智能電表數據傳輸通訊多重保護機制設計

張海峰

摘要：對遠程控制的單相智能電表的通訊系統進行了可靠性設計。首先對其要完成的功能進行了描述，然后對其通訊的硬件外圍電路了設計，最后用485總線與上位機進行通訊，完成了遠程控制所需要的三個關鍵寄存器的參數設置，對通訊系統進行了可靠性設計，包括上下位機單片機時鐘頻率的選擇和參數的設置使得波特率一致，通過數據通訊的偶校驗、數據加密、數據和校驗、數據的多次發送來使得通訊可靠性大大提高。

Abstract： The reliability design of the remotely controlled single-phase smart meter communication system is carried out. This article first describes the functions to be completed， and then designs the hardware peripheral circuits for communication. Finally， it uses the 485 bus to communicate with the upper computer， and completes the parameter settings of the three key registers required for remote control. The system has been designed for reliability， including the selection of the clock frequency of the upper and lower computer and the setting of parameters to make the baud rate consistent. Through the even communication of data communication， data encryption， data and verification， and multiple transmission of data， the reliability of communication is greatly improved.

關鍵詞：單相智能電表;通訊;校驗;可靠性

Key words： single-phase smart meter;communication;calibration;reliability

中圖分類號：TM933.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0284-04

0? 引言

隨著大學對學生的生活環境更加重視，高校宿舍裝空調已經越來越普遍，很多高校都要對原有的宿舍線路和電表加以改進來適應新的用電要求。一般來說，高校宿舍的用電負載主要包括插座、照明、空調三種回路，這三種回路由于所用時間一般不同，如插座一般要求24小時有電，照明需要早晚有電，而空調一般夏季才使用，所以，這三路一般是分開走線。而在供電側進行三路繼電器分別控制。但由于學生宿舍經常違禁使用熱水壺、電熱毯、電吹風、電磁爐等大功率電器，傳統的電表不能識別這些用電設備造成宿舍安全隱患。新型基于實時功率檢測的智能電表除了具有傳統電表能進行數據的采集、計量和傳輸外，在保證空調正常使用前提下，要能檢測惡性負載，既保證用電的安全，又保證宿舍環境舒適[1-2]。具體采取的方式是當識別出惡性負載后，切斷宿舍的所有電路進行警告，然后10s后恢復供電，如果惡性負載還沒有去除，又被檢出，再一次斷電警告，然后10s后再恢復供電，如果再一次檢出還有惡性負載，斷電后將不再供電，也就是說，在長時間斷電之前有三次去掉違禁用電器的機會，這種人性化的設計使得學生多了些理解，少了些抱怨，這個過程中需要有效識別惡性負載，為了不出現不能識別或者錯誤識別的情況，不但需要功率計量準確，更重要的是在數據通訊過程中不能出現錯誤，保證數據的實時性和準確性，這樣為后續的功率計算以及負載識別打下良好的基礎。為了保證通訊的實時性，本文設計的智能電表采用485總線與上位機進行通訊，進行遠程數據的傳輸和控制。在一些高校的應用表明，采用此設計方案抗干擾性強，可靠性高。

