智能远程抄表系统设计

智能远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题，不但能够实现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能，还具有通断控制功能(控制中心需取得通断控制的合法权限)，同时在系统中增加了各种防护措施，包括防断线、防强磁干扰、防开启等，能够自动检测断线、强磁干扰、非法检修等状态，并由管理中心计算机显示。此外智能采集器预留多个数字采集端口，可采集住户的若干报警信息并通过软件处理报警信息，为其他系统的集成进入(如安全防护系统)留有接口。

一、抄表系统的构成

系统构成框图如图1所示。采用用户载波表加载波采集终端，即可进行电力线载波通信功能的操作，完成电能计量、电压和功率测量等；集中器挂接在同一台配变器下的电力线上，根据设置的要求定时或随时通过电力线抄收台变下所有载波表的测量数据并保存；主站计算机可通过电话网或其他通信媒介对集中器发布设置、广播命令或抄表命令，对集中器进行综合数据的抄收，对集中器下的任一台载波电表进行召抄或通断电控制，从而实现远程抄表和监控功能。

二、分块功能

1.数据集中器

数据集中器在抄表系统中起着很重要的作用，工作原理如图2所示。

集中器根据已设置好的不同的抄表方案对各载波电表实现双向数据传送，具有内部硬时钟可与系统进行广播校时，并实施定时抄表命令，存储抄表数据，可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。集中器的作用是将配变台区载波电能表连成本地网络，能自动抄录数据采集终端及载波单表的数据，集中并存储。通过抄表器或电话线将数据传输给电力局的计算机中心。

从图2可看出，数据集中器是由CPU，RAM、直流电源、指示电路及接口组成，是一个能通过载波接口及RS232接口与外界通信的单片机系统。下面简要介绍各组成部分：

(1)直流电源：利用220V交流电降压后，经整流、滤波、稳压后分别得到+24V，+5V.

(2)指示电路：指出数据集中器工作是否正常、欠压。

(3)主机：由CPU，RAM以及附加电路组成运行程序，完成各项功能。

(4)接口电路：具有RS232接口、载波通信接口、RS485接口两个接口电路。其中RS232接口和RS485接口是通过电缆进行抄表器通信、计算机通信。载波通信接口是利用电力线与载波单表、采集终端进行载波通信。

2.数据采集终端

数据采集终端是一个测量电表用电量的单片机系统，如图3所示。

其中主机是核心，程序存在主机CPU中。由于单元式公寓一个单元大多为10-14户，所以数据采集终端设计为16户。表计输出的采样脉冲，经过输入电路实现信号电平转换，再经施密特电路整形变换成方波，以满足单片机对输入信号的要求。因为单片机的P门只能通8路数据，所以16路脉冲，要采用分时制，先通1-8路，再通9-16路，故需要经过一个选通电路。

附加电路，为确保数据采集终端安全可靠地运行，除上述主要组成部分之外，还有许多附加电路，如看门狗、掉电检测、实时时钟、状态指示电路、蜂鸣器、片外EPROM等。数据保护是数据采集终端的关键问题之一。采用看门狗电路、系统复位电路和上、掉电检测电路，就是为了保护数据。实时时钟电路提供时间(年、月、日、时、分、秒)。

状态指示电路，用以指示数据采集终端的运行状态，分三种：

A.正常运行时，短路片断开，“底度”指示灯闪烁。

B.常亮(设置参数时除外)或常暗，表示数据采集终端工作不正常。

C.设置参数时，短路片接通，“底度”指示灯常亮。数据采集终端内装有备份电池，停电时为时钟芯片供电，以保持时间正确。“欠压”指示灯亮时，表示电池电压低，应换新电池。片外EPROM各户的表号、电表常数、底度、功率限额等参数及整数值用电量，都保存于这个EPROM中。停电时，这些数据也能长期保持。

