家庭自动抄表系统的设计.docx

家庭自动抄表系统的设计.docx

《家庭自动抄表系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《家庭自动抄表系统的设计.docx（34页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

家庭自动抄表系统的设计

目录

摘要1

关键词1

Abstract1

Keywords1

1自动抄表系统概述2

1.1自动抄表系统的研究背景及意义2

1.2国内外远程自动抄表系统的发展现状3

2电能远程自动抄表系统整体设计3

2.1系统方案的选择3

2.1.1自动抄表系统设计与GPRS系统原理3

2.2系统整体方案的设计与功能6

2.3小结7

3电能远程自动抄表系统的硬件设计8

3.1电能表的概述8

3.1.1电能表的选择与硬件设计8

3.2RS485总线9

3.3终端主控制器与外围电路的设计11

3.3.1AT89C51芯片基本结构和特点11

3.3.2微控制器外围电路的设计13

3.4终端通信模块硬件设计14

3.4.1通信模块的比较选择与SIM100简介14

3.4.2GPRS模块SIM100与外围电路设计15

3.5小结17

4电能远程自动抄表系统的软件设计18

4.1主程序设计18

4.2子程序设计20

4.2.1电能表的软件设计20

4.2.2RS485串行通信子程序21

4.3小结24

总结与展望25

参考文献26

致谢27

家庭自动抄表系统的设计

摘要：

公共事业收费自动化和小区物业管理智能化等领域的技术开发和应用越来越受到人们的重视，本文研究旨在提供一种利用低压电力供电网络，低成本高可靠地实现公共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。

在本文介绍了一种基于AT89C51单片机的复费率单相电能表的主电路及通信接口电路，给出了其具体电路，采用RS485作为专用电量测量芯片以保证测量脉冲数的准确性，硬件日历时钟及参数存储采用总线器件以减少电路连线。

综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高。

同时对系统的软件设计和可靠性设计也作了介绍。

关键词：

AT89C51;GPRS;RS485

DesignofFamilyMutomaticMeterReadingSystem

Abstract:

Techniqueoftransmittingdataviapowerline（PL）,anewtechniquedevelopedinrecentyears,isusedtoautomatizethefreecollectingsysteminpublicserviceandthemanagementofuptownservice.Thisarticlediscussedtheadvantage,disadvantageandthecurrentstateofthepowerlinecarriercommunication.Theadvantage,methodandcurrentstateofusingspreadspectrumtechniqueinpowerlinecommunicationarediscussed.Themaincontrolandcommunicatinginterfacecircuitsofthemulti-ratewatt-hourmeterbasedonAT89C51singlechipisdiscussedindetailinthispaper.Theprincipleofthemulti-ratewatt-hourmeterisalsointroduced.Themeasuringofwatt-hourhashigheraccuracybythespecialRS485.Addressesanddataoftheclock/calendaranddatastoragecircuitsaretransferredseriallyviathetwo-linebidirectionalI2Cbuswhichsimplifiescircuitandenhancesthereliability.Softwareandreliabilitydesignofthissystemarealsomentioned.

Keywords:

AT89C51;GPRS;RS485

1自动抄表系统概述

远程自动抄表系统：

一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统[1]。

作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的自动化带来了方便。

在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。

电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。

低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。

一.1自动抄表系统的研究背景及意义

在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。

我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。

随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。

传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在：

查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象。

以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。

国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。

随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。

远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。

采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。

采用远程自动抄表系统有如下优势：

采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。

采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。

远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收等都有积极的意义。

采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。

电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。

一.2国内外远程自动抄表系统的发展现状

目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和水流量表的自动抄表。

抄表技术的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。

我国内所采用的抄表方式大致可以分为三种：

一是传统的人工抄表方式；二是预付费方式；三是远程抄表方式。

当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。

[2]

本文以远程自动抄表系统的设计为研究内容，对国内外抄表系统的现状进行详细了解后，结合自己所学知识，以AT89C51为控制芯片，搭建了一个远程抄表系统，实现电能数据的远程采集，传送等功能；对硬件电路、软件流程的设计做了详细的阐述。

2电能远程自动抄表系统整体设计

远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，它分为硬件平台和系统软件两部分。

作为电力配电自动化系统的一个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。

本课题的远程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的GPRS技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。

2.1系统方案的选择

一个完整的自动抄表系统最终实现的目的是要将电能表的数据通过通信网络传递到远方计算机设备为用户和电能表管理方提供服务根据通信网络的不同选择自动抄表系统可以有各种组合方式。

2.1.1自动抄表系统设计与GPRS系统原理抄表系统的两个基本特点：

系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。

目前存在的抄表方式各有其适用场合：

红外抄表适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS-485总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。

