智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)基本解決了人工抄表和一般自動(dòng)抄表系統(tǒng)的難題，不但能夠?qū)崿F(xiàn)水、電、氣表的遠(yuǎn)程查抄、計(jì)量和收費(fèi)等功能，還具有通斷控制功能(控制中心需取得通斷控制的合法權(quán)限)，同時(shí)在系統(tǒng)中增加了各種防護(hù)措施，包括防斷線、防強(qiáng)磁干擾、防開啟等，能夠自動(dòng)檢測(cè)斷線、強(qiáng)磁干擾、非法檢修等狀態(tài)，并由管理中心計(jì)算機(jī)顯示。此外智能采集器預(yù)留多個(gè)數(shù)字采集端口，可采集住戶的若干報(bào)警信息并通過軟件處理報(bào)警信息，為其他系統(tǒng)的集成進(jìn)入(如安全防護(hù)系統(tǒng))留有接口。

一、抄表系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。采用用戶載波表加載波采集終端，即可進(jìn)行電力線載波通信功能的操作，完成電能計(jì)量、電壓和功率測(cè)量等；集中器掛接在同一臺(tái)配變器下的電力線上，根據(jù)設(shè)置的要求定時(shí)或隨時(shí)通過電力線抄收臺(tái)變下所有載波表的測(cè)量數(shù)據(jù)并保存；主站計(jì)算機(jī)可通過電話網(wǎng)或其他通信媒介對(duì)集中器發(fā)布設(shè)置、廣播命令或抄表命令，對(duì)集中器進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)的抄收，對(duì)集中器下的任一臺(tái)載波電表進(jìn)行召抄或通斷電控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和監(jiān)控功能。

二、分塊功能

1.數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器在抄表系統(tǒng)中起著很重要的作用，工作原理如圖2所示。

集中器根據(jù)已設(shè)置好的不同的抄表方案對(duì)各載波電表實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送，具有內(nèi)部硬時(shí)鐘可與系統(tǒng)進(jìn)行廣播校時(shí)，并實(shí)施定時(shí)抄表命令，存儲(chǔ)抄表數(shù)據(jù)，可通過各種網(wǎng)絡(luò)媒介與主站完成數(shù)據(jù)交換。集中器的作用是將配變臺(tái)區(qū)載波電能表連成本地網(wǎng)絡(luò)，能自動(dòng)抄錄數(shù)據(jù)采集終端及載波單表的數(shù)據(jù)，集中并存儲(chǔ)。通過抄表器或電話線將數(shù)據(jù)傳輸給電力局的計(jì)算機(jī)中心。

從圖2可看出，數(shù)據(jù)集中器是由CPU，RAM、直流電源、指示電路及接口組成，是一個(gè)能通過載波接口及RS232接口與外界通信的單片機(jī)系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要介紹各組成部分：

(1)直流電源：利用220V交流電降壓后，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后分別得到+24V，+5V.

(2)指示電路：指出數(shù)據(jù)集中器工作是否正常、欠壓。

(3)主機(jī)：由CPU，RAM以及附加電路組成運(yùn)行程序，完成各項(xiàng)功能。

(4)接口電路：具有RS232接口、載波通信接口、RS485接口兩個(gè)接口電路。其中RS232接口和RS485接口是通過電纜進(jìn)行抄表器通信、計(jì)算機(jī)通信。載波通信接口是利用電力線與載波單表、采集終端進(jìn)行載波通信。

2.數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端是一個(gè)測(cè)量電表用電量的單片機(jī)系統(tǒng)，如圖3所示。

其中主機(jī)是核心，程序存在主機(jī)CPU中。由于單元式公寓一個(gè)單元大多為10-14戶，所以數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)為16戶。表計(jì)輸出的采樣脈沖，經(jīng)過輸入電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)施密特電路整形變換成方波，以滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P門只能通8路數(shù)據(jù)，所以16路脈沖，要采用分時(shí)制，先通1-8路，再通9-16路，故需要經(jīng)過一個(gè)選通電路。

附加電路，為確保數(shù)據(jù)采集終端安全可靠地運(yùn)行，除上述主要組成部分之外，還有許多附加電路，如看門狗、掉電檢測(cè)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、狀態(tài)指示電路、蜂鳴器、片外EPROM等。數(shù)據(jù)保護(hù)是數(shù)據(jù)采集終端的關(guān)鍵問題之一。采用看門狗電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和上、掉電檢測(cè)電路，就是為了保護(hù)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路提供時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)。