1? 單相智能電表所能完成的功能

本文所研究的單相智能電表具有的功能如下：

電表同時監測輸出電壓、電流、功率等各種用電參數，顯示剩余電量、總用電量、已購電量，預購電量、無費關斷、欠費斷電提示、透支額度可以通過軟件設置。最大功率限制（負載限制功率可任意設置，超過限額自動斷電。惡意負載限制（惡意負載功率可任意設置（阻性負載功率），有效設備阻性負載，防止火災發生。具有惡意負載的識別功能，能對30W以上甚至更小的阻性負載進行有效識別，而不影響其他電器的正常使用，為杜絕安全隱患提供了可靠保證;空調等電器正常使用。實時采集電壓和電流波形，通過2個周期的波形數據特征，判斷發熱電器和防限電插排。反限電插座識別（通過技術手段有效識別反限電插座的違規使用，杜絕安全隱患）目前防欠電插座市場上采用可控硅變壓、全波半波技術破解限電器。每個房間可實現照明、插座、衛生間等多回路管理，控制輸出分別對應控制房間內的照明回路，插座回路，空調回路，衛生間回路，實現分路用電管理。在不需要空調的季節關閉空調回路的電路，正常時每天晚上熄滅照明和插座回路。在用空調的季節晚上熄燈后留著空調回路，夜間熄燈后留著衛生間燈光。同時違章用電未處理時，停止插座回路的供電。時段小功率管理（夜間熄燈后只允許使用充電器臺燈等電器）。總功率限制保護設置：對每個房間設置最大用電功率保護;同時該保護具備白天模式、空調模式、夜間模式;在夜間熄燈后，只有衛生間照明時，自動把房間總功率保護調整到設定值（如50W），以防止夜間從衛生間取電的違規用電行為。

2? MAX483通訊外圍電路設計

485總線采用半雙工方式工作，網路傳輸采用雙絞線方式，發送電路時需要用使能信號加以控制。半雙工數據在傳輸的過程中只能在一個方向上進行傳輸，等待一方的數據傳輸結束以后，由另外一方再做回應。本設計方案中RS485通信所用的是低功耗收發器芯片MAX483，其芯片電路如圖1所示，在MAX483芯片中每個元器件中都只含有一個接收器和一個驅動器，它含有的是有限功率驅動器，它不僅能夠減少電磁干擾，并且也使得使用不恰當的終端匹配電纜而產生的反射有所下降，能夠完成最大250kbps無差錯數據傳輸。接收器具有失效保護功能，當輸出端開路，能夠保證輸出邏輯是高電平。電路左邊有3個型號NEC2501光耦，起到隔離作用，以防MAX483芯片和單片機的信號相互干擾。右邊的瞬態抑制二極管P6KE10CA是吸收浪涌功率用的，能在極短時間內承受反向電壓沖擊，使兩極間的電壓被鉗制于一特定電壓上，避免后面的電路受到沖擊，連接時必須反向工作在電路電源地兩端[3]。

采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可;RE和DE端分別為接收和發送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態;當DE為邏輯1時，器件處于發送狀態，因為MAX485工作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可;A端和B端分別為接收和發送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發送的數據為1;當A的電平低于B端時，代表發送的數據為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX483的接收和發送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。

3? RS485串口通訊寄存器參數設置和初始化

在RS485通訊過程中，采用的是串行通訊口，可以對UART6進行初始化后，將數據處理程序放在接收標志之后，使可對接收到的數據或命令進行響應，UART6的初始化主要包括異步串行接口操作模式寄存器ASIM6、時鐘選擇寄存器CKSR6和波特率發生器控制寄存器BRGC6這三個寄存器[4]。

3.1 異步串行接口操作模式寄存器ASIM6設置

該8位寄存器用于控制串行接口UART6的串行通信，可由1位或8位存儲器操作指令設置該寄存器。其8位符號如表1所示。

3.2 時鐘選擇寄存器CKSR6設置

該寄存器用于選擇串行接口UART6的基本時鐘fXCLK6，可由8為存儲器操作指令設置CKSR6。其8位符號如表2所示。

3.3 波特率發生器控制寄存器BRGC6

波特率發生器控制寄存器BRGC6，該寄存器用于設置串行接口UART6的8位計數器的分頻值，可由8位存儲器操作指令設置BRGC6。其8位符號如表4所示。

波特率發生器控制寄存器不同參數設置對應的不同輸出時鐘，輸出時鐘范圍廣泛，所以相應有252種不同的波特率，其對應的時鐘輸出如表5所示。

3.4 電表的初始化程序

本電表的初始化程序設計：

4? 通訊的可靠性設計

4.1 上下位機的波特率一致性

上下位機的波特率一致性是保證數據可靠傳輸的源頭，在選擇設計時候必須引起足夠的重視[5]。下位機電表采用的單片機和上位機收發器采用的單片機生產廠家不一樣，時鐘頻率也不一樣，這樣在進行通訊時，可能波特率不一致造成誤差，通過我們的選擇，保證了二者的速率一樣，不會造成通訊的延遲。

