基于單片機(jī)的智能抄表系統(tǒng)

王 磊，劉景霞

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 概述

自動(dòng)抄表系統(tǒng)是多年來人們致力用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄讀水、電、氣表使用量的智能化系統(tǒng)。完善的自動(dòng)抄表系統(tǒng)可以極大的方便人們的日常生活以及能源管理部門的工作，同時(shí)提高能源的有效分配和利用。

1.1 課題的研究背景

在電力工業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，各個(gè)部門對(duì)信息技術(shù)的需求也在日益增多，高科技信息技術(shù)的注入為電力事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)和保障，它滲入到電力系統(tǒng)的各個(gè)部門、各個(gè)環(huán)節(jié)，為了能夠更好地為經(jīng)營(yíng)決策提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電力部門數(shù)據(jù)的信息化和自動(dòng)化勢(shì)在必行。與此同時(shí)在電力企業(yè)抄表出現(xiàn)同樣的問題。

現(xiàn)行抄表收費(fèi)管理模式：人工抄表收費(fèi)方式、IC卡收費(fèi)方式、自動(dòng)抄表收費(fèi)方式。但由于我國(guó)國(guó)情，高成本的IC卡收費(fèi)方式和自動(dòng)抄表收費(fèi)方式難以在落后地區(qū)實(shí)施應(yīng)用，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)用戶電表數(shù)據(jù)抄收工作還完全是人工上門抄表完成人工操作雖然容易實(shí)現(xiàn)和管理，但是不可避免地也會(huì)遇到很多問題，如效率低下，工作人員數(shù)量需求大，工作量多，完成的任務(wù)卻有限；錯(cuò)誤率高，人工操作往往存在很多漏洞，使用戶或電力公司遭受巨大的損失；難以監(jiān)控，對(duì)偷電漏電現(xiàn)象，很難采取有效的方法進(jìn)行監(jiān)控、取證；顯然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能適應(yīng)電力體制的改革，也直接阻礙了諸如分時(shí)電價(jià)運(yùn)營(yíng)、預(yù)支電費(fèi)等先進(jìn)管理模式的推行。特別是在我國(guó)信息化技術(shù)的普及之后，人工抄表的方式顯得日益落伍。同時(shí)，對(duì)于電力企業(yè)部門，也希望新技術(shù)的發(fā)展能夠解決他們實(shí)際工作當(dāng)中遇到的抄表難、收費(fèi)難、準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障的問題，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)的減員增效，降低用電成本，緩解抄表人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人為因素造成的抄表誤差，從而實(shí)現(xiàn)既方便用戶，又提高公用事業(yè)部門的工作效率、管理水平，對(duì)于加強(qiáng)用電管理，防止國(guó)家電力資源的流失等現(xiàn)象都具有積極的意義。自動(dòng)抄表技術(shù)就是在技術(shù)與管理兩方面函待進(jìn)步、改革的迫切下需求應(yīng)運(yùn)而生的，伴隨信息化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，日益受到關(guān)注。

1.2 自動(dòng)抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀

自動(dòng)抄表，簡(jiǎn)稱 AMR（Aut0matio Meter Reading），是利用電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)及通訊等技術(shù)，通過專用設(shè)備對(duì)表計(jì)進(jìn)行讀取及數(shù)據(jù)處理的過程。自動(dòng)抄表系統(tǒng)（AMRS）是不需要人員到現(xiàn)場(chǎng)，就能完成抄讀用戶電能數(shù)據(jù)并分析、統(tǒng)計(jì)的智能化管理系統(tǒng)。電子式電能表的發(fā)展起始于20世紀(jì)70～80年代，當(dāng)時(shí)日本己經(jīng)研制出一些電子式電能表，但是由于組裝電子式電能表的元件質(zhì)量問題，使電子式電能表在現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境下，其可靠性、抗干擾性方面表現(xiàn)出很多的弊病，這些弊病大大影響了電子式電能表的大規(guī)模推廣和應(yīng)用的進(jìn)程。1992年，埃及開羅配電公司開發(fā)出雙模式住宅電能監(jiān)視抄表系統(tǒng)，它是一個(gè)用于自動(dòng)記錄、獲取和處理電能消耗數(shù)據(jù)的完整系統(tǒng)，從而使抄表工作進(jìn)入到自動(dòng)化時(shí)代。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路與方案

2.1 采用GSM短信息抄表

GSM短信息抄表系統(tǒng)在用戶端安裝集控器和無線發(fā)射終端，將用戶的耗能數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)以短信息（SMS）的形式上傳到GSM網(wǎng)的SMS中心，SMS中心將接收到的數(shù)據(jù)通過專線傳遞給能源管理部門。GSM短信息抄表不占用話音通信的信道，費(fèi)用低。GSM網(wǎng)的覆蓋面幾乎遍及全國(guó)，故不需要建新基站，抄表不受距離和空間的限制。但每條短信息通信容量有限，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞和丟失現(xiàn)象，不適合在業(yè)務(wù)量大的系統(tǒng)中應(yīng)用。