狀態(tài)指示電路，用以指示數(shù)據(jù)采集終端的運(yùn)行狀態(tài)，分三種：

A.正常運(yùn)行時(shí)，短路片斷開，“底度”指示燈閃爍。

B.常亮(設(shè)置參數(shù)時(shí)除外)或常暗，表示數(shù)據(jù)采集終端工作不正常。

C.設(shè)置參數(shù)時(shí)，短路片接通，“底度”指示燈常亮。數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)裝有備份電池，停電時(shí)為時(shí)鐘芯片供電，以保持時(shí)間正確?！扒穳骸敝甘緹袅?xí)r，表示電池電壓低，應(yīng)換新電池。片外EPROM各戶的表號(hào)、電表常數(shù)、底度、功率限額等參數(shù)及整數(shù)值用電量，都保存于這個(gè)EPROM中。停電時(shí)，這些數(shù)據(jù)也能長(zhǎng)期保持。

3.載波電表

載波電能表的工作原理如圖4所示。

載波電表的組成，以CPU為核心，由RAM、電量轉(zhuǎn)換電路、接口、直流電源等構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。

(1)直流電源，從220V交流電壓經(jīng)變壓器降壓，整流、濾波及穩(wěn)壓后得到+24V，+5V，+24V供載波電路用，+5V供其他電路用電。

(2)主機(jī)，程序存在CPU內(nèi)的E-PROM中，RAM用于存放用戶的用電數(shù)據(jù)。其任務(wù)是：

A.每當(dāng)電表正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過一圈，CPU就累計(jì)電量，并存入EPROM。

B.接收抄表器發(fā)來的參數(shù)、表號(hào)，存入EPROM。

C.與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行載波通信。

4.主站

圖1 低壓電力線載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)框圖

圖2 集中器工作原理框圖

圖3 數(shù)據(jù)采集終端

圖4 載波電表組成結(jié)構(gòu)圖

圖5 主站工作框圖

圖6 抄表主站系統(tǒng)配置圖

圖7 采集器線路示意圖

圖8 集中器線路示意圖

圖9 主程序流程圖

圖10 數(shù)據(jù)采集與處理程序流程圖

圖11 通信中斷子程序流程圖

圖12 主程序流程圖

圖13 電源管理流程圖

主站在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行電力載波遠(yuǎn)程用電管理軟件，經(jīng)電話網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)媒介對(duì)集中器進(jìn)行抄表和各種方案設(shè)置，并可通過集中器對(duì)載波電表進(jìn)行實(shí)時(shí)操作；例如，綜合數(shù)據(jù)的抄讀、電表實(shí)時(shí)電量讀取，遠(yuǎn)程拉、合閘控制；集中器校時(shí)，廣播校時(shí)等操作。主站的工作框圖如圖5所示。

主站系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)軟件、調(diào)制解調(diào)器、公用電話網(wǎng)或電臺(tái)等數(shù)據(jù)傳輸通道。本系統(tǒng)只用1臺(tái)計(jì)算機(jī)來完成表計(jì)數(shù)據(jù)的查詢、建庫(kù)、以及各種處理功能。當(dāng)然，也可考慮配備多臺(tái)電腦，應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接到電業(yè)局各部門完成各種處理功能。例如：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、集中、定時(shí)地抄錄各用戶的電量，迅速統(tǒng)計(jì)低壓實(shí)時(shí)線損，通過銀行向各用戶自動(dòng)完成轉(zhuǎn)賬收款、電費(fèi)結(jié)算，為供電部門的用電監(jiān)察提供服務(wù)。通過主站操作，用電管理人員可以隨時(shí)獲取所需要的各種數(shù)據(jù)信息，它是本系統(tǒng)最主要的人機(jī)界面。抄表主站系統(tǒng)的配置如圖6所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.數(shù)據(jù)采集器

采集器的線路示意圖如圖7所示。此電路有兩套供電工作系統(tǒng)，即正常供電情況下的供電和斷電情況下的供電。

在正常情況下，由市電轉(zhuǎn)化后的電源供給單片機(jī)89C51和單片機(jī)89C2051工作。在這里，兩個(gè)單片機(jī)都不斷檢測(cè)用戶電表電平，當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)用戶電表電平發(fā)生由高到低的變化時(shí)，單片機(jī)89C51將把記錄用戶電表度數(shù)的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的用戶電表度數(shù)加一，若單片機(jī)89C2051檢測(cè)電平發(fā)生由高到低的變化，在把存儲(chǔ)器X25045內(nèi)的電表度數(shù)加一之前，還需要檢測(cè)一個(gè)標(biāo)志位的電平，當(dāng)這個(gè)標(biāo)志位的電平為低時(shí)，不進(jìn)行計(jì)數(shù)。

