唐勇++張映蘋++陳江++肖元++陳迎春++王晨丞

摘 要

國內(nèi)電力服務應用終端包括集中器、采集器、集中充值終端、補寫卡終端、臺區(qū)識別儀等針對電力單一功能需求研究并實現(xiàn)的設備，大量設備的建設投入使用給施工、維護帶來很大的不便，同時設備功能的單一和重復投入也造成一定資源浪費。本文對智能感知互動綜合服務系統(tǒng)的需求進行了詳細的分析，設計實現(xiàn)了一體化得智能電表多功能互動服務終端。研究成果包括：（1）設計實現(xiàn)集中實現(xiàn)智能電表購電.充值.寫卡.信息查詢等功能于一體的多功能服務終端；（2）建立遠程購電寫卡的安全機制.系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入安全措施，確保外網(wǎng)接入內(nèi)網(wǎng)的安全性；網(wǎng)絡充值的費用管理措施，通過技術和管理手段實現(xiàn)充值過程的安全管理；（3）對終端的關鍵技術難點進行了研究并提出了解決辦法。

【關鍵詞】智能終端 多功能交互式服務 嵌入式 ESAM安全模塊

1 引言

隨著市場化改革的推進、數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展、氣候變化的加劇、環(huán)境監(jiān)管要求的日趨嚴格與國家能源政策的調(diào)整，電力網(wǎng)絡跟電力市場、用戶之間的協(xié)調(diào)和交換越來越緊密。隨著用戶的服務需求變化、電力用戶逐漸從電網(wǎng)的被動參與者向主動參與者轉(zhuǎn)變，對電網(wǎng)的服務水平提出了更高的要求。用戶希望獲得更加及時準確的用電信息，也對電網(wǎng)的服務水平提出了更高的要求，

而目前面向大眾用戶的國內(nèi)電力服務應用終端包括集中器、采集器、集中充值終端、補寫卡終端、臺區(qū)識別儀等針對電力單一功能需求研究并實現(xiàn)的設備，大量設備的建設投入使用給施工、維護帶來很大的不便，同時設備功能的單一和重復投入也造成一定資源浪費。

目前發(fā)達國家發(fā)達城市主要采用電力寬帶通信技術（電力載波寬帶通信技術）、光纖通信技術、IP通道方式及無線通信技術進行用電信息采集技術的研究。如日本東京電力公司正在研究采用IP通道方式結(jié)合無線多跳通信技術的研究，來降低實施成本，提高采集成功率，本項目的主要研究內(nèi)容為智能電表應用、智能電表應用擴展支持以及雙向互動服務的多功能一體化服務終端，目前國際尚無研究和應用成果。

而國內(nèi)電力公司主要為國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)，目前主要是基于電力載波的用電信息采集、基于廣電網(wǎng)絡的電力信息采集、基于小無線的電力信息采集。用電信息采集系統(tǒng)架構均基于主站、集中器、采集器、智能電表的分級管理模式。

國內(nèi)電力服務應用終端包括集中器、采集器、集中充值終端、補寫卡終端、臺區(qū)識別儀等設備都是針對電力單一功能需求研究并實現(xiàn)，大量設備的建設投入使用給施工、維護帶來很大的不便，同時設備功能的單一和重復投入也造成一定資源浪費。

近年來，有公司嘗試將采集器和集中器整合，也在作相關的研究和試運行，但對于本項目中研究的將集中器、采集器、集中充值、補寫卡、NFC近場通信、信息互動以及臺區(qū)識別等功能的整合研究，國內(nèi)尚無先例。

本文旨在研究設計一款針對本地費控智能電表的智能充值購電的一體化終端，實現(xiàn)購電、充值、寫卡、余額查詢及顯示、電量查詢及顯示、停電公告查詢及顯示、所屬臺區(qū)編號和名稱顯示及其它信息查詢等功能，方便客戶服務，加強客戶互動體驗，提升客戶服務水平；建立電表信息采集、遠程充值、電價批量下發(fā)、信息發(fā)布的第二通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自由上傳與下傳，為客戶提供互動服務實現(xiàn)基礎支撐。最終實現(xiàn)集集中器、采集器、在線購電終端、補寫卡終端、集中充值終端、臺區(qū)識別、信息發(fā)布終端于一體化多功能互動服務終端。

通過研究一體化多功能互動服務終端整合現(xiàn)場各種電力服務終端，提供更加豐富的內(nèi)容，提升客戶服務體驗，讓智能電網(wǎng)更具智慧，同時設備的整合還可以大大降低整個電力現(xiàn)場服務終端設備的運維成本，避免碎片化。