电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式[3]。

本文设计的自动抄表系统整体由四部分组成：

监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。

系统组成框图如图2-1所示。

自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。

底层数据采集采用RS-485总线型通信方式。

上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。

鉴于GSM/GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GSM/GPRS网络作为上层通信方式。

图2-1远程自动抄表系统组成框图

监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。

底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。

采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有RS-485接口的智能型仪表；采集器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。

集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。

本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。

集中器利用RS-485总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GSM/GPRS网络把数据传送给上位供电部门管理中心。

在本文中集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。

数据传输形式的选择：

GSM/GPRS网络被选为上层通信方案的通信基础。

基于GSM/GPRS网络的数据传输通常有四种方式，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于Data方式（一种以电路交换为基础的传输方式）的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后就是通过IP方式的数据传输。

下面对四种基于GSM/GPRS网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍。

基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用AT指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。

目标机接收到短消息后，利用AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。

短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。

基于Data方式的数据传输是利用GSM的Data传输方式，通过AT指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将ASCII码数据送入通信模块即可。

通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收ASCII码信息。

基于Data的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。

通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。

该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好（电路交换方式），但由于GSM系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。

该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。

基于IP的数据传输方式是GPRS系统独有的，因为GPRS是在GSM网络基础之上新增两个节点（SGSN和GGSN）而形成的移动分组数据网络。

由于GPRS数据传输的基础是TCP/IP协议，因此基于IP的数据传输方式核心的内容是TCP/IP协议的转换。

基于IP的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是GPRS终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。

鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把GPRS作为上层通信信道进行无线数据传输。

同时GPRS又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。

数据采集终端的通信模块也将相应的选择GPRS模块。

组网方式的选择：

GPRS是目前较好的无线传输方式，利用单片机实现GPRS的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是GPRS终端如何自动附着到GPRS网络上，对于这个问题，实际上也就是选择GPRS远程通信系统的组网方式。

利用GPRS通信方式组网有三种方式：

专线接入方式，从移动公司到用户的远程监控中心的服务器端接一条DDN专线，通过数据专线将数据由GPRS网关服务器GGSN传送到监控中心，移动公司在GGSN上为用户配一个专门的APN节点，从而在GPRS终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网（VPN）通道；GPRS接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请APN服务，获得GPRS内部网固定IP，所有的GPRS终端在拨号上网后将获得的动态IP向监控中心的监控软件进行注册，以便监控中心至终端的下行通信；Internet接入方式，用户的远程监控中心采用ADSL等与Internet建立连接，申请一个公网IP地址，通过Internet将数据由GPRS网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式：

远程监控中心在连接Internet时向域名服务器注册动态IP地址，而GPRS终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态IP地址[4]。

比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高，但成本也高。

第二种方式的数据传输全部在GPRS网内进行，安全性高，远程的GPRS接口终端通过GPRS方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内IP，而该类IP很难申请到。

第三种方式要求远程监控中心用有一台连接Internet的服务器和公网IP地址，用户通过Internet，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。

这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。

本系统正是采用第三种组网方案，通过GPRS接入Internet实现数据的传输。

GPRS系统原理MS与GSM基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。

SGSN与GGSN进行通信GGSN对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。

来自Internet标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到MS。

SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络与MS之间的接口。

SGSN的主要作用是记录MS的当前位置信息，并在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收）。

GGSN通过基于EP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，将GSM网络中的GPRS分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网[5]。

GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网（Internet和Intranet）的网关。

其原理图结构如图2-2所示。

图2-2GPRS系统原理图

2.2系统整体方案的设计与功能

系统主要是由电度表、带GPRS模块的采集终端、带系统软件的主站组成。

监控中心服务器GPRS通讯模块是以浮动IP地址的方式连接到Internet的,其IP地址每次连接时都不一样。

监控中心的服务器本身必须绑定了一个固定的IP地址,并且以此IP地址接入Internet,便于GPRS模块与服务器连接。

这样监控中心服务器就可以从绑定的IP地址上接收每个GPRS通讯模块发送来的数据。

接收到电能表数据后,监控中心软件对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,并对异常情况进行报警,同时对用户使用情况实现实时监控。

电能表数据采集终端GPRS模块是嵌入到数据采集终端中的,与采集终端MCU的串行口连接,进行RS232通讯。

采集终端通过RS485采集智能电能表的数据，对数据进行简单的分类存储,然后按照与监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理,利用短消息的方式发送到监控服务器[6]。

智能电能表智能电能表的功能是计量用电量的大小,监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485的方式传送给数据采集终端。

可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。

主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作[7]。

系统数据传输的工作原理如下：

终端通过RS232/485接口接收用户电表的数据，然后将数据打包成IP协议包，通过GPRS模块内置的SIM卡搜索GPRS网络后接入，处理后以GPRS分组的形式发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，发送到GPRSIP骨干网，然后将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部Internet网络，再通过GPRS服务器，将数据发送到数据监控中心。