通過AT90CAN128微處理器采集脈沖式機(jī)械表和脈沖式電子表輸出的脈沖信號(hào)并通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為用戶用電量并隨時(shí)更新內(nèi)存；通訊采用GSM/GPRS網(wǎng)的三頻通信模塊MC550682實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶端、管理層的信息交互；顯示采用ARM SBC2410V6，根據(jù)需要將結(jié)果在LCD屏上顯示。為了避免實(shí)時(shí)傳送產(chǎn)生大量費(fèi)用，本系統(tǒng)采用由系統(tǒng)采集、處理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在管理方發(fā)出調(diào)用指令時(shí)將數(shù)據(jù)以短信方式上傳。當(dāng)用戶端繳費(fèi)后，管理方以短信方式通知處理器更改內(nèi)部數(shù)據(jù)，并計(jì)算剩余電量，估算剩余使用時(shí)間后以短信方式通知用戶。當(dāng)系統(tǒng)預(yù)估預(yù)存電量不足一周使用時(shí)，以短信方式提醒用戶繳費(fèi)。并在剩余電量小于5度時(shí)自動(dòng)切斷電路，并提醒用戶。再次續(xù)費(fèi)后開啟電路。用戶端除接收短信外，還可以通過系統(tǒng)自帶顯示屏操作顯示剩余金額，剩余電量，累計(jì)用電量（自上次續(xù)費(fèi)后），系統(tǒng)預(yù)估剩余電量可用時(shí)間等信息。

2.2 系統(tǒng)總體方案

經(jīng)過方案論證與選擇，確定系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體方案

（1）電表。在本系統(tǒng)中，電表處于最底層，其工作由已有的智能表來完成。該表用于實(shí)時(shí)采集用戶的用電氣數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，直觀的顯示在表身的液晶屏上。智能表的接口采用RS一485標(biāo)準(zhǔn)的串行電氣接口，每個(gè)智能表采集一路數(shù)據(jù)。

（2）采集器。傳統(tǒng)的采集器用于采集、計(jì)算脈沖表的脈沖數(shù)。而本系統(tǒng)采集脈沖的工作已由智能表完成，采集器僅用于收集智能表采集的數(shù)據(jù)，跟集中器的功能類似。這是由于RS一485總線上實(shí)際可帶的節(jié)點(diǎn)有限，采集器用于分擔(dān)集中器的節(jié)點(diǎn)壓力。對(duì)于低層居民樓和小高層，每層住戶一般不超過6戶，采集器采集三層約18戶的三表數(shù)據(jù)；對(duì)于高層建筑，每層住戶一般在10戶左右，采集器采集兩層約20戶的三表數(shù)據(jù)。采集的戶數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于有些地區(qū)采用復(fù)費(fèi)率進(jìn)行抄表，因此，本系統(tǒng)的采集器每個(gè)小時(shí)抄表一次。

（3）集中器。集中器處于底層通信的最頂端，用于對(duì)一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有用戶的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。在本系統(tǒng)中，高層建筑每棟樓安裝一個(gè)集中器，低層建筑幾棟樓共用一個(gè)集中器，總線鋪設(shè)距離短，減少了施工難度，投資成本也得以降低。通過與采集器通信，集中器對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有智能表的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。系統(tǒng)可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小，靈活設(shè)定集中器為每個(gè)小時(shí)抄表一次或每幾個(gè)小時(shí)抄表一次。

（4）主站。主站設(shè)在各能源管理部門，用于遠(yuǎn)程抄收、管理所有用戶的能耗數(shù)據(jù)。主站由PC機(jī)組成，通過軟件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和系統(tǒng)的管理監(jiān)測(cè)等功能。

2.3 主控制器

（1）AT90CAN128微處理器。AT90CAN128是一款低功率CMOS 8位的微處理器，它是基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的。在一個(gè)時(shí)鐘周期里執(zhí)行強(qiáng)大功效的指令，AT90CAN128可完成1 MIP每MHz的吞吐量，從而讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可對(duì)進(jìn)程速度進(jìn)行優(yōu)化功率消耗。器件運(yùn)用Atmel公司的高密度非易失的存儲(chǔ)技術(shù)制造。片上ISP FLASH允許程序存儲(chǔ)器被一個(gè)常規(guī)的非易失的儲(chǔ)存編程器或者一個(gè)在AVR內(nèi)核上運(yùn)行的片上啟動(dòng)程序，通過一個(gè)內(nèi)部SPI串行接口來重新編程。啟動(dòng)程序能用于任何接口在應(yīng)用FLASH儲(chǔ)存器里來下載應(yīng)用程序。當(dāng)應(yīng)用FLASH部分被更新時(shí)，在啟動(dòng)FLASH部分內(nèi)的軟件將繼續(xù)運(yùn)行，提供真正的讀寫操作。由于在一個(gè)單芯片上結(jié)合了一個(gè)帶有內(nèi)部可編程FLASH的8位RISC CPU，Atmel的AT90CAN128可說是一個(gè)強(qiáng)大的微處理器，為眾多的嵌入式控制應(yīng)用器件提供了一個(gè)高度靈活和低費(fèi)用的解決方案。AT90CAN128 AVR可支持全套的編程和系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C編譯器，宏匯編，編程調(diào)試器/仿真器，電路仿真器和成套工具。