2 智能感知多功能互動服務系統(tǒng)設計方案

智能感知多功能互動服務系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)構成即多功能互動服務終端子系統(tǒng)、網(wǎng)絡統(tǒng)一安全接入平臺、信息服務支撐平臺、電力業(yè)務子系統(tǒng)構成。其系統(tǒng)的總體架構圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的物理結(jié)構圖如圖2所示，在終端的上行通道中使用了GPRS和LAN又接入支持，同時所有數(shù)據(jù)的交互都經(jīng)國網(wǎng)安全接入平臺，完成采集和業(yè)務數(shù)據(jù)的交互。

3 互動終端硬件設計

3.1 硬件設備架構設計

對終端的平臺采用ARM+Android架構，通過整合大屏設計和外設控制板的IR、RS485、ESAM、PLC、NFC、IC卡讀寫模塊、Audio模塊來完成采集和互動功能。硬件架構如圖3所示。

終端相關的主要部件主要設計指標如表1所示：

多功能互動終端的硬件設備主要功能。

3.1.1 遠程通信功能

通過GSM/WCDMA模塊直接與電力信息采集主站的連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。另外也可以通過LAN接口加密連接到主站采集系統(tǒng).

3.1.2 載波通信功能

通過終端自帶的PLC插座，可以接插三相路由板載波模塊，實現(xiàn)載波通信功能，實現(xiàn)與電表的數(shù)據(jù)交互。能實現(xiàn)遠程電價下發(fā)，電費下發(fā)，通過PLC載波通信，直接把相關數(shù)據(jù)傳入電表中。能實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)采集功能。

3.1.3 電能表RS485通信功能

通過自帶的RS485通信接口，直接連接到電能表，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，最大數(shù)量32只電能表

3.1.4 大屏幕顯示功能，帶觸摸互動

支持本地信息的顯示，所在小區(qū)名，用戶名，電表序號，購電卡序號。

支持遠程信息顯示，購電次數(shù)，購電IC卡狀態(tài)，上次購電金額，當前購電金額，當月用電量，當前階梯電價，當前費率切換時間，當前電價。

支持購電操作：

支持功能切換操作，IC卡/NFC/PLC/紅外/LAN/攝像頭/RS485；

支持顯示錯誤信息，提示用戶下一步操作；

支持視頻短片播放，廣告/警告/操作培訓。

3.1.5 語音功能

支持觸摸按鍵聲音，提示用戶按鍵成功。

支持語音導航，引導用戶辦理相關業(yè)務。

支持警報，操作以外中斷，工作不正常。

3.1.6 ESAM安全模塊交互功能

可以通過ESAM模塊完成與電能表安全驗證，并傳遞有效數(shù)據(jù)。

3.1.7 購電IC卡的讀寫功能

可以實現(xiàn)對購電IC卡的文件讀取，寫入操作。從而實現(xiàn)本地信息查詢，遠程電費寫入購電IC卡中。

3.1.8 NFC近場通信功能

通過帶NFC功能的外設靠近終端感應區(qū)域，即可快速讀取當前用戶電能表數(shù)據(jù)。

3.1.9 二維碼和條碼掃描功能

通過掃描頭，可以掃描二維和條碼，實現(xiàn)業(yè)務的查詢功能。

3.2 硬件接口設計

（1）GPRS/WCDMA/ 通信接口，支持一張標準的GSM卡插入；

（2）一組RS485通信接口；

（3）一組RS232接口；

（4）一組紅外通信接口；

（5）支持一個PLC載波通信模塊接入；

（6）支持NFC近場通信接口；

（7）支持一張購電IC卡讀寫接口；

（8）支持一個LAN接口，方便接入互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)；

（9）外設和核心板交互才用RS232通信接口實現(xiàn)，通信規(guī)約采用DLT645-2007規(guī)約；

（10）終端的數(shù)據(jù)文件，如視頻文件，數(shù)據(jù)庫文件。和終端主站的交互將采用FTP方式進行傳輸；

（11）NFC通信接口將采用標準的ISO14443A協(xié)議；

（12）網(wǎng)絡接口LAN將采用標準的UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

4 終端關鍵技術研究

4.1 多模板兼容

整個系統(tǒng)是由多個功能模塊組合在一起，共同完成的功能。需要協(xié)調(diào)各個模塊的資源，硬件接口的兼容性，初始化時間，抗干擾性，以及容錯性，外設越多，造成的干擾就越大，系統(tǒng)的可靠性就越低，需要通過反復測試與驗證，確認和資源的平衡狀態(tài)，確保各個模塊正常工作。

應對措施：為了降低核心主板研發(fā)多模板兼容風險，我們選采購已經(jīng)成熟應用的主板，在確定主板技術參數(shù)符合終端的技術標準后，完善各模塊的驅(qū)動及功能。

4.2 ESAM安全模塊數(shù)據(jù)交互

需要研究完整的數(shù)據(jù)安全認證流程，但都是在線有效數(shù)據(jù)，才能通過認證，這給研發(fā)測試階段，帶來不小的麻煩，模擬測試數(shù)據(jù)無法通過驗證。需要計量中心協(xié)調(diào)資源進入測試與驗證。