3.载波电表

载波电能表的工作原理如图4所示。

载波电表的组成，以CPU为核心，由RAM、电量转换电路、接口、直流电源等构成一个单片机系统。

(1)直流电源，从220V交流电压经变压器降压，整流、滤波及稳压后得到+24V，+5V，+24V供载波电路用，+5V供其他电路用电。

(2)主机，程序存在CPU内的E-PROM中，RAM用于存放用户的用电数据。其任务是：

A.每当电表正转转过一圈，CPU就累计电量，并存入EPROM。

B.接收抄表器发来的参数、表号，存入EPROM。

C.与数据集中器进行载波通信。

4.主站

图1 低压电力线载波自动抄表系统框图

图2 集中器工作原理框图

图3 数据采集终端

图4 载波电表组成结构图

图5 主站工作框图

图6 抄表主站系统配置图

图7 采集器线路示意图

图8 集中器线路示意图

图9 主程序流程图

图10 数据采集与处理程序流程图

图11 通信中断子程序流程图

图12 主程序流程图

图13 电源管理流程图

主站在计算机上运行电力载波远程用电管理软件，经电话网或其他网络媒介对集中器进行抄表和各种方案设置，并可通过集中器对载波电表进行实时操作；例如，综合数据的抄读、电表实时电量读取，远程拉、合闸控制；集中器校时，广播校时等操作。主站的工作框图如图5所示。

主站系统包括计算机硬件、计算机软件、调制解调器、公用电话网或电台等数据传输通道。本系统只用1台计算机来完成表计数据的查询、建库、以及各种处理功能。当然，也可考虑配备多台电脑，应用计算机网络连接到电业局各部门完成各种处理功能。例如：可以实现自动、集中、定时地抄录各用户的电量，迅速统计低压实时线损，通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务。通过主站操作，用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据信息，它是本系统最主要的人机界面。抄表主站系统的配置如图6所示。

三、系统硬件设计

1.数据采集器

采集器的线路示意图如图7所示。此电路有两套供电工作系统，即正常供电情况下的供电和断电情况下的供电。

在正常情况下，由市电转化后的电源供给单片机89C51和单片机89C2051工作。在这里，两个单片机都不断检测用户电表电平，当检测到某个用户电表电平发生由高到低的变化时，单片机89C51将把记录用户电表度数的相应存储区内的用户电表度数加一，若单片机89C2051检测电平发生由高到低的变化，在把存储器X25045内的电表度数加一之前，还需要检测一个标志位的电平，当这个标志位的电平为低时，不进行计数。

而正常供电情况下，这个标志位的电平一直为低。所以正常供电情况下，单片机89C2051只能检测脉冲变化，而不能进行计数。与此同时，单片机还不断检测按键电平情况，当按键电平发生有高到低变化时，单片机把对应用户的存储区内的数据取出并送至数码管显示。除此之外，单片机还不断检测中断接收电路中的标志位，若标志位变真，表示集中器要求该采集器发送用户数据，之后单片机通过发送电路将用户数据发送到集中器去。

在断电情况下，由后备电源(充电电源)工作，此时单片机89C51不能工作，一次用户数据显示和发送工作都不能进行，此时单片机89C2051负责完成用户电表脉冲的检测和计数工作。

当由断电情况下的工作变为正常供电情况下的工作时，单片机89C51首先将存储器X25045内的数据读出并与存储器28C256内的数据相加，然后将X25045内的数据清零，这样即可完成断电检测工作。

2.数据集中器

数据集中器负责将所有采集器的数据集中存储至存储器28C256中，并负责将数据通过PSTN网传送至监控中心计算机，具体是通过单片机实现的。其线路示意图如图8所示。

在这里，单片机每隔24h通过发送电路依次发出指令至所有采集器，由于每个采集器有唯一的地址码，所以一次只有一个采集器通过比较集中器发送的地址码与本机地址码相符，即一次只有一个采集器发送数据至集中器。这样集中器通过依次发送地址码即可通过接收电路接收所有采集器的数据。集中器单片机还不断检测中断接收电路中的远端拨号标志信号，若检测到远端拨号标志信号，就把存储器28C256内的数据取出通过市话网发送至远端的计算机。

四、系统软件设计

(一)数据采集器

在数据采集器的程序设计中，为了确保系统的可靠性和实时性，提高数据采集器程序的执行速度和精度，节约系统资源，这里采用C语言进行程序设计。软件的功能由各个子程序完成。主要的子程序有数据采集与处理、通信中断、存储器操作子程序和延时子程序。

1.主程序

主程序首先对单片机进行初始化，还包括堆栈指针设置；端口的通信方式；定时器的预分频系数和初值设置，串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的设置等，并且调用数据采集与处理子程序对电表进行流量采集，利用存储器操作子程序对数据进行存取，通过通信中断子程序响应数据集中器的命令。其工作流程图如图9所示。

