基于MQTT协议的无线WIFI三相 导轨表的设计与应用开题报告

随着我国经济的快速发展，社会上各行各业对电的需求越来越大，同时也随着智能电网建设的进一步推进，电子式电表已经有取代感应式电表的趋势，并逐步向“智能电表”过渡。电力计量类仪表适用于低压计量的交流电参数及有功电能、无功电能，具有测量精度高、性能稳定可靠、长寿命、重量轻、功耗低、操作简便、易于实现管理功能的扩展、一表多用等特点。可广泛应用于电力行业的电能测量及用电自动化管理领域，如楼宇、商场、会展中心、学校、机场、港口、工厂、写字楼及公共设施等场所。

电子式电表的种类繁多，这里着重研究导轨式电表。其采用标准DIN35mm导轨式安装，模块化设计，宽度与微型断路器匹配，可方便安装于电气柜、照明箱等内部，所以导轨式电能表具有体积小巧、精度高、可靠性好、安装方便等优点。虽然导轨表体积小，但也必须符合国标GB/T 17215、GB/T 17883和电力行业标准DL/T614对电能表的各项技术要求，从国内电表厂家的产品来看，大部分电表特点有：1）采用LCD显示，测量电能及其它电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，并具有电能脉冲输出功能。2）RS485通信接口支持MODBUS RTU和DL/T645双通信规约与上位机实现数据交换。该类仪表广泛适用于各种控制系统、能源管理系统、变电站自动化、配变网自动化、小区电力监控、工业自动化、智能型配电盘和开关柜，包括使用在发电厂、水电站等用电管理自动化系统中。

二、国外产品现状

从国外看那些做电表的厂家兰吉尔、EDMI等公司的产品，也是一款集测量记录、LCD屏幕显示、通信于一体的电力仪表，可以测量电网电压、电流、有功功率、功率因数以和频率，并能计量正反向有功电能；符合IEC62053-21国际标准中1级和2级静止式交流有功电能表的相关技术要求。也是采用RS485通讯接口与上位机实现数据交换，参与用电自动化管理。

三、存在的问题

从国内外厂家的产品综合来看，目前都是采用的RS485接口。不能满足日益变化的市场，在网络发达的今天，越来越多的产品要求万物互联。现在也都提出物联网概念，物联网(Internet—of—Things)，它与电子技术、能源、医疗、交通、零售、物流、工业制造等行业紧密相关．物联网应用中，需要将具备信息感知和通信能力的模块嵌入到相关设备中，使其能连接到因特网或企业网络之上，实现互联互通；其次，互通的设备不仅需要采集信息、实现智能的感知，还要结合先进的信息处理、数据挖掘等手段，与业务应用相结合，从后台到前端设备，实现智能的控制。

四、方案的拟定与分析

在无线网络无处不在的情况下，如果导轨表里采用wifi通讯模块，使导轨表接入网络，能够给客户带来更优质的体验，数据的时效性、数据的安全性都有很大的提升。

产品连接网络后，就要有数据的传输协议，从目前的市场来看，最好采用的是MQTT协议。MQTT（message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输）协议采用发布 / 订阅（Publish/Subscribe）的通讯方式，其设计思想是开放、简单、轻量，易于实现；可用于连接大量的远程传感器和控制设备．在低带宽和不可靠的通信并且占用较少内存的设备上，专业化的应用程序可采用MQTT协议，支持用户使用已发布的协议来编写自己的客户机。MQTT支持TCP／IP的不同类型设备上实现，例如：计算机、移动设备（智能手机、平板、PDA）、计算机能力有限的传感节点等，可以不用OS或者在不同的OS环境下实现，包括：Windows、Linux、Android等；MQTT组织提供不同语言的开发包，目前已有C、JAVA、Python等；MQTT可以在带宽受限的不可靠通信网络实现数据在数据生产者和使用者间有效传输，具有以下几项特性：

(1)使用发布／订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；

(2)对负载内容屏蔽的消息传输；

(3)使用TCP／1P提供网络连接；

(4)有三种消息发布服务质量：“至多一次”和 “至少一次”，能确保消息到达，“只有一次”，确保消息到达一次．这个特性保证在计费系统中，消息不会重复或丢失而导致不正确的结果．

