对Android平台的智能低压配电终端的研究

(河北工业大学信息工程学院，天津 300401)

0 引言

智能电网[1-3]是未来电力系统的发展方向，其发展的主要目标是实现电能的合理配置，促进节能减排与可持续发展。为了适应智能电网和用电管理模式发展的需要，以高级计量结构(advanced metering infrastructure,AMI)模型为基础，基于3G/4G移动通信网络接入方式，研究开发了集双向电能计量、电能质量监控和用电保护等功能于一体的网络化智能低压配电终端。该终端采用全数字化结构，拓展传统低压配电箱的线路保护和电能计量计费功能。

智能低压配电终端采用Android操作系统的原因如下：为了适应智能终端的发展趋势，采用Android操作系统实现物联网是未来电力系统的发展趋势；该智能低压配电终端要屏蔽底层硬件的差异，当需要改进某项功能或添加一项新的功能时，用户只需更换或开发软件就能实现；为了降低开发难度，实现软硬件分离。

1 硬件结构模型

本智能低压配电终端以AMI模型为基础，将智能电表和线路保护功能集于一体，并且以嵌入式Linux平台为核心，采用全数字化的形式来实现线路保护控制、远程网络通信、智能化计量计费和本地人机操控等功能。其硬件结构模型如图1所示。

图1 智能低压配电终端硬件结构模型图

由图1可以看出，与传统低压配电箱相比，该智能低压配电终端取代了传统的机械/电子式电能表，将线路保护和电能计量两个功能模块合二为一，使得其结构更为紧凑、性能更强，并能有效降低成本。

线路保护控制功能主要由数字式脱扣器来实现，机械式脱扣器只在数字脱扣器无法正常工作时起辅助保护作用。而在实际系统中，为了简化系统结构，通常将机械和数字脱扣器合二为一。

远程无线通信接口采用3G模块接入3G网络的方式进行通信。

智能化电能计量和计费功能在硬件上采用专用的高精度电能计量芯片来提高计量精度。该计量芯片将电能测量结果转换成对应的脉冲串，微处理器再对脉冲进行计数来实现电能计量。

计费与电能计量同步进行，根据预先确定的计费方式与费率(与时段、负荷大小等因素有关)，在计量电能的同时计算实时电费总额；再根据用户交费情况，把电费总额分为已缴和代缴两个部分。

2 功能模型分析

智能低压配电终端作为传统低压配电箱的替代产品，采用全数字化结构，全方位地拓展传统低压配电箱的线路保护和电能计量计费功能。为了满足电能的信息化、精细化和科学化的管理要求，该终端还应该具有一定的网络通信功能，能方便地实现远程配置、远程监控和远程用电管理，并且可以对传统低压配电箱的各种功能进行拓展和完善。此外，还可以添加一些全新的功能。

智能低压配电终端的功能模型如图2所示。

图2 智能低压配电终端的功能模型图

当前，电能分配与使用的管理模式正在由粗放型向集约型转变，为了适应这一发展的需要，该配电终端采用模块化结构，具有良好的软硬件可扩展性，而且支持远程配置和软件更新。配电终端主要包括测量计量、远程无线网络通信、智能保护和控制这五大功能模块。

① 智能保护模块：处理和分析获取的实时测量数据，完成各种智能保护功能，具体保护功能和参数可以根据实际需要进行配置。

② 控制功能模块：负责接收远程/本地指令，实现线路分合、负荷控制、故障报警与复位等。

③ 远程网络通信模块：采用3G移动通信网络接入，实现双向通信功能，一方面将配电终端采集的各种数据和运行状态信息实时传输到远端数据库；另一方面也能接收远端发来的控制和设置命令，完成时间同步、远程控制、远程配置和更新等任务。为了防止非法访问，远程通信模块还需进行必要的数据加密和用户权限控制。

④ 测量计量功能模块：负责监测无人看守条件下的非法入侵和窃电等行为，检测线路参数和系统运行状态。为适应用电管理以及分布式发电发展的需要，设置了分时双向电能计量功能。

