智能系统搭台 电表与智能手机共舞

　　今天，智能手机正在进入几乎所有的市场，为消费者带来更高的智能和效率。消费者的期望已提高几倍，要求只按一下手机按键就能获得全部信息，这种需求刺激设计人员将智能手机集成到今天设计的各种系统。

　　今天的消费者特别关注能效，期望最大限度降低能量成本和相关的碳排放量。节能环保的高能效解决方案具有竞争优势，有助于维持生态系统模型可持续发展。

　　如何监测能耗和成本？

　　电能表已经从机械系统发展到电子式智能电表。现在智能电表不只监测家庭总用电情况，还监测每台家电的耗电情况。例如，目前市面上有些家电内置电表功能，可以监测家电的用电情况；智能插座可以监测所连电器的用电情况。有些智能电表提供某种网络通信接口，支持集中或远程抄表功能。

　　如何在智能手机上查看家庭用电信息？

　　在智能手机上显示用电数据，文本信息是最容易的实现方法。但是，需要长期监测用电情况时，文本信息不是很方便；如果用户想要查看图表数据，文本信息就有一定的局限性。

　　有什么解决方案？

　　近距离通信（NFC）是新兴的智能手机连接技术，让手机用户能够短距离（几厘米）交换数据，NFC标签无需电源即可与NFC设备交换数据。

　　NFC设备与近距离（13.56MHz）射频识别（RFID）标签和非接触式智能卡共用基础技术。国际标准化组织/国际电工委员（ISO/IEC）、欧洲电信标准化协会［ETSI］和欧洲信息通信系统标准化协会（ECMA）已接受了这个标准。NFC读写器与NFC标签之间通信距离小于4cm，NFC标签与NFC读写器之间或两个NFC设备之间可交换数据的有效负荷。

　　这项技术可方便用户取存智能电表的用电数据。NFC智能手机可读取NFC标签（NFC被动器件）内的数据，然后消费者可在手机上查看用电分析曲线和其它的电表信息。

　　如何才能让智能电表有一个简单的NFC接口？

　　今天市场有一种叫做双接口电可擦除编程只读存储器（EEPROM）［3］，这种创新的RFID产品能够通过I2C总线连接任意微控制器，使智能电表解决方案内具有NFC接口。主设备可通过I2C或RFID接口对双接口EEPROM进行读写操作。当智能电表采用了这种双接口EEPROM，智能手机可直接读取固定时期内的用电数据，然后以图示方式解释并显示用电数据，以便用电户了解用电情况。

　　如何设计智能电表？

　　当我们在智能电表内安装一个双接口EEPROM时，该EEPROM就像一个NFC-V 类的NFC标签，并支持ISO 15693标准。电能表在双接口EEPROM上连续记录每个月的用电信息和其它的重要的用电数据。安卓应用程序可以读取每月的用电数据，通过图表方式比较用电情况。下面我们详细介绍我们为上述需求研发的应用软件。

　　意法半导体的电能表平台

　　意法半导体有多个单相或多相电能表参考设计。电能表工业正在从基本设计转向以宽范围高精度电流测量、快速数字校表、防数据篡改、防电表篡改为特色的先进电能表。为满足这些市场需求，意法半导体推出一个电子电能表参考设计平台，下面的功能示意图描述了这个智能电表平台：

　　图1：智能电表

　　STEVAL-IPE020V1：

　　STEVAL-IPE020V1是一个基于STPM10电表芯片和STM8L152C6微控制器的单相电能表，内置 M24LR64双接口EEPROM存储器。这是一个全功能的单相电表解决方案，配备参数显示器、防电表篡改管理、最大需求（MD）计算、双接口（射频（RF）和集成电路互连（I2C） ［5］） EEPROM数据记录和低功耗管理。这个电能表支持 IEC 61036:1996 + A1： 2000， static meter for active energy class 1 for Ib=10 A国际标准。此外，该电能表还有多个防电表篡改检测功能：无地线和零线、极性反接、机箱篡改和磁性篡改。