(5)小型传输，协议交换最小化，以降低网络流量；

(6)使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

以上MQTT协议具有优质的特点，能使其迅速被越来越多的物联网设备所采用。

 同时在互联网通讯要考虑到数据的安全性，也必须有数传输的安全协议，目前这种安全套接层SSL协议是一个工作于TCP/IP协议栈的传输层之上的安全协议。该协议向基于客户机/服务器应用程序提供客户端和服务器的①保密性、②数据完整性和③身份认证等方面的安全服务。SSL协议即可使用对称加密技术，也可使用公钥加密技术对所要传送的数据进行加密。该协议还要求在握手交换数据时进行数字认证以确保用户的合法性，其采用Hash函数和机密共享机制来提供信息的完整性服务。而TLS协议的优势是与高层的应用层协议（如 、FTP、Telnet等）无耦合。应用层协议能透明地运行在TLS协议之上，由TLS协议进行创建加密通道需要的协商和认证。应用层协议传送的数据在通过TLS协议时都会被加密，从而保证通信的私密性。所以本产品从数据安全性采用了TLS加密。

B. ^范文提纲格式

摘   要

第一章  绪论 

1．1  课题背景 

1．2  课题的目的和意义

      1．2．1  课题的目的 

      1．2．2  课题的意义 

第二章 三相导轨表硬件设计

2．1  整体方案设计

2．2  主控芯片、wifi模块的选择

      2．2．1  MAX71335C、HC32F460芯片的简介与优势 

      2．2．2  HF_LPT230 WiFi模块简介

2．3  硬件电路设计

      2．3．1  采样电路与主控电路设计 

      2．3．2  按键与显示电路设计

      2．3．3  光电接口、wifi模块通讯电路设计 

      2．3．4  存储电路设计

2．4  本章小结

第三章 三相导轨表软件设计

3．1  软件设计

      3．1．1  软件开发平台IAR、Cross Works for MAXQ30

      3．1．2  软件设计流程

3．2  主程序设计

3．3  初始化子程序设计

3．4  计量程序设计

3．5  按键处理与显示程序设计

3．6  wifi通讯连接初始化、数据处理程序设计

3．7  MQTT通讯协议程序设计

3．8  TLS数据加密协议程序设计 

3．9  本章小结     

第四章 三相导轨表性能测试、功能测试及实验

4．1  性能测试指标与要求、测试结果

4．2  功能测试

      4．1．1  导轨表瞬时量、电量测试

      4．1．2  导轨表按键液晶显示测试

      4．1．3  wifi连接与MQTT服务器建立等测试

      4．1．4  MQTT发送数据与数据加密等测试

4．3  本章小结

第五章 总结与展望

5．1  工作总结

5．2  展望

      

C. 参考文献

[1] 任致程 周中. 《电力电测字仪表原理与应用指南》：中国电力出版社

[2] 陈学珍 . 交流采样的设计与实现，《微计算机信息》 2006（000）03S

[3] 毕博 陈建锋. 《电气时代》2012年第11期. 

[4] 龚刚军 孙毅 蔡明明. 面向智能电网的物联网架构与应用方案研究[J].电力系统保护与控制，2011年，39（20）. 

[5] 谭方勇 王昂 刘子宁. 基于Z igB ee与M Q T T 的物联网网关通信框架的设计与实现，《软件工程》2012年第11期. 

[6] 钟良骥 桂学勤，廖海斌，厉阳春. 基于MQTT的物联网平台设计与分析，《郧阳师范高等专科学校学报》2014年12月 第34卷第6期. 

[7] 周 超，陈建辉，骆绍烨. 物联网环境下   与 MQTT 通讯协议比较探究，《莆 田 学 院 学 报》2017年10月 第24卷第5期.

[8] 林浒，张家铭，杨海波. 基于 MQTT 协议的即时消息业务设计与实现[J]. 计算机系统应用，2017，26（3）：219-224.

[9] 闫露 邓浩江 陈晓. TLS协议现状与研究综述. 网络新媒体技术，2019年1月

[10] RFC5246, The transport layer (TLS) protocol version 1 .2 [S].IETF, 2008