基于單片機的智能抄表系統

王 磊，劉景霞

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

1 概述

自動抄表系統是多年來人們致力用于實現遠程抄讀水、電、氣表使用量的智能化系統。完善的自動抄表系統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

在電力工業飛速發展的同時，各個部門對信息技術的需求也在日益增多，高科技信息技術的注入為電力事業的發展提供了強有力的基礎和保障，它滲入到電力系統的各個部門、各個環節，為了能夠更好地為經營決策提供有力的數據依據，采用計算機技術來實現電力部門數據的信息化和自動化勢在必行。與此同時在電力企業抄表出現同樣的問題。

現行抄表收費管理模式：人工抄表收費方式、IC卡收費方式、自動抄表收費方式。但由于我國國情，高成本的IC卡收費方式和自動抄表收費方式難以在落后地區實施應用，國內很多地區用戶電表數據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現和管理，但是不可避免地也會遇到很多問題，如效率低下，工作人員數量需求大，工作量多，完成的任務卻有限；錯誤率高，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；難以監控，對偷電漏電現象，很難采取有效的方法進行監控、取證；顯然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能適應電力體制的改革，也直接阻礙了諸如分時電價運營、預支電費等先進管理模式的推行。特別是在我國信息化技術的普及之后，人工抄表的方式顯得日益落伍。同時，對于電力企業部門，也希望新技術的發展能夠解決他們實際工作當中遇到的抄表難、收費難、準確性和及時性得不到可靠的保障的問題，實現電力企業的減員增效，降低用電成本，緩解抄表人員的勞動強度，降低人為因素造成的抄表誤差，從而實現既方便用戶，又提高公用事業部門的工作效率、管理水平，對于加強用電管理，防止國家電力資源的流失等現象都具有積極的意義。自動抄表技術就是在技術與管理兩方面函待進步、改革的迫切下需求應運而生的，伴隨信息化技術的發展而發展，日益受到關注。

1.2 自動抄表系統的現狀

自動抄表，簡稱 AMR（Aut0matio Meter Reading），是利用電子技術、傳感器技術、自動控制技術、計算機及通訊等技術，通過專用設備對表計進行讀取及數據處理的過程。自動抄表系統（AMRS）是不需要人員到現場，就能完成抄讀用戶電能數據并分析、統計的智能化管理系統。電子式電能表的發展起始于20世紀70～80年代，當時日本己經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量問題，使電子式電能表在現場使用環境下，其可靠性、抗干擾性方面表現出很多的弊病，這些弊病大大影響了電子式電能表的大規模推廣和應用的進程。1992年，埃及開羅配電公司開發出雙模式住宅電能監視抄表系統，它是一個用于自動記錄、獲取和處理電能消耗數據的完整系統，從而使抄表工作進入到自動化時代。

2 系統總體設計思路與方案

2.1 采用GSM短信息抄表

GSM短信息抄表系統在用戶端安裝集控器和無線發射終端，將用戶的耗能數據通過GSM網以短信息（SMS）的形式上傳到GSM網的SMS中心，SMS中心將接收到的數據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，費用低。GSM網的覆蓋面幾乎遍及全國，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，系統實時性及可靠性較差，可能發生信息擁塞和丟失現象，不適合在業務量大的系統中應用。

通過AT90CAN128微處理器采集脈沖式機械表和脈沖式電子表輸出的脈沖信號并通過程序將數據進行處理轉化為用戶用電量并隨時更新內存；通訊采用GSM/GPRS網的三頻通信模塊MC550682實現系統與用戶端、管理層的信息交互；顯示采用ARM SBC2410V6，根據需要將結果在LCD屏上顯示。為了避免實時傳送產生大量費用，本系統采用由系統采集、處理并存儲數據。在管理方發出調用指令時將數據以短信方式上傳。當用戶端繳費后，管理方以短信方式通知處理器更改內部數據，并計算剩余電量，估算剩余使用時間后以短信方式通知用戶。當系統預估預存電量不足一周使用時，以短信方式提醒用戶繳費。并在剩余電量小于5度時自動切斷電路，并提醒用戶。再次續費后開啟電路。用戶端除接收短信外，還可以通過系統自帶顯示屏操作顯示剩余金額，剩余電量，累計用電量（自上次續費后），系統預估剩余電量可用時間等信息。

2.2 系統總體方案

經過方案論證與選擇，確定系統的總體方案如圖1所示。

圖1 系統的總體方案

（1）電表。在本系統中，電表處于最底層，其工作由已有的智能表來完成。該表用于實時采集用戶的用電氣數據，并將采集到的數據經過轉換，直觀的顯示在表身的液晶屏上。智能表的接口采用RS一485標準的串行電氣接口，每個智能表采集一路數據。

（2）采集器。傳統的采集器用于采集、計算脈沖表的脈沖數。而本系統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據，跟集中器的功能類似。這是由于RS一485總線上實際可帶的節點有限，采集器用于分擔集中器的節點壓力。對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戶的三表數據；對于高層建筑，每層住戶一般在10戶左右，采集器采集兩層約20戶的三表數據。采集的戶數可根據實際情況進行調節。由于有些地區采用復費率進行抄表，因此，本系統的采集器每個小時抄表一次。

