基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線自動抄表與控制系統(tǒng)

[摘要]基于當前快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及智能電網(wǎng)的進一步建設(shè)對抄表技術(shù)提出了更高的要求，本文設(shè)計了無線自動抄表系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC系列單片機為核心搭建采集控制模塊，通過RS-485接口連接多功能智能電表，并將抄讀的數(shù)據(jù)保存到存儲器中，通過Zigbee無線采集模塊將數(shù)據(jù)定時上傳至數(shù)據(jù)中心或者采集終端。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、準確度強、數(shù)據(jù)傳輸速度快，在現(xiàn)實應(yīng)用中效果良好。

[關(guān)鍵詞]STC單片機；遠程數(shù)據(jù)抄讀；自動控制

現(xiàn)階段的人工抄表等方式存在諸多的缺陷不便，不但抄讀效率低、費時費力，而且準確性和及時性得不到有力保障，進而導(dǎo)致生產(chǎn)管理和技術(shù)決策方面得不到詳細準確的原始數(shù)據(jù)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的步伐加快和用電量的突增，電力部門和用戶對抄表設(shè)備質(zhì)量的要求越來越高，本文設(shè)計的采用無線抄表系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到抄表系統(tǒng)中，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的自動抄讀以及開關(guān)的遠程控制。

無線自動抄表系統(tǒng)（簡稱AMRS，Automatic Meter Reading System）主要由計算機軟硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計量設(shè)備等結(jié)合在一起的采集與傳輸裝置將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)，完成抄表和實時監(jiān)控的用電管理設(shè)備[1]。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

無線自動抄表系統(tǒng)的硬件部分包含由微處理器、Zigbee模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、時鐘模塊和電源模塊等部分。

系統(tǒng)工作原理：數(shù)據(jù)采集模塊采集到電表數(shù)據(jù)后傳輸?shù)轿⑻幚砥?，微處理器?jīng)過數(shù)據(jù)的提取，保存到數(shù)據(jù)存儲模塊，在管理部門需要的時候，將數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，管理部門可方便監(jiān)測，并周期性的對采集的數(shù)據(jù)匯總分析。系統(tǒng)也可以根據(jù)用戶需要實時將部分數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端。當發(fā)生異常情況時，如預(yù)購電量不足、通訊模塊網(wǎng)絡(luò)出錯、過電流、過電壓等，系統(tǒng)會向電力部門和用戶發(fā)送告警信號，當預(yù)購電量消費完時，微處理器會向執(zhí)行模塊發(fā)送命令信號使整個電力系統(tǒng)斷電，只保留設(shè)備的供電部分的電源。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2、系統(tǒng)硬件部分

2.1單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)的選用的微處理器為宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機，該單片機具有高速、低耗、超強抗干擾的的特點，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，而速度快8～12倍，其工作寬電壓范圍在3.3V～5.5V，工作溫度在-40℃～+85℃，符合野外工作環(huán)境的要求，該單片機最大的優(yōu)點是具有兩個全雙工的串行通信接口。在電路設(shè)計時，串口1通過采集模塊連接電表采集數(shù)據(jù)，串口2連接通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)或者接受命令。該單片機還提供了一種串行通信接口--SPI接口，SPI是一種全雙工、高速、同步的通信總線，SPI與數(shù)據(jù)存儲器FM25256連接，將采集的數(shù)據(jù)實時的保存[2]。

2.2Zigbee無線模塊的構(gòu)建

ZigBee標準和CC2430芯片設(shè)計的開放式ZigBee模塊——DTD243B模塊，其核心為CC2430芯片，CC2430[3]是符合IEEE 802.15.4和Zigbee標準的一顆真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案，其內(nèi)部帶有一個2.4GHz的射頻收發(fā)器和工業(yè)級增強型8051內(nèi)核。該芯片具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力。CC2430芯片設(shè)計如圖2，主要包括3.3V和1.8V電源電路、復(fù)位電路、晶振電路等。

整個電路屬于數(shù)字信號和模擬信號混合的電路，在布線過程中要防止兩者相互干擾，符合數(shù)模電路混合布線的要求。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊實時采集電表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集有兩種方式，一種是循環(huán)不定時采集數(shù)據(jù)；另一種是當接收到管理部門的用戶命令時實時采集數(shù)據(jù)。模塊采用RS485方式進行數(shù)據(jù)采集，最高傳輸速率為10Mbps，最大的通信距離約為1200m，并且具有良好的抗干擾性。采集模塊選擇美國TI公司生產(chǎn)的SN65LBC184半雙工收發(fā)器，片內(nèi)集成四個瞬時過壓保護管，可承受功率達400W的瞬時脈沖電壓，可抑制雷電及其他原因在電路中產(chǎn)生的瞬時高壓，保護接口電路免遭損壞。采集模塊連接單片機的串口1。

2.4存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊選用的RAMTRON公司先進的鐵電技術(shù)制造的非易失性存儲器FM25256，它可承受一萬億次的讀寫次數(shù)，數(shù)據(jù)在掉電后可以保存10年以上，具有最大可以達到15MHz的操作速度，在執(zhí)行讀寫操作時與RAM相似，以總線速度進行寫操作，無需延時。數(shù)據(jù)成功地傳輸?shù)狡骷螅谥芷谶^程中被寫入存儲器陣列，下個總線周期可以立即開始[4]。FM25256用在頻繁、快速讀寫操作的系統(tǒng)中，加強了數(shù)據(jù)存儲的安全性和準確性。

鐵電存儲器FM25256通過串行外圍數(shù)據(jù)接口SPI與單片機連接，如圖3所示。SPI接口主要有4個信號：MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）、SCLK（串行時鐘）、SS（外設(shè)片選或從機選擇）[5][6]，占用單片機I/O接口少。SPI以全雙工模式工作，即數(shù)據(jù)可同時雙向傳輸。在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快很多，速度可達到幾Mbps。

3、系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的軟件主要為采集中斷的下位機軟件的設(shè)計，下位機軟件采用了移植性強的C語言編寫，便于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。軟件設(shè)計主要包含系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報警斷電和數(shù)據(jù)通信等，整個軟件流程圖如圖4所示。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)主要利用STC12C5A60S2單片機豐富的內(nèi)部資源，通過軟件編程實現(xiàn)了遠程抄表與控制。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)遠程傳輸，傳輸距離遠，不受地域和距離的限制，并具有設(shè)置各項報警數(shù)值，實時和定時檢測電力系統(tǒng)的功能，同時具有性能價格比高，干擾性強的特點，在電力系統(tǒng)中，它都能夠較好的滿足電力傳輸現(xiàn)場的遠程工作要求。

參考文獻

[1]許學(xué)慧.基于GPRS技術(shù)的無線自動抄表系統(tǒng).碩士論文，山東科技大學(xué)，2006年5月

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊，http：//www.stcmcu.com/.

[3]Junguo Zhang，Wenbin Li，Ning Han，Jiangming Kan.Forest fire detection syste based on a ZigBee Wireless sensor network [J].Frontiers of Forestry in China，2008，（3）：360-374.

[4]李敏.串行鐵電存儲器FM25256應(yīng)用技術(shù).計算機與信息技術(shù)，2007年第31期.

[5]解書鋼，馬維華，吳術(shù).SPI總線的UART擴展方法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008年第6期.

[6]Motorola Corporation SPI Block Guide V4.01，2004.

作者簡介

袁匯江（1976-），男，山東壽光人，碩士。主要研究方向：電氣自動化技術(shù)。