其数据传输流程图如图2-3所示。

图2-3自动抄表系统数据传输流程图

功能：

由于系统中采用GPRS作为传输方式，并采用智能电能表，因此该系统具有定时抄表功能、实时抄表功能、预付费控制功能、，电能表监测功能、系统管理功能。

基于GPRS的无线网络的抄表系统结构简单，控制容易，不需要重新组网，可方便的推广到不同地域使用。

使用GPRS的电能远程抄表系统具有以下特点：

实时性强、可对电表设备进行远程控制、建设成本少低、集抄范围广、系统的传输容量大、数据传送速率高，通信费用低。

2.3小结

本章通过对比自动抄表系统的实现方案，构建了一种底层通信基于RS-485总线，上层通信基于移动通信系统的复合式自动抄表系统。

分析了基于GSM/GPRS的四种数据传输方式，基于短消息的数据传输方式适用于本系统。

分析了GPRS通信的三种组网方式，Internet接入方式资费低，前期投资小，实施方便，适于远程通信系统选用。

简单介绍了GPRS的原理及远程抄表系统的优点。

从而在系统构建数据传输和组网方式上完成了复合式自动抄表系统的构建。

3电能远程自动抄表系统的硬件设计

任何一个系统功能的实现都离不开硬件的支持，它是系统功能实现的物质基础。

硬件的设计要根据功能的要求和系统的工作原理来进行。

对于该系统来说，最关键的部分是集中器即数据采集终端的实现，它连接上位监控中心服务器与下端抄表采集器。

3.1电能表的概述

电能表是记录电能累积值的专用仪表，是所有电气测量仪表中使用量最多的仪表。

电能表的种类型号很多，但它们的基本结构大同小异。

由驱动元件、转动元件、制动元件、积算机构（记度器）、调整装置及辅助部分组成。

3.1.1电能表的选择与硬件设计目前我国的电能表按其用途可分为以下几类：

单相电能表：

单相电能表广泛应用于计量居民、机关、商店等的照明、家电等用电量，这是应用最多的一种电能表。

三相有功电能表：

三相有功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的有功电量，这是最重要的一种电能表。

三相无功电能表：

三相无功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的无功电量，安装后可用来反应无功电量，间促使用户提高功率因素。

最大需量表：

最大需量表应用于计量工厂企业使用有功电量，同时还能指示出在指定时间间隔内平均最大功率的电能表。

复费率电能表：

复费率电能表又叫分时计费电能表，它是将昼夜里指定几个时段进行累计每个时段的用电量。

根据系统的设计需求，本设计选用属于复费率电能表一类的电子式电能表，它能够很好的实现自动抄表系统所需要的各种功能。

电子式电能表的框图如下图3-1所示。

图3-1电子式电能表硬件结构图

这是一款智能型高科技电能计量产品，该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。

主站可以通过RS-485总线对该电表进行查表、设表、抄表等操作。

多功能表总体结构，电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器，它负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。

其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS-485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等；其他辅助模块主要有：

时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。

多功能表总体结构框图如图3-1所示。

高性能主控制器单元，主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品μPD78F0338。

该款单片机为120脚QFP封装，单片集成有60kBFlash、一个异步通信串行口、40×4段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC，并可通过简单的接口进行在系统编程，极大地方便在线调试和软件升级。

并且支持高级语言，较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。

串口复用通信单元，本电能表设有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式，因为μPD78F0338仅有一个串口，故通信电路设计时采用串口复用技术。

由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关，由MCU的一个I/O口来控制红外和RS-485通信方式切换[8]。

如图3-2所示。

图3-2通信串行口复用电路

高精度电量计量模块，计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器和其他外围电路元件组成。

SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片，可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等，可以单独计量每一相的用电信息，符合IEC521/1036标准，可达到1级交流电能表的精度要求，各数据寄存器具有24位精度，可通过三线SPI接口与CPU交换数据。

从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。

3.2RS485总线

RS485的接口是TLA/EIA-485所描述的接口。

RS-485总线抄表系统结构如图3-3所示。

RS-485总线抄表一般使用双绞线作为网络总线，对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电冲击的收发器，直接使用RS-485驱动芯片即可构成通信网络。

RS-485总线抄表方式技术简单、成熟，易于实现，且总线传输速率高，可靠性好。

图3-3485总线结构

典型的串行通讯标准是RS232和RS485。

它们定义了电压,阻抗等.但不对软件协议给予定义，区别于RS232,RS485的特性包括：

RS-485的电气特性：

逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。

接口信号电平比RS-232-C