　　图2： STEVAL-IPE020V1内置双接口 EEPROM的单相电表

　　系统功能示意图：

　　图 3： STEVAL-IPE020V1单相电能表功能框图

　　框图描述了系统架构：

　　STM8L152C6T6：意法半导体的超低功耗微控制器［MCU］，负责所有的数据管理和电源管理任务，功耗比同类产品低很多，内置用于数据和时间管理的实时时钟 ［RTC］。

　　STPM10BTR：可编程单相电能表芯片［IC］通过一条三线串行外设接口［SPI］与微控制器相连。STPM10电表IC提供有功电能、视在电能、瞬间电压电流和自动校表功能。

　　双接口EEPROM M24LR64-RMN6T/2：通过I2C总线与微控制器相连。这是一个双接口的EEPROM， 既可以通过I2C总线（有线）与I2C设备通信，又可以通过RF射频接口（无线）与RF读写器（NFC智能手机）通信。该存储器可记录连续7个月的累计用电量、最大需求、平均功率因数和防电表篡改信息等各种重要参数。

　　电表应用软件

　　电表应用软件基于安卓平台，提供用户友好界面，能够通过NFC技术与内置双接口EEPROM的电表主板通信。

　　电能表内置的双接口EEPROM起到RFID （射频识别）标签的作用。双接口EEPROM从电表采集累计用电量、最大需求、平均功率因数和防电表篡改信息等各种重要参数，并将其存储在指定存储位置。

　　图4： NFC手机正在与电表内的双接口EEPROM通信

　　应用软件安装与启动

　　电表应用软件是.apk文件，可从Google Play下载。下载完成后，安装到安卓手机上。注意，安装该软件的安卓手机须支持NFC通信功能。

　　应用软件

　　从主菜单内选中应用软件按钮，即可启动该应用软件。该软件还提供一个帮助的幻灯片放映。软件启动后，立即开始搜索NFC标签。如果没有标签，则信号图标为红色；如果发现标签，则信号图标变成绿色。

　　图5： 未发现NFC标签

图6： 发现NFC标签

　　配置电表

　　这个菜单让供电公司输入电表厂商、电表型号、序列号、硬件版本、固件版本、产地，并通过NFC保存到双接口EEPROM内。当NFC手机接近NFC标签且信号图标变绿色时，这些配置数据将保存到双接口EEPROM的指定单元内。

　　读电表数据

　　将数据从电表下载到智能手机是这个电表应用程序的一大亮点，用户可使用这个应用软件下载每个月的用电数量、电表篡改次数、最大用电需求。

　　为从电表成功地下载数据，用户需要把手机靠近双接口电表的EEPROM，然后通过该应用软件下载电表数据。在开始下载前，确保手机信号图标变为绝色。当数据下载完成后，该应用程序提供不同的选项，让用户了解电表记录的用电量，比较6个月的用电数据和其它信息。

　　关于电表

　　用户可用这个选项随时读取电表基本信息，从手机上查看电表厂商、产地、型号、序列号和固件版本、制造日期。

　　比较月度用电数据

　　比较月度用电数据是该应用软件的一大特色，通过图形帮助用户轻松比较六个月的用电数据，绘制6个月的累计用电量、最大需求记录、累计用电月、平均功率因数记录、断地线篡改电表次数、反接篡改电表次数、 断零线篡改电表次数、表箱篡改电表次数的图表。

　　不同用电数据的图表可以缩放或水平移动，让每个人都能得到最好的查看体验。下图是一个用电数据图形。

　　图 7： 安卓应用显示的最大用电需求柱形图

　　其它信息

　　应用软件还提供其它信息功能，例如，装表日期、上一次维护日期、校表日期、过流日期、断电日期和累计用电总数的文字信息。

　　安卓智能手机电表软件是一个很有用的方便的电表解决方案，让用户在几秒内在手机上查看电表数据，随着越来越多的安卓智能手机上市，更多的消费者将通过这样的应用软件在手机上查看电表的实时数据，并将其保存到手机存储器内。

        作者：意法半导体公司Neha Kochhar, Raunaque Mujeeb, Alok Kumar Mittal, Vikas Kumar Sinha
 

本文转摘自电子发烧友网《智能系统特刊》6月刊
 

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