一種低成本農(nóng)村智能抄表系統(tǒng)設(shè)計

么傳靠，于會山

（聊城大學 物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252000）

一種低成本農(nóng)村智能抄表系統(tǒng)設(shè)計

么傳靠，于會山

（聊城大學 物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252000）

分析了目前我國農(nóng)村的電表使用情況，并針對我國農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展狀況，以最大程度降低成本為目標，提出了一種適用于我國農(nóng)村地區(qū)的遠程智能抄表系統(tǒng)。系統(tǒng)有電能表、采集器、集中器、遠程控制中心組成。采集器與集中器之間利用低壓電力載波線進行通信，集中器通過GSM網(wǎng)與遠程控制中心進行互聯(lián)。采集器和集中器采用價格低廉的AT89C52作為控制器，降低了系統(tǒng)成本。

智能抄表系統(tǒng)；低壓電力載波；GSM；AT89C52

目前我國農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)是一戶一表，采用傳統(tǒng)人工手抄方式不但費時、費力，而且可能會出現(xiàn)漏抄、誤抄、估抄等現(xiàn)象[1]。而智能抄表系統(tǒng)不但克服了上述缺點，而且還能實時監(jiān)測每一用戶使用電能的情況，實時了解供電網(wǎng)絡(luò)的負載情況，以及供電線路網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況等。因此如何以最小成本建立一個適合于農(nóng)村地區(qū)的智能抄表系統(tǒng)是一個急需解決的問題。本文提出了一種適用于農(nóng)村地區(qū)的低成本智能抄表系統(tǒng)，但農(nóng)村很多用戶的電表還是老式機械表，若將它們?nèi)珦Q成載波表或電子表成本太高，因此，需在老式機械表內(nèi)安裝槽型光耦，才能對其脈沖信號進行采集，從而實現(xiàn)智能抄表。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本抄表系統(tǒng)由電度表（老式的轉(zhuǎn)盤式電能表需安裝槽型光耦，才能對其脈沖信號進行采集。電子式電表可以直接采集其脈沖信號）、采集器（將多個用戶電表的用電量采集存儲下來，并能接受集中器的控制命令將采集的用戶電表數(shù)據(jù)上傳給集中器）、集中器（接受控制中心指令，將用戶用電量數(shù)據(jù)上傳給遠程控制中心）、遠程控制中心（負責整個用電管理區(qū)所有集中器數(shù)據(jù)的抄收、計算管理、控制和打印、查詢）組成[2]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall design of the system structure

1.1 采集器

現(xiàn)在農(nóng)村電表大都是多戶電表集中安裝在表箱當中，因此只需在每個表箱安裝一個采集器來采集表箱中所有電表數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采集器利用AT89C51作為控制芯片，可同時采集最多十六塊電表數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過電力線傳給集中器。其部分外圍電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:掉電保護電路在系統(tǒng)正常工作時，主電源為電池持續(xù)充電直到充滿；在系統(tǒng)掉電時，備用電池可繼續(xù)為單片機供電48小時，可有效保護數(shù)據(jù)完整性。看門狗電路可防止系統(tǒng)異常時，使系統(tǒng)有效復(fù)位，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。單片機串口通過RS485接口轉(zhuǎn)換電路與具有485接口的電能表相連接，來完成電表數(shù)據(jù)的采集。電源電路產(chǎn)生采集器部分所需要5、12、15伏電壓，保證各硬件電路正常工作。狀態(tài)指示電路用于指示采集器工作狀態(tài)[3]。

圖2 采集器部分外圍電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Collector part of peripheral circuit structure diagram

系統(tǒng)采用低壓電力線載波通信，但由于現(xiàn)場條件存在斷續(xù)的尖峰噪聲干擾、負載阻抗隨機變化和信號衰減強烈，其通信條件惡劣，因此必須采用專用電力載波通信芯片來改善上述問題。SC1128芯片內(nèi)部集成了擴頻／解擴、調(diào)制/解調(diào)、D/A和A/D轉(zhuǎn)換、內(nèi)置電子表、輸出驅(qū)動、輸入信號放大、看門狗、工作電壓檢測以及能夠與單片機進行（MCU）串口通信等功能[4]。采用該芯片可以起到降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)功能的作用。

SC1128發(fā)射或接收數(shù)據(jù)是通過SR、TX和SYN 3個端口進行的。SR=0電路處于接收狀態(tài)，SR=1電路處于發(fā)射狀態(tài)。它的外圍電路由耦合電路、帶通濾波電路、PAMP功放電路、功放電路組成。信號由電力線經(jīng)耦合器、帶通濾波器和功放大電路進入SC1128芯片。經(jīng)過處理后供AT89C51處理。數(shù)據(jù)由AT89C51送至SC1128芯片，經(jīng)過處理后通過PAMP功放電路和耦合器發(fā)送至電力線上，完成電力線上的發(fā)送和接收。采集器與SC1128的邏輯工作框圖如圖3所示。