（2）MC55三頻通信模塊。MC55是一個(gè)GSM/GPRS網(wǎng)的三頻通信模塊，它可以工作在GSM 900 MHz，GSM 1800 MHz and GSM1900 MHz三個(gè)頻段，MC55 以 GPRS（class 10）標(biāo)準(zhǔn)為特色并且支持 GPRS編碼方案 CS-1、CS-2、CS-3和 CS-4。MC55包含了高性能GSM/GPRS應(yīng)用的所有解決方案：基帶處理器、供電電路、完整的無線電頻段電路（包括電源放大器和天線接口）、電源放大器是從供電電壓BATT+直接引出來的。MC55的軟件存儲(chǔ)在flash中，靜態(tài)RAM為GPRS連接提供了額外的存儲(chǔ)空間。該單元應(yīng)用程序的物理接口是通過一個(gè)板對(duì)板的連接器來實(shí)現(xiàn)的。它是由50個(gè)針腳構(gòu)成，用來控制該單元、傳輸數(shù)據(jù)和聲音信號(hào)、供電。MC55包含兩個(gè)串行接口（ASC0、ASC1），為綜合人機(jī)接口界面提供更大的適應(yīng)性。它提供了不同的聲音接口，每一種都是通過板對(duì)板連接器實(shí)現(xiàn)的：一個(gè)數(shù)字音頻接口（DAI）和兩個(gè)模擬音頻接口。通過使用AT命令可以實(shí)現(xiàn)后退、前進(jìn)等功能，也可以選擇不同的音頻模式。外部的雙頻或者三頻天線可以隨意連接到頂端的或者底部的連接器上。開啟MC55時(shí)，需要/IGT（Ignition）信號(hào)驅(qū)動(dòng)到接地電壓至少100ms，并且最少距離VDD的最后一個(gè)下降沿10ms，可以通過使用一個(gè)開漏極/集極驅(qū)動(dòng)電路避免電流流入該引腳。在電池供電應(yīng)用程序中，/IGT持續(xù)時(shí)間最少必須達(dá)到1s，這段時(shí)間中連接充電器并且可以從Charge-only模式轉(zhuǎn)換到Normal模式。

（3）SBC2410V6 電腦平臺(tái)。SBC2410V6 是一款基于ARM9、結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式電腦平臺(tái)，它基于三星公司的成熟ARM9處理器S3C2410A。采用6層板設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，是一款單板機(jī)和開發(fā)板兩用的嵌入式電腦平臺(tái)。SBC2410V6支持WindowsCE、ARM-Linux等高檔操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)都已經(jīng)具備了各種完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多任務(wù)機(jī)制、文件系統(tǒng)、基于窗口的圖形界面以及很多現(xiàn)成的應(yīng)用程序 （如瀏覽器、Web Server、Ftp/Telnet服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、各種圖片格式顯示、媒體播放等）等，因此開發(fā)更加簡(jiǎn)單、方便，更可以充分利用很多免費(fèi)的Linux軟件資源。同時(shí)SBC2410V6還設(shè)置了很多擴(kuò)展模塊，如多串口模塊、IDE硬盤轉(zhuǎn)接板（基于DMA方式）、矩陣鍵盤、USB hub、數(shù)據(jù)采集模塊、CAN總線、各種液晶顯示模塊等，借助于此，用戶可以更加快速的把產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

（4）LCD電壓選擇。當(dāng)跳線選擇5V一側(cè)的兩針時(shí)，將為L(zhǎng)CD模塊提供5V供電；當(dāng)跳線選擇3.3V一側(cè)的兩針時(shí)，將為L(zhǎng)CD模塊提供3.3V供電。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

由于該系統(tǒng)采用的是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，因此每家的表都有自己的地址碼。上位機(jī)可以查詢下位機(jī)，下位機(jī)也可以定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目的是一機(jī)（上位機(jī)）對(duì)多機(jī)（下位機(jī)）的通訊控制，其通訊軟件主要分為兩部分：上位機(jī)與下位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊軟件；單片機(jī)與GSM/MODEM的串行通訊軟件。

4 結(jié)論

對(duì)于電力部門來說，遠(yuǎn)程變電站抄表一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力。因?yàn)樽冸娬緮?shù)量眾多，地理位置分散，給工作人員帶來極大的不方便。電力公司也可利用GSM短信息抄表系統(tǒng)對(duì)各重要電力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，自動(dòng)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)并加以分析，還可進(jìn)一步進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或設(shè)備維護(hù)，可減少人力資源、縮短修護(hù)時(shí)間并節(jié)省專線建設(shè)成本。

[1]陳榮保.基于MODEM和單片機(jī)的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1999.

[2]王保義，孫淑琪.無線通信分布式電量自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].華北電力技術(shù)，1998，（1）.