趙偉星

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

我國電力用戶多，并且大部分地區(qū)沿用人工抄表、人工收費(fèi)的工作方式，造成大量的人力和物力的浪費(fèi)[1]。IC卡式預(yù)付費(fèi)電度表[2，3]雖然易用性上獲得一定的改善，但是繳費(fèi)需要去指定地點(diǎn)刷卡；一些自動(dòng)抄表系統(tǒng)[4]也很具吸引力，但是運(yùn)營成本較高。同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，中國互聯(lián)網(wǎng)用戶將突破4億，通過互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)已成為很多家庭的選擇。本文采用PIC18F66J60單片機(jī)設(shè)計(jì)的電度表互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)與自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以適應(yīng)這種需要，減少人力物力的浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由兩個(gè)具有收發(fā)功能的模塊組成，兩個(gè)模塊同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)電度表和互聯(lián)網(wǎng)之間的相互通信。電度表端主要包含三部分：一個(gè)具有數(shù)字讀數(shù)信號(hào)和三個(gè)配置信號(hào)的電度表、一個(gè)無線收發(fā)芯片、一副天線?；ヂ?lián)網(wǎng)端主要由三部分組成：一個(gè)具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)、一個(gè)無線收發(fā)芯片、一副天線。此外，還包含電源電路和一些接口電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中CC1000是無線收發(fā)芯片，PIC18F66J60是具有1個(gè)SPI接口和以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用無線收發(fā)芯片將電度表讀數(shù)發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)端，互聯(lián)網(wǎng)端的無線收發(fā)芯片接收電度表讀數(shù)，單片機(jī)對(duì)接收到的電度表讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換為當(dāng)月應(yīng)該繳納的電費(fèi)。單片機(jī)模塊包含數(shù)碼管顯示部分，應(yīng)繳的電費(fèi)將在數(shù)碼管上顯示，同時(shí)單片機(jī)將應(yīng)繳納的電費(fèi)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，通過計(jì)算機(jī)終端訪問單片機(jī)，并將應(yīng)繳納的電費(fèi)讀到計(jì)算機(jī)上，并在人機(jī)交互界面上進(jìn)行顯示。只需點(diǎn)擊繳費(fèi)按鈕，即可發(fā)送控制信號(hào)給單片機(jī)，進(jìn)而通過無線收發(fā)芯片控制用電開關(guān)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三種功能。

(1)抄表。電度表每月月初和月末分別發(fā)送讀數(shù)給單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算兩者之差作為當(dāng)月用電量。

(2)計(jì)費(fèi)。單片機(jī)將當(dāng)月用電量乘以從電能供應(yīng)商處獲得的用電單價(jià)，得到當(dāng)月應(yīng)繳電費(fèi)。

(3)繳費(fèi)。單片機(jī)將當(dāng)月應(yīng)當(dāng)繳納的電費(fèi)發(fā)送到電能供應(yīng)商提供的服務(wù)器上，確認(rèn)之后，從電能供應(yīng)商服務(wù)器發(fā)送用電許可指令給單片機(jī)，單片機(jī)閉合用電開關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)PIC18F66J60是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算和控制，本設(shè)計(jì)主要用到了PIC18F66J60的以太網(wǎng)模塊專用數(shù)據(jù)接口、I/O口以及SPI接口。兩個(gè)收發(fā)芯片輔助完成電度表、單片機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)之間的通信。

2.1 電度表端的電路設(shè)計(jì)

電度表端電路(如圖 2)采用 Chipcon公司的無線收發(fā)芯片CC1000。CC1000可以在315/433/915 MHz ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻帶系統(tǒng)上應(yīng)用，采用FSK調(diào)制，可采用3.3 V電源供電。芯片內(nèi)部的T/R切換電路簡化了天線連接和匹配電路設(shè)計(jì)，通過編程可方便選擇芯片的工作頻帶，輸出功率可編程。該芯片具有28個(gè)管腳，其中，PALE、PDATA、PCLK是芯片的可編程串行接口，通過該接口可對(duì)芯片的36個(gè)配置寄存器執(zhí)行讀寫操作。DCLK、DIO用來與電度表交換數(shù)據(jù)，其中DCLK為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘，由CC1000提供。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)端的電路設(shè)計(jì)

