软件上发出相应的控制命令即可。供电量和智能电表进行周期性通信，拉取用户用电量信息，根据用户的用电量设计合理的电价策略，供用户选择。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种智能电表，其特征在于，包括设置在智能电表主体内部的且通过主板相互连接的Arduino芯片、电量计量芯片和通信芯片，

所述电量计量芯片，用于计量用户的用电量；

所述通信芯片，用于接收与所述智能电表通信的所有智能插座发送的用电信息；

所述Arduino芯片，用于根据所述用电信息和用电量完成用电安全、用电模式、非法用电或用电偏差的计算；

所述通信芯片，用于将所述计算结果发送至智能终端，并远程与智能终端保持通信。

2.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，还包括FPGA芯片；

所述FPGA芯片与所述Arduino芯片通过主板连接，所述Arduino芯片加载程序到所述FPGA芯片并向所述FPGA芯片发送相应指令，所述FPGA芯片根据接收到的所述指令执行相应操作，并将结果返回至所述Arduino芯片。

3.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，还包括存储芯片；

所述存储芯片与所述Arduino芯片通过主板连接，并和所述电量计量芯片通信，用于存储所述用电量。

4.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，还包括高峰统计单元；

所述高峰统计单元为软件，运行在所述Arduino芯片，用于根据所述至少一个智能插座发送的所述用电信息，确定用电高峰时段；

所述通信芯片还用于将所述用电高峰时段信息发送给所述智能终端。

5.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，还包括与所述Arduino芯片通过主板连接的按键操作装置和液晶屏显示装置；

所述按键操作装置，用于接收用户指令；

所述液晶屏显示装置，用于根据所述用户指令显示用户界面，所述用户界面包括所述用电量、用电信息以及所述计算结果。

6.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述用电信息至少包含：指定时间段内的用电量数据，所述指定时间段至少包含：当日、当月、近半年内任意月份或用户设定的任意时间段。

7.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述智能电表还用于通过无线网络控制所述智能插座；

所述智能插座向所述智能电表反馈所述智能插座的拓扑结构，所述智能电表根据所述智能插座反馈的拓扑结构，更新对所述智能插座的拓扑结构信息，并对后续用电量统计时进行相应处理。

8.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述无线网络包括蓝牙、无线局域网或ZigBee通信。

9.一种智能电表系统，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的智能电表和至少一个智能插座，所述智能电表通过无线网络与所述智能插座相连。

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