應對措施：協(xié)調(diào)計量中心、內(nèi)江公司為終端研制提供必要的集中器、采集器、智能電表物料，完成終端的在線測試。

4.3 NFC近場通信

近距離通信存在主從關系，一般來講手機自帶的NFC是屬于主機，被讀標簽屬于從機，標簽的內(nèi)容一般是固定的，內(nèi)部存儲空間也很小，所以要實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸，需要實現(xiàn)基于手機內(nèi)置NFC芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳送的功能，且NFC通訊數(shù)據(jù)采用加密方式傳輸。

應對措施：為保障NFC近場通信功能研究順利完成，我公司已經(jīng)計劃在項目啟動就開展NFC近場通信的通信功能研究和實驗，特別是針對NFC的雙向通信功能進行研究。

4.4 網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)安全性

出于安全考慮，系統(tǒng)不集成藍牙和WIFI功能，因為這兩種方式基本上把網(wǎng)絡公開了，會對安全造成極大的潛在威脅，LAN口有線連接和GPRS通信則不會存在上述。它們走的數(shù)據(jù)信道都是通過了加密處理的專用VPN通道。

應對措施：在網(wǎng)絡通道選擇上，我們選擇LAN口有線連接和GPRS通信避免網(wǎng)絡公開，且網(wǎng)絡通道為采集VPN通道或國網(wǎng)公司安全接入平臺。一般數(shù)據(jù)傳輸通過加密處理，電費下載等智能電表數(shù)據(jù)傳輸遵循智能電表數(shù)據(jù)安全策略。

4.5 支付安全性研究

用戶充值購電需要一套安全策略，包含用戶信息保護、用戶支付帳戶、支付額度、電費下載等安全保護內(nèi)容。

應對措施：

（1）避免信息泄露；

（2）避免用戶輸入敏感信息；

（3）避免大額支付；

（4）支付方式采用成熟第三方支付接口；

（5）不在終端上實現(xiàn)支付，支付方式使用手機App在線支付。

5 總結(jié)

本文設計實現(xiàn)了設計實現(xiàn)集中實現(xiàn)智能電表購電.充值.寫卡.信息查詢等功能于一體的多功能服務終端，討論了多功能互動服務系統(tǒng)的設計方案、多功能互動終端的硬件設計、并對服務系統(tǒng)所涉及到的關鍵技術問題進行了分析并提出了相應的解決方法。論文中設計的終端能夠有效的解決當前用戶需求與當前的各種終端設備使用復雜的矛盾問題。具有很好的推廣和實用價值。

本文中討論的多功能互動終端后期將結(jié)合手機APP，實現(xiàn)集物業(yè)服務，信息發(fā)布，家庭安防，便民信息查詢的智能社區(qū)增值服務，打造全方位的O2O社區(qū)生活平臺。社區(qū)居民通過與多功能互動終端的互動不斷提升了生活的質(zhì)感，讓生活變的更智能。同時智慧城市是下一代城市的發(fā)展方向，未來城市將遍布各種芯片和傳感器，智能傳感設備將城市公眾設施物聯(lián)成網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)完全連接和融合，將數(shù)據(jù)整合，為城市運營核心系統(tǒng)提供智能的基礎設施。多功能互動終端將插上能源互聯(lián)的翅膀，利用相關新技術成果建立水表、電表、暖表和氣表四者溶為一體的能源互聯(lián)控制系統(tǒng)，充分利用本項目已建成的電力系統(tǒng)通信信道，由多功能終端將采集到的水、電、氣、暖表的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心；各管理部門也將各自的命令數(shù)據(jù)通過多功能終端和能源路由器下發(fā)到各自的計量表。它跨越了水、電、氣、暖管理分離的障礙，突破了水、電、氣、暖各自獨立管理的壁壘，在相關技術的支持下，實現(xiàn)了資源共享，完成水表、電表、暖表和氣表的自動抄表控制工作。既彌補了目前抄表工作中存在的諸多缺陷和使用不便，又很好的解決了多個管理系統(tǒng)的融合問題，很好的滿足了各自行業(yè)管理的現(xiàn)實需要，真正實現(xiàn)抄表收費、管理的自動化，為自動抄表系統(tǒng)開辟一條科學有效的新途徑，促使城市中的基礎設施等進入全新高速的智慧化發(fā)展階段。

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作者簡介

唐勇（1965-）男，重慶市人。研究生學歷。高級工程師，先后從事電網(wǎng)調(diào)度，電力營銷，農(nóng)電管理工作。曾擔任四川省電力公司營銷部電費電價處長，現(xiàn)任內(nèi)江供電公司副總經(jīng)理。

作者單位

1.內(nèi)江供電公司 四川省內(nèi)江市 641000

2.四川省電力公司計量中心 四川省成都市 610045