互聯(lián)網(wǎng)端采用CC1000實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)，為了簡化電路設(shè)計(jì)，天線采用印制電路板天線，無線收發(fā)距離通過單片機(jī)寫CC1000的功率控制寄存器進(jìn)行配置?；ヂ?lián)網(wǎng)接口電路采用具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)芯片PIC18F66J60，該單片機(jī)具有64 KB內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，因而不需要擴(kuò)展EEROM即可實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的永久保存。這款單片機(jī)集成MAC和10 Base-T PHY，支持10 Base-T端口，在發(fā)生沖突時(shí)可編程自動(dòng)重發(fā)，并可拒絕錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，并且它具有完整的網(wǎng)路連接解決方案，外加兩個(gè)脈沖變壓器和一些無源器件即可與以太網(wǎng)連接。此外，PIC18F66J60具有一個(gè)主同步串行口模塊，支持SPI和I2C兩種模式，本文中使用SPI模式配置無線收發(fā)芯片。單片機(jī)與無線收發(fā)芯片的接口通過SPI口和兩個(gè)普通 I/O 口實(shí)現(xiàn)，TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-這四個(gè)引腳是單片機(jī)的以太網(wǎng)模塊專用信號(hào)接口，單片機(jī)通過這四個(gè)引腳外加一些外部元件(圖3中SC模塊)與互聯(lián)網(wǎng)連接。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

采用電源適配器提供5 V的直流電壓，無線收發(fā)芯片CC1000采用3.3 V直流供電電壓，PIC18F66J60也可采用3.3 V電源。AMS1117是5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片，該LDO可以提供1 A的輸出電流，具有低于1 V的輸入輸出電壓差，并且電路簡單，只需要在輸入輸出端加一定的濾波電容即可正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包含PIC18F66J60的相關(guān)程序、電度表端程序設(shè)計(jì)、CC1000配置程序和主機(jī)端操作界面程序。PIC18F66J60相關(guān)程序主要完成：對(duì)電度表讀數(shù)進(jìn)行接收和計(jì)算當(dāng)月電費(fèi)，接收來自電度表端的讀數(shù)數(shù)據(jù)，每月月初和月底的電度表讀數(shù)差乘以用電單價(jià)即可得到當(dāng)月應(yīng)繳電費(fèi)；保存過去12個(gè)月的用電清單 (包含用電量、單月電費(fèi)和用電單價(jià))；每月月底向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端繳費(fèi)；從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端讀取繳費(fèi)信息，并存入單片機(jī)內(nèi)部Flash，從規(guī)定繳費(fèi)時(shí)刻算起，當(dāng)欠費(fèi)時(shí)間大于10小時(shí)，紅色LED指示燈亮，提醒用戶需要繳費(fèi)，當(dāng)欠費(fèi)時(shí)間大于24小時(shí)時(shí)，PIC18F66J60向電度表發(fā)送停止供電指令，用電開關(guān)自動(dòng)斷開，充值后，PIC18F66J60發(fā)送供電指令，閉合用電開關(guān)。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得用電單價(jià)信息，實(shí)時(shí)更新單片機(jī)內(nèi)部Flash的用電單價(jià)。PIC18F66J60相關(guān)程序流程圖如圖4所示。

電度表端程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能：每個(gè)月第一天上午8點(diǎn)和最后一天上午8點(diǎn)發(fā)送電度表讀數(shù)給電度表端的 CC1000，控制 CC1000工作在發(fā)送狀態(tài)，其他時(shí)間控制CC1000工作于接收狀態(tài)。CC1000配置芯片工作參數(shù)，先要復(fù)位CC1000，然后根據(jù)時(shí)序要求配置寄存器，校正收發(fā)支路即可使CC1000正常工作。主機(jī)端操作界面由ASP語言和SQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，向用戶提供繳費(fèi)、用電單價(jià)、以及打印過去12月用電量和用電費(fèi)用清單信息，同時(shí)為用戶提供了友好的基于Web的操作界面，可以采用瀏覽器直接訪問服務(wù)器。

本文采用PIC18F66J60設(shè)計(jì)的電度表互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)與自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，很好地繼承了過去沿用的用電繳費(fèi)習(xí)慣，具有硬件簡單，易于實(shí)現(xiàn)、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，與該計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)連接的收費(fèi)終端可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行繳費(fèi)。該系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)IP的獨(dú)立性，可以利用MAC地址區(qū)別用戶終端，并且每個(gè)CC1000都配置有唯一的標(biāo)識(shí)碼，是一種低運(yùn)營成本的有效繳費(fèi)和計(jì)費(fèi)方式。

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