⑤ 系统管理模块：对本系统和其他功能模块进行综合管理，包括图形化人机界面、本地功能和参数的配置、固件与软件更新、电源和运行模式管理、用电信息查询等。

3 软件平台

3.1 平台的选择

目前，市场上流行的Android操作系统[2]是一种基于Linux的嵌入式操作系统。Android操作系统有以下四个方面的优势：第一，屏蔽了底层硬件差异，可以在不同的硬件平台上为应用软件提供一个基本无差异的开发和运行环境；第二，具有良好的可扩展性，可根据需要增删相应的软件模块，而无需更换硬件平台；第三，硬件开发和应用软件开发相互独立，降低了开发难度，不同的供应商的硬件平台和应用软件模块可以进行系统集成，以充分引入市场竞争，降低软硬件成本，促进新技术的应用；第四，目前Android系统已经广泛应用于智能终端。因此，本文采用基于Linux的Android操作系统来实现智能低压配电终端的应用软件的设计。

3.2 Android平台的体系架构

Android系统架构[4-6]从上到下分为：应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层、Linux核心层。

① 应用程序层：所有的应用程序都是用JAVA语言编写的，许多开发出来的程序也都是运行在应用层上的。

② 应用程序框架层：开发者通过使用核心应用程序来调用Android框架提供的API，这个应用程序结构被设计成方便复用的组件。任何应用程序都可以公布它的功能，其他的应用程序可以使用这些功能。该应用程序重用机制使用户可以方便地替换程序组件。

③ 系统运行库层：用户空间部分为系统运行库层，包含了系统库和运行时库两种。系统库包含了一套C/C++函数库，主要包括lib、 Media Framework、WebKit、SGL、open GL、Free Type等，它们被应用于Android系统的各种组件中。运行时库可以分为核心库和Dalvik虚拟机。核心库提供了JAVA语言核心库的大部分功能，主要是提供JNI接口实现应用程序框架层和底层驱动之间的通信。Dalvik虚拟机可以提高程序的运行效率，它执行的是.dex的可执行文件，.dex对最小内存使用做了优化。

④ Linux核心层：可以完成驱动程序的设计，从而为系统提供底层服务。

Android操作系统的体系架构图如图3 所示[3]。

图3 Android 系统架构

3.3 应用软件的开发

3.3.1 加载功能

在上节中介绍了Android的系统架构[7-8]，本节主要介绍基于Android系统架构的功能模型中各功能的实现。但要实现功能模型中的功能，应用程序之间必须进行通信，而且还必须和底层硬件进行通信。Android系统架构中的JAVA应用程序框架层提供了各种服务及管理器，用于实现对用户空间的管理。而用户空间的JNI即是可以在JAVA和C之间进行通信的工具。JNI一开始是为了C/C++语言而设计的，但是也可以使用其他语言。通过使用JNI书写程序、JAVA代码和其他语言之间进行交互，可以确保代码在不同的平台上进行移植。所以各个模块功能的实现与JNI是密不可分的，具体介绍如下。

(1) 线路保护与控制功能的实现

① 内核空间：电压/电流传感器驱动，对采集线路的电压和相/零线电流进行数字采样量化；脱扣器检测驱动，对脱扣器的状态进行检测。

② 用户空间：简单功能放置在内核驱动层，然后在硬件抽象层(HAL)进行核心功能的处理，对数字量、状态量进行数据封装转换。当线路运行状态达到预定的脱扣阈值时，微处理器发出脱扣信号，控制数字脱扣器切断线路，从而实现线路保护功能，并将脱扣器的状态告知上层。

运行时库进行HAL层接口的调用，根据JNI编写规范及线路保护和控制功能模块需要的参数编写JNI函数，并给系统框架层提供接口。

系统框架层实现配电终端管理服务，对JNI函数进行调用，对底层告警进行监听。

应用程序进行服务类的实例化调用，进行UI设计，并将数据存入数据库进行管理，用户还可以对一些保护功能需要的参数进行设置，如短路保护中的最大电流、过载保护中的最大负载、过压/欠压保护中的电压。

(2) 智能化电能计量与计费的实现

① 内核空间：根据电能计量模块的功能需求，选择一款适用于该智能低压配电终端计量功能的双向电能计量芯片，并编写底层测量计量功能模块的驱动程序。

② 用户空间：测量计量的简单功能放置在内核驱动层，然后在硬件抽象层(HAL)进行核心功能的处理，对电量、电费、电价等数据进行数据封装转换。

运行时库进行HAL层接口的调用，根据JNI编写规范及线路保护和控制功能模块需要的参数编写JNI函数，并给系统框架层提供接口。系统框架层实现配电终端管理服务，对JNI函数进行调用，对底层告警进行监听。