電表通訊的波特率計算公式：

4.2 軟件設計保證數據傳輸的可靠性

首先數據通訊時采用9為異步通信，每幀數據均為11位，1位起始位為0，8位數據位（先低位），1位可程控為1或0的第9位數據位和1位停止位，數據通訊采用偶校驗，如果接收的數據不能通過校驗，通訊會自動報錯。

軟件設計的流程圖如圖2所示[6]，如果接收的數據個數為0，報告沒有接收數據，返回接收值為0XFF。如果只接收到一個數據，要判斷接收的數據是不是電表號，因為在通斷電時，只需要接收和發送電表號一個數據，設計要求要保證各宿舍斷電時間前后不超過3分鐘，因為時間太長會造成學生的抱怨，為什么有的宿舍關燈早，有的宿舍關燈晚。解決的辦法主要一個增加上位機收發器的數量，二是要求通訊的數據盡量少，減少發送數據的時間。在進行判斷時，要將電表號加上0x33看是否與接收的數據一致，因為在上位機發送數據時，為了增加數據的可靠性，對數據進行了加密，加了0x33。如果數據超過一個，首先檢驗第一個數據是不是空格，因為在發送數據前發送一空格，相當于提示通訊接口要進行正式數據通訊了，保證數據傳輸的可靠性。然后接收后面的4個數據，這些數據包括控制字如寫電量、功率設置等，電表號，用戶號，電量等，如果沒有，就用0填充，這些數據和前面的電表號一樣也進行了加密，為了保證這些數據的準確性和可靠性，第5個數據是校驗數據，如果前面4個數據的和與第5個數據相等，就表明傳輸數據沒有錯誤，然后把這4個數據減去加密數據后存入接收SBUF，準備發送，為了保證這些數據有效接收，每組數據（包括1個空格和5個數據）發送兩次，如果數據接收錯誤，發送字母“N”，這樣通過偶校驗、加密、數據和校驗、多次發送，保證了數據傳輸的準確率和可靠性，實驗表明，錯誤率小于萬分之一，對于大學宿舍用電已經非常可靠，學生基本沒有不滿意的情況發生。

5? 結論

本文對遠程控制的單相智能電表的通訊系統進行了可靠性設計。包括軟硬件的設計工作，硬件設計工作主要是進行了外圍電路設計和元器件的型號參數選擇，軟件設計主要是完成了遠程控制所需要的三個關鍵寄存器的參數設置，上下位機單片機時鐘頻率的選擇和參數的設置使得波特率一致，通過數據通訊的偶校驗、數據加密、數據和校驗、數據的多次發送，使得系統的通訊可靠性大大提高，通過這些改進措施，實驗結果表明大大超過了最初的設計指標，現已在某些高校得到了較好的應用。

參考文獻：

[1]劉朝輝.智能電表發展前景及市場容量分析[J].市場營銷，2015（2）：36-37.

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[3]陳斌斌，孫衛華，杜志平.基于NEC單片機的智能電表控制系統設計[J].電子測試，2015（3）：16-18.

[4]陳術，王海坤，梁小娜，等.物聯網電表抄表及遠程電力服務系統應用研究[J].信息與電腦，2017（13）：129-130.

[5]許曉毅.基于嵌入式的智能抄表管理系統設計[J].智能處理與應用，2015（6）：70-71.

[6]熊文，王莉，肖健，等.一種RS485串口通信電路的高可靠性設計[J].自動化與儀器儀表，2017（3）：43-45.

[7]李偉.基于遠程費控的智能電表的設計分析[J].價值工程，2018，37（36）：279-280.