圖3 SC1128的邏輯工作框圖Fig.3 Logic diagram of SC1128

1.2 集中器

集中器位于臺變的控制中心，它采用AT89C52做控制器，上行信道利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)，通過GSM MODEM[5]連接遠程控制中心，下行信道通過電力載波模塊連接采集器。上/下行通道使用模塊化設(shè)計，使用方便，便于系統(tǒng)維護和升級。集中器通過電力載波模塊與采集器通信，將取得的電表數(shù)據(jù)存于外部存儲器；集中器通過GSM網(wǎng)以短消息形式接受遠程控制中心抄表指令，然后將外部存儲器中的數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

1.3 遠程控制中心

圖4 集中器的工作框圖Fig.4 Logic diagram of concentrator

遠程控制中心負責整個用電管理區(qū)內(nèi)所有集中器數(shù)據(jù)的抄收、計算、管理、控制和打印查詢?nèi)蝿?wù)。管理中心位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)變電所，設(shè)置一至數(shù)臺抄表計算機，通過GSM網(wǎng)與各自然村各臺集中器進行通信，完成各種數(shù)據(jù)的接收及下發(fā)控制命令。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5[6]。

圖5 遠程控制中心的結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Logic diagram of remote control center

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本部分主要介紹采集模塊部分的程序結(jié)構(gòu)框圖，包含主程序部分、數(shù)據(jù)采集部分、通信部分。主程序部分完成采集器及其外圍器件的初始化并完成電表電量的采集，接收集中器命令，然后分析命令，上傳集中器所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集部分：在初始化完成后，采集器立即進入檢測脈沖階段，每隔一秒采集一次電表脈沖，計算脈沖個數(shù)并進行存儲。通訊部分：采集器通過電力線與集中器互聯(lián)，當采集器器收到集中器上傳數(shù)據(jù)指令時，若驗證指令正確，立即上傳存儲于外部存儲器的數(shù)據(jù)。它們的軟件流程圖如圖6~8。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

3 結(jié) 論

圖7 通訊程序流程圖Fig.7 Communication program flow chart

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.8 Flow chart of data acquisition

本系統(tǒng)上行信道使用電力載波芯片SC1128，使得采集器與集中器之間利用低壓電力線進行通信成為可能，系統(tǒng)下行信道利用覆蓋全國的GSM短消息服務(wù)，因此上下信道均無需再鋪設(shè)線路，降低了系統(tǒng)成本。另外本系統(tǒng)較傳統(tǒng)人工抄表系統(tǒng)，抄表效率和數(shù)據(jù)實時抄收的可靠性得到了提高，適應(yīng)了電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的進程，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1]胡云.幾種電能表遠程抄表系統(tǒng)的分析與系統(tǒng)田[J].低壓電器，2009（8）：28-29.

HU Yun.Several electric energy meter system analysis and field remote meter reading system[J].Low Voltage Apparatus，2009（8）:28-29.

[2]楊震，章舸.行業(yè)前沿[J].電力遠程自動抄表系統(tǒng)初探，2010，10（4）:30-32.

YANG Zhen，ZHANG Ge.The forefront of the industry[J].Study on Electric Power Remote Automatic Meter Reading System，2010，10（4）:30-32.

[3]李華，孫曉民.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京航空航天大學出版社，1999.

[4]秦沖.基于SC1128芯片電力載波擴頻通訊系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，2（2）：143.

QIN Chong.Research and design of SC1128 chip power line carrier communication system based on new technology[J].New Products in China，2012，2（2）:143.

[5]韓斌杰.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[6]劉廷霞，修吉宏，李建海.電力線載波智能抄表系統(tǒng)[J].電氣自動化，2003，3（6）:61-64.

LIU Ting-xia，XIU Ji-macro，LI Jian-hai.Carrier intelligent meter reading system of power lines[J].Electrical Automation，2003，3（6）:61-64.

Low cost design of the rural intelligent meter reading system

YAO Chuan-kao，YU Hui-shan
（School of Physical Sciences and Information Engineering Liao Cheng University， Liaocheng 252000， China）

Analysis of the current use of rural electricity meters，and according to the situation of economic development in rural areas of China， to the greatest extent to reduce costs as the goal， intelligent remote meter reading system is presented which is applicabletoChina’sruralareas.Thesystemiscomposedofelectricenergymeter， collector， concentrator， theremotecontrolcenter.Betweencollectorsandconcentratorsuselowvoltagepowerlinecarriercommunication，concentratorthroughtheGSMnetworkand remotecontrolcentreforinternet.ThecollectorandconcentratorusescheapAT89C52ascontroller，whichreducesthesystemcost.

intelligent meter reading system；low-voltage power line carrier；GSM；AT89C52

TN87

A

1674-6236（2014）02-0171-03

2013-05-18 稿件編號：201305191

么傳靠（1987—），男，山東聊城人，碩士。研究方向：智能信息處理。