应用程序进行服务类的实例化调用，并设计人性化的UI界面，可以方便用户查询自家的用电量及供电量(两种电量分别计量)、耗电费用及供电所得费用，还能查询某一时刻的电价、峰时用电量及谷时用电量，从而改善自家用电模式，达到节约用电的目的。另外，当电费达到设定的阈值时，能通知用户当前电费不足，当欠费时能自动断电，当缴费后可继续用电。

(3) 远程网络通信功能的实现

远程通信模块采用3G移动通信网络接入，实现双向通信功能。

① 内核空间：根据3G模块的功能要求，编写驱动程序。

② 用户空间：可以设计应用程序来发送各种电能信息数据；3G中的RIL层的功能类似Android中的应用程序框架层，可以对应用程序层发送的数据进行打包及传输，除此之外，AT命令的发送及response的解析也由RIL负责。3G中的RILD层类似Android中的系统库层，为RIL层已经打包好的数据提供将数据转换成AT命令的标准库，然后发送给3G模块；3G模块可以反馈信息给应用层处理。

(4) 系统管理功能

设计人性化的系统管理界面便于系统管理,实现对保护及控制等模块的管理、参数配置及软件更新。同时用户也可以查询某一时段的用电量及供电量的信息。

在Android系统[7-10]中利用各种组件及该模块与其他模块之间的通信编写底层C程序，并为上层预留接口，编写系统管理功能模块的JNI文件，调用底层的接口，将参数传递到JAVA层，从而在界面上加以显示。根据这一时段的用电量及该时段所用的电器情况，做出判断，找出耗电最大的电器，从而改善家里的用电模式，达到节约用电的目的。

3.3.2 UI设计

应用软件的开发分为功能实现与UI界面设计两部分。上一节中讲述了功能实现的设计过程，本节则讲述UI界面的设计过程。

本课题的UI界面[9-10]的设计要充分考虑用户的需求，主界面上必须能够直观显示出当前智能低压配电终端的工作状态、用户当月用电量、当前电费余额的信息、当前合/分闸的状态及当前时刻的电价信息。

主界面底端要用tabHost容器来设计标签，主要有三个标签，分别为Menu、网络及home。当用户触摸Menu键，进入下一级的ListView菜单项。点击ListView中的各个菜单项，可以分别进入下一级Activity。其中“设置”菜单可以对电流参数、电压参数、漏电保护电流、最大负载、电价等进行设置；“用电统计信息查询”则可以查询历史信息和当前用电信息。由于该配电终端集双向电能计量与保护功能于一体，所以在该项中可以查询用电量及供电量的信息；“电能质量实时监控”可以监控电压允许偏差、频率偏差、电压波动等信息；“故障检测”可以对当前故障进行检测，并针对不同的问题提供不同的解决方法。

4 结束语

本文针对智能电网建设的要求，提出了一种全数字化的智能低压配电终端，讨论了其功能模型、结构模型及Android中各功能的实现。该配电终端集线路保护和电能计量计费功能于一体，采用基于无线3G技术接入互联网，能进行远程配置，实现对低压配电线路和电力终端用户的远程监控和远程用电管理。作为传统民用低压配电箱的替代产品，智能终端可以显著提高电网的信息化和精细化管理水平，促进资源节约以及电能的合理分配，具有广阔的应用前景。

[1] 胡蜻.国外智能电网研究与应用[J].国家电网,2009(6):46.

[2] Thompson T.The Android mobile phone platform[J].The World of Software Development,2008,33(9):40-47.

[3] 陈金凤.一种基于Android的视频监控系统的设计与实现[D].上海:上海交通大学,2012.

[4] 林菡密,钱言.基于android的电子商务终端设计[C]∥Proceedings of the Conference on Web Based Business Management,WuHan,2010.

[5] 姚昱旻,刘卫国.Android的架构与应用开发研究[J].计算机系统应用,2008(11):110-115.

[6] 宋小倩,周东升.基于Android平台的应用开发研究[J].软件导刊,2011(2):104-106.

[7] 吴想想.基于Android平台软件开发方法的研究与应用[D].北京:北京邮电大学,2011.

[8] 郝玉龙.Android程序设计基础[M].北京：清华大学出版社&北京交通大学出版社,2011：12-18.

[9] 李宁.Android开发完全讲义[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2012.

[10]李兴华.Android开发实战经典[M].北京：清华大学出版社,2012：8-11,253-303.