在主程序设计中，为了满足系统的低功耗，在硬件上做到选择合适的低功耗芯片，实现低功耗的目的。手段之一就是在数据采集器工作空闲通过SLEEP指令将单片机设为低功耗方式，这种方式功耗最小，而且所有I/O脚都能保持SLEEP指令执行前的原有状态。

2.数据采集与处理子程序

数据采集与处理子程序是数据采集器程序设计中的重要部分。它通过对串行通信接收到数据进行分析、比较、判断并转入存储器操作子程序进行数据存储。数据采集与处理子程序的程序流程图如图10、图11所示。

在数据采集器进行数据采集时，它仍可响应通信中断，但不是立刻处理，只是将中断标志位置为1，等待其将8个通道的数据扫描完后，再去响应通信中断。这样做主要是为了不丢信号。

通信中断子程序，通信中断程序负责与集中器的通信并执行数据集中器下达的各项指令，如图11所示。在接收集中器命令帧时，为了防止长期处于侦听接收数据状态，进而影响对电表的采集过程，所以对接收过程进行计时，从数据集中器唤醒数据采集器开始250ms内数据未接收到或通讯字节接收时间间隔超过2.5ms，则终止此次通讯。

当数据接收完毕之后，需对命令帧进行检验，保证命令帧的可靠性。通过以下步骤实现：检验报头，检验报文长度、累加校验报文、检验报尾。任何一步检验报错均视为干扰信号并中断检验，返回到主程序中。只有以上四个步骤的检验都通过，才确认为正确的命令帧。

对通过校验的不同命令帧，数据采集器处理方法有所不同，但差别不大，均需经历以下几步：

①检验命令所指采集器地址与采集器地址是否一致；

②通过总线读取存储器，获取所需表的抄收数据；

③根据规定的应答帧格式建立应答帧；

④通过RS-485总线向数据集中器发送应答帧；

⑤返回主程序。

存储器操作子程序，存储器操作子程序包括对28C256的读操作和写操作。读操作是在向数据集中器发送应答帧时进行的，写操作是在数据采集上来并处理好后进行的，这部分非常重要，因为系统一旦工作后，记录的数据是绝对不能丢失的。

延时子程序，据采集器工作时，很多情况下需要延时环节。在通道A/D转换期间，对通道的操作都会引起模数转换中断，造成无法获得模数转换结果。因此，程序设计中的延时子程序相当重要，延时子程序的延时时间必须足够大，但又不能过大，以免影响整个系统的运行速度。对于长时间延时，一般采用循环来实现。

(二)数据采集器

1.主程序

主程序负责轮询16个数据采集器，对采集数据进行处理和存储，同时响应管理中心和IC卡抄表器的命令，主程序流程图如图12所示。

由于89C51只有一个串口，而系统既要与上位机通信，又要与下位机通信，在设计时采取的措施是：接收或发送上位机时，下位机屏蔽；接收或发送下位机时，位机屏蔽。其中通信中断子程序1用来接收和解析管理中心下传的命令并执行相应操作，如开户时对采集器初始化表底数，上传电表表数据等操作，其操作和数据采集器的通信中断子程序类似；通信中断子程序2用来接收抄表器命令并上传抄表数据，其操作和数据采集器的存储器操作子程序类似。

2.电源管理程序

电源管理程序是对电源模块进行管理，程序流程图如图13所示

电源管理程序主要负责检测蓄电池的电压，根据电平高低进行恒流、恒压、浮充充电，充电过程中的各种状态由两个指示灯显示。YellowLED亮表示恒流充电：YellowLED间隔亮表示恒压充电；GreenLED亮表示浮充充电；GreenLED闪亮表示浮充放置。

注：通信中断子程序、存储器操作子程序、延时子程序都与数据采集器的子程序相同。

本系统具有技术水平高、可靠性好、数据准确、适应性强、功能全、模块体积小、功耗低，系统操作界面简单易懂、安装维护方便。就现在的方案来说电力远程集中抄表用到了自动控制技术，通信技术，程序设计以及数据库技术，整个系统是比较完善的。这套系统的使用极大地减少电力部门的劳动量，为电力企业上等级和创优必将起很大的作用，同时提高了电力系统的现代化管理水平，有很好的社会效益和经济效益，对系统稍加扩充，便可完成对煤气表、自来水表的自动抄收，从而推进智能化小区的建设。但是，我们也应该清醒地认识到，从我国集中抄表系统的整体发展水平来看，要满足大面积推广使用的的要求，在系统的可靠性及数据传输质量上还有待进一步的提高。