（3）集中器。集中器處于底層通信的最頂端，用于對一個區域內所有用戶的能耗數據進行集中管理。在本系統中，高層建筑每棟樓安裝一個集中器，低層建筑幾棟樓共用一個集中器，總線鋪設距離短，減少了施工難度，投資成本也得以降低。通過與采集器通信，集中器對轄區內所有智能表的數據進行集中處理。系統可根據傳輸數據量的大小，靈活設定集中器為每個小時抄表一次或每幾個小時抄表一次。

（4）主站。主站設在各能源管理部門，用于遠程抄收、管理所有用戶的能耗數據。主站由PC機組成，通過軟件設計，可以實現對用戶能耗數據的統計分析和系統的管理監測等功能。

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增強型RISC結構的。在一個時鐘周期里執行強大功效的指令，AT90CAN128可完成1 MIP每MHz的吞吐量，從而讓系統設計者可對進程速度進行優化功率消耗。器件運用Atmel公司的高密度非易失的存儲技術制造。片上ISP FLASH允許程序存儲器被一個常規的非易失的儲存編程器或者一個在AVR內核上運行的片上啟動程序，通過一個內部SPI串行接口來重新編程。啟動程序能用于任何接口在應用FLASH儲存器里來下載應用程序。當應用FLASH部分被更新時，在啟動FLASH部分內的軟件將繼續運行，提供真正的讀寫操作。由于在一個單芯片上結合了一個帶有內部可編程FLASH的8位RISC CPU，Atmel的AT90CAN128可說是一個強大的微處理器，為眾多的嵌入式控制應用器件提供了一個高度靈活和低費用的解決方案。AT90CAN128 AVR可支持全套的編程和系統開發工具，包括：C編譯器，宏匯編，編程調試器/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GSM/GPRS網的三頻通信模塊，它可以工作在GSM 900 MHz，GSM 1800 MHz and GSM1900 MHz三個頻段，MC55 以 GPRS（class 10）標準為特色并且支持 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的軟件存儲在flash中，靜態RAM為GPRS連接提供了額外的存儲空間。該單元應用程序的物理接口是通過一個板對板的連接器來實現的。它是由50個針腳構成，用來控制該單元、傳輸數據和聲音信號、供電。MC55包含兩個串行接口（ASC0、ASC1），為綜合人機接口界面提供更大的適應性。它提供了不同的聲音接口，每一種都是通過板對板連接器實現的：一個數字音頻接口（DAI）和兩個模擬音頻接口。通過使用AT命令可以實現后退、前進等功能，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，需要/IGT（Ignition）信號驅動到接地電壓至少100ms，并且最少距離VDD的最后一個下降沿10ms，可以通過使用一個開漏極/集極驅動電路避免電流流入該引腳。在電池供電應用程序中，/IGT持續時間最少必須達到1s，這段時間中連接充電器并且可以從Charge-only模式轉換到Normal模式。

（3）SBC2410V6 電腦平臺。SBC2410V6 是一款基于ARM9、結構緊湊的嵌入式電腦平臺，它基于三星公司的成熟ARM9處理器S3C2410A。采用6層板設計，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優良特性，是一款單板機和開發板兩用的嵌入式電腦平臺。SBC2410V6支持WindowsCE、ARM-Linux等高檔操作系統，這些操作系統都已經具備了各種完善的網絡協議、多任務機制、文件系統、基于窗口的圖形界面以及很多現成的應用程序 （如瀏覽器、Web Server、Ftp/Telnet服務器、數據庫、各種圖片格式顯示、媒體播放等）等，因此開發更加簡單、方便，更可以充分利用很多免費的Linux軟件資源。同時SBC2410V6還設置了很多擴展模塊，如多串口模塊、IDE硬盤轉接板（基于DMA方式）、矩陣鍵盤、USB hub、數據采集模塊、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品推向市場。

（4）LCD電壓選擇。當跳線選擇5V一側的兩針時，將為LCD模塊提供5V供電；當跳線選擇3.3V一側的兩針時，將為LCD模塊提供3.3V供電。

3 軟件實現

由于該系統采用的是一點對多點的雙向數據傳輸，因此每家的表都有自己的地址碼。上位機可以查詢下位機，下位機也可以定時發送數據給上位機。本系統要實現的目的是一機（上位機）對多機（下位機）的通訊控制，其通訊軟件主要分為兩部分：上位機與下位機的遠程通訊軟件；單片機與GSM/MODEM的串行通訊軟件。

4 結論

對于電力部門來說，遠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、物力和財力。因為變電站數量眾多，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短信息抄表系統對各重要電力節點進行監控，自動讀取相關數據并加以分析，還可進一步進行遠程控制或設備維護，可減少人力資源、縮短修護時間并節省專線建設成本。

[1]陳榮保.基于MODEM和單片機的遠程通訊系統設計與實現[J].微電子學與計算機，1999.

[2]王保義，孫淑琪.無線通信分布式電量自動抄表系統的設計[J].華北電力技術，1998，（1）.