而正常供電情況下，這個(gè)標(biāo)志位的電平一直為低。所以正常供電情況下，單片機(jī)89C2051只能檢測(cè)脈沖變化，而不能進(jìn)行計(jì)數(shù)。與此同時(shí)，單片機(jī)還不斷檢測(cè)按鍵電平情況，當(dāng)按鍵電平發(fā)生有高到低變化時(shí)，單片機(jī)把對(duì)應(yīng)用戶的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)取出并送至數(shù)碼管顯示。除此之外，單片機(jī)還不斷檢測(cè)中斷接收電路中的標(biāo)志位，若標(biāo)志位變真，表示集中器要求該采集器發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，之后單片機(jī)通過發(fā)送電路將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器去。

在斷電情況下，由后備電源(充電電源)工作，此時(shí)單片機(jī)89C51不能工作，一次用戶數(shù)據(jù)顯示和發(fā)送工作都不能進(jìn)行，此時(shí)單片機(jī)89C2051負(fù)責(zé)完成用戶電表脈沖的檢測(cè)和計(jì)數(shù)工作。

當(dāng)由斷電情況下的工作變?yōu)檎９╇娗闆r下的工作時(shí)，單片機(jī)89C51首先將存儲(chǔ)器X25045內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出并與存儲(chǔ)器28C256內(nèi)的數(shù)據(jù)相加，然后將X25045內(nèi)的數(shù)據(jù)清零，這樣即可完成斷電檢測(cè)工作。

2.數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)將所有采集器的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器28C256中，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過PSTN網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，具體是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。其線路示意圖如圖8所示。

在這里，單片機(jī)每隔24h通過發(fā)送電路依次發(fā)出指令至所有采集器，由于每個(gè)采集器有唯一的地址碼，所以一次只有一個(gè)采集器通過比較集中器發(fā)送的地址碼與本機(jī)地址碼相符，即一次只有一個(gè)采集器發(fā)送數(shù)據(jù)至集中器。這樣集中器通過依次發(fā)送地址碼即可通過接收電路接收所有采集器的數(shù)據(jù)。集中器單片機(jī)還不斷檢測(cè)中斷接收電路中的遠(yuǎn)端撥號(hào)標(biāo)志信號(hào)，若檢測(cè)到遠(yuǎn)端撥號(hào)標(biāo)志信號(hào)，就把存儲(chǔ)器28C256內(nèi)的數(shù)據(jù)取出通過市話網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(一)數(shù)據(jù)采集器

在數(shù)據(jù)采集器的程序設(shè)計(jì)中，為了確保系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，提高數(shù)據(jù)采集器程序的執(zhí)行速度和精度，節(jié)約系統(tǒng)資源，這里采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。軟件的功能由各個(gè)子程序完成。主要的子程序有數(shù)據(jù)采集與處理、通信中斷、存儲(chǔ)器操作子程序和延時(shí)子程序。

1.主程序

主程序首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，還包括堆棧指針設(shè)置；端口的通信方式；定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)和初值設(shè)置，串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的設(shè)置等，并且調(diào)用數(shù)據(jù)采集與處理子程序?qū)﹄姳磉M(jìn)行流量采集，利用存儲(chǔ)器操作子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存取，通過通信中斷子程序響應(yīng)數(shù)據(jù)集中器的命令。其工作流程圖如圖9所示。

在主程序設(shè)計(jì)中，為了滿足系統(tǒng)的低功耗，在硬件上做到選擇合適的低功耗芯片，實(shí)現(xiàn)低功耗的目的。手段之一就是在數(shù)據(jù)采集器工作空閑通過SLEEP指令將單片機(jī)設(shè)為低功耗方式，這種方式功耗最小，而且所有I/O腳都能保持SLEEP指令執(zhí)行前的原有狀態(tài)。

2.數(shù)據(jù)采集與處理子程序

數(shù)據(jù)采集與處理子程序是數(shù)據(jù)采集器程序設(shè)計(jì)中的重要部分。它通過對(duì)串行通信接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較、判斷并轉(zhuǎn)入存儲(chǔ)器操作子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集與處理子程序的程序流程圖如圖10、圖11所示。

在數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，它仍可響應(yīng)通信中斷，但不是立刻處理，只是將中斷標(biāo)志位置為1，等待其將8個(gè)通道的數(shù)據(jù)掃描完后，再去響應(yīng)通信中斷。這樣做主要是為了不丟信號(hào)。

通信中斷子程序，通信中斷程序負(fù)責(zé)與集中器的通信并執(zhí)行數(shù)據(jù)集中器下達(dá)的各項(xiàng)指令，如圖11所示。在接收集中器命令幀時(shí)，為了防止長(zhǎng)期處于偵聽接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，進(jìn)而影響對(duì)電表的采集過程，所以對(duì)接收過程進(jìn)行計(jì)時(shí)，從數(shù)據(jù)集中器喚醒數(shù)據(jù)采集器開始250ms內(nèi)數(shù)據(jù)未接收到或通訊字節(jié)接收時(shí)間間隔超過2.5ms，則終止此次通訊。

