電子電能表與電能測量技術講座-基于無線網(wǎng)絡的電能遠程抄表系統(tǒng)

2.1電能計量與采集
　　計算某一負載的電能W可對瞬時功率p在一段時間Δt內(nèi)積分得到。
　　?
　　電能的計量采用美國AD公司專門設計的一款高準確度電能測量集成芯片AD7755［1］。它的精度高，在500∶1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%，且芯片外圍電路簡單，便于系統(tǒng)的開發(fā)。引腳V1P、V1N為電流通道的正、負模擬輸入端(差動輸入)，正常工作最大信號電平為±470mV。V2P、V2N為電壓通道的正、負模擬輸入端(差動輸入)，正常工作最大輸入電壓為±660mV。芯片引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，它們能直接驅動機電式計度器或微控制器(MCU)接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值，用于校驗或與MCU接口。
　　電表數(shù)據(jù)的采集過程是：首先對輸出脈沖計數(shù)，然后乘以每個脈沖代表的電量。實現(xiàn)時可利用單片機AT89S51對外部脈沖的計數(shù)功能。數(shù)據(jù)顯示采用十進制數(shù)來表示用戶當前的用電量。
2.2多用戶抄表設計
　　為了降低系統(tǒng)成本，采用多用戶共用通信模塊的多機通信功能［2］。在單片機串行口控制寄存器SCON中有一位多機通信控制位SM2。當串行口以方式2或3(9位異步通信方式)接收數(shù)據(jù)時，若SM2=1，則僅當接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時，本幀數(shù)據(jù)才裝入接收緩沖區(qū)SBUF，且置接收中斷標志位RI為1，向CPU發(fā)出中斷請求信號；若第9位數(shù)據(jù)為0，則不產(chǎn)生中斷請求信號，數(shù)據(jù)將丟失。SM2=0時，則接收到一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，不管第9位是0還是1，都產(chǎn)生中斷標志，將接收數(shù)據(jù)裝入SBUF。本系統(tǒng)中多用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)如下圖所示。

　　主從式多用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程如下：首先，由系統(tǒng)初始化程序分別將主機和從機的串行口編程為方式2，REN=1，允許串行口中斷，主機置SM2=0，從機置SM2=1；其次，主機向各從機發(fā)送地址“01”，各從機接到數(shù)據(jù)后進入中斷服務程序，判斷地址是否與本機地址一致。在此期間只有從機1的地址與“01”相符，因此置SM2=0，向主機傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送完畢，從機置SM2=1，主機向從機2發(fā)送地址信息并等待接收數(shù)據(jù)。所有從機數(shù)據(jù)傳送完畢，程序循環(huán)進行。
　　圖3和圖4分別為多用戶數(shù)據(jù)傳輸中主機和從機的數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖(以兩個從機為例)。

?

　　通信控制單元是數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)的核心部分，它通過AT指令實現(xiàn)對短信收發(fā)模塊的控制，把電能數(shù)據(jù)以短消息的形式送至管理端，并通過接收到的控制字符采取相應的控制動作。
　　AT指令是短信收發(fā)模塊與外部控制設備之間的接口。為了實現(xiàn)短消息的收發(fā)和系統(tǒng)的控制與管理，可通過設定特征字符的方法實現(xiàn)通訊控制模塊和短信收發(fā)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。通信控制模塊通過串行口與GSM模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。此模塊工作時，如接收到GSM模塊傳送的數(shù)據(jù)，便進入串口中斷服務程序。在中斷服務程序中，對接收到的數(shù)據(jù)進行檢測，如果檢測到某一特征字符便調(diào)用相應的子程序。
2.4GSM模塊
　　本系統(tǒng)采用的GSM模塊為WAVCOME最新推出的新一代GSM模塊Q2403A，它與GSM phase2/2+兼容、雙頻(GSM900/GSM1800)、RS232數(shù)據(jù)口，符合ETSI標準且易于升級為GPRS模塊；該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發(fā)及設計。
　　短消息服務(SMS)屬于GSM第一階段(Phase1)的標準，是通過手機發(fā)送和接收有限長度的文本信息的功能。文本信息是詞語、數(shù)字和字母的組合，一條短消息可以包含160個英文字母(7bit編碼，文本模式)或70個非拉丁字母(16bit編碼，PDU模式)，如中文漢字或阿拉伯字等Unicode編碼［3］。系統(tǒng)中為了使發(fā)送的每一條短消息能夠最多的承載用戶數(shù)據(jù)可將GSM模塊設定為文本模式。?

　　管理中心的計算機為整個抄表系統(tǒng)的核心部分。由它發(fā)出抄表指令，并通過對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，發(fā)出切斷或接通用戶電源的控制指令。
　　管理端的應用軟件是在Visual Basic的環(huán)境下開發(fā)的。通過DAO(Database Access Object)模式，Visual Basic提供對數(shù)據(jù)庫的支持。DAO模型是設計關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構的對象類的集合。它們提供了管理關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所需要的全部操作的屬性和方法，這其中包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，定義表、字段和索引，建立表間的關系，定位和查詢數(shù)據(jù)庫等。管理中心的應用軟件所具有的功能有：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、控制、報表輸出等。
　　以上所述只是抄表系統(tǒng)的基本框架，為了實現(xiàn)抄表、繳費、查詢一體化，可將用電管理中心與定點收費銀行聯(lián)網(wǎng)，每到繳費期間系統(tǒng)自動劃掉用戶繳費卡上的本月電費。此外，管理中心還可通過無線網(wǎng)絡與用戶手機聯(lián)系起來，如發(fā)現(xiàn)繳費卡上的金額低于某一值，可通過短信息的方式通知用戶。這樣不僅提高了用電管理的工作效率，還方便了廣大用戶。本系統(tǒng)中，若采用CDMA收發(fā)模塊，則可同時在GSM和CDMA網(wǎng)絡完成電表數(shù)據(jù)自動抄收。

　　(1)垃圾短信。短信收發(fā)模塊有時會收到系統(tǒng)消息或其他垃圾短信，如果不能識別這些短信將會使系統(tǒng)的運行不穩(wěn)定，造成傳輸錯誤；(2)系統(tǒng)的安全性。因為數(shù)據(jù)的傳輸是靠特征字符來實現(xiàn)的，如果模塊收到的垃圾短信是以英文方式發(fā)送的話，系統(tǒng)的安全性將受到極大威脅。對以上問題采取如下辦法解決：
　　(1)通過特征字符來識別垃圾短信。例如，現(xiàn)在民用短消息一般為中文短消息，而中文短消息是不含特征字符的，這樣便可拒絕部分垃圾消息。對于英文短消息則通過加密處理來解決。(2)為了提高系統(tǒng)的安全性，在控制字符后再加類似密碼的一定位數(shù)的字符或數(shù)字，如加6位數(shù)字“121212”。當檢測到有控數(shù)字符時，首先啟動密碼檢測子程序，檢測的結果中如果沒有“121212”，或與“121212”不符，則新收到的短消息被認為是垃圾短信，不予處理。這樣便可大大提高系統(tǒng)的安全性。?