當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢之后，需對(duì)命令幀進(jìn)行檢驗(yàn)，保證命令幀的可靠性。通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：檢驗(yàn)報(bào)頭，檢驗(yàn)報(bào)文長(zhǎng)度、累加校驗(yàn)報(bào)文、檢驗(yàn)報(bào)尾。任何一步檢驗(yàn)報(bào)錯(cuò)均視為干擾信號(hào)并中斷檢驗(yàn)，返回到主程序中。只有以上四個(gè)步驟的檢驗(yàn)都通過，才確認(rèn)為正確的命令幀。

對(duì)通過校驗(yàn)的不同命令幀，數(shù)據(jù)采集器處理方法有所不同，但差別不大，均需經(jīng)歷以下幾步：

①檢驗(yàn)命令所指采集器地址與采集器地址是否一致；

②通過總線讀取存儲(chǔ)器，獲取所需表的抄收數(shù)據(jù)；

③根據(jù)規(guī)定的應(yīng)答幀格式建立應(yīng)答幀；

④通過RS-485總線向數(shù)據(jù)集中器發(fā)送應(yīng)答幀；

⑤返回主程序。

存儲(chǔ)器操作子程序，存儲(chǔ)器操作子程序包括對(duì)28C256的讀操作和寫操作。讀操作是在向數(shù)據(jù)集中器發(fā)送應(yīng)答幀時(shí)進(jìn)行的，寫操作是在數(shù)據(jù)采集上來并處理好后進(jìn)行的，這部分非常重要，因?yàn)橄到y(tǒng)一旦工作后，記錄的數(shù)據(jù)是絕對(duì)不能丟失的。

延時(shí)子程序，據(jù)采集器工作時(shí)，很多情況下需要延時(shí)環(huán)節(jié)。在通道A/D轉(zhuǎn)換期間，對(duì)通道的操作都會(huì)引起模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷，造成無法獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，程序設(shè)計(jì)中的延時(shí)子程序相當(dāng)重要，延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間必須足夠大，但又不能過大，以免影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，一般采用循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

(二)數(shù)據(jù)采集器

1.主程序

主程序負(fù)責(zé)輪詢16個(gè)數(shù)據(jù)采集器，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，同時(shí)響應(yīng)管理中心和IC卡抄表器的命令，主程序流程圖如圖12所示。

由于89C51只有一個(gè)串口，而系統(tǒng)既要與上位機(jī)通信，又要與下位機(jī)通信，在設(shè)計(jì)時(shí)采取的措施是：接收或發(fā)送上位機(jī)時(shí)，下位機(jī)屏蔽；接收或發(fā)送下位機(jī)時(shí)，位機(jī)屏蔽。其中通信中斷子程序1用來接收和解析管理中心下傳的命令并執(zhí)行相應(yīng)操作，如開戶時(shí)對(duì)采集器初始化表底數(shù)，上傳電表表數(shù)據(jù)等操作，其操作和數(shù)據(jù)采集器的通信中斷子程序類似；通信中斷子程序2用來接收抄表器命令并上傳抄表數(shù)據(jù)，其操作和數(shù)據(jù)采集器的存儲(chǔ)器操作子程序類似。

2.電源管理程序

電源管理程序是對(duì)電源模塊進(jìn)行管理，程序流程圖如圖13所示

電源管理程序主要負(fù)責(zé)檢測(cè)蓄電池的電壓，根據(jù)電平高低進(jìn)行恒流、恒壓、浮充充電，充電過程中的各種狀態(tài)由兩個(gè)指示燈顯示。YellowLED亮表示恒流充電：YellowLED間隔亮表示恒壓充電；GreenLED亮表示浮充充電；GreenLED閃亮表示浮充放置。

注：通信中斷子程序、存儲(chǔ)器操作子程序、延時(shí)子程序都與數(shù)據(jù)采集器的子程序相同。

本系統(tǒng)具有技術(shù)水平高、可靠性好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)、功能全、模塊體積小、功耗低，系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)單易懂、安裝維護(hù)方便。就現(xiàn)在的方案來說電力遠(yuǎn)程集中抄表用到了自動(dòng)控制技術(shù)，通信技術(shù)，程序設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)是比較完善的。這套系統(tǒng)的使用極大地減少電力部門的勞動(dòng)量，為電力企業(yè)上等級(jí)和創(chuàng)優(yōu)必將起很大的作用，同時(shí)提高了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理水平，有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)系統(tǒng)稍加擴(kuò)充，便可完成對(duì)煤氣表、自來水表的自動(dòng)抄收，從而推進(jìn)智能化小區(qū)的建設(shè)。但是，我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，從我國(guó)集中抄表系統(tǒng)的整體發(fā)展水平來看，要滿足大面積推廣使用的的要求，在系統(tǒng)的可靠性及數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量上還有待進(jìn)一步的提高。