基于无线识别技术的预付费电能表的设计毕业设计.docx

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基于无线识别技术的预付费电能表的设计毕业设计

摘要

IC卡预付费电能表采用先购电后用电的管理模式,在一定程度上解决了电力部门收取电费难的问题.然而IC卡预付费电能表存在许多问题,首先是由于电力部门缺乏对IC卡电能表用户的监管,难以发现和查处窃电行为;其次是IC卡易被污染和损坏,开放式卡口易被攻击导致内部系统混乱;再次是一表一卡的管理方式不适宜人员流动性大的场所。

本设计的主要目的就是为了解决IC卡预付费电能表存在的问题。

本文首先介绍电能表的发展和在我国的应用状况,指出IC卡预付费电能表存在的问题,说明基于射频识别技术的多用户电能表的设计意义及功能原理。

其次介绍射频识别技术的发展及基本原理。

最后对基于射频识别技术的多用户电能表进行硬件电路与软件程序的设计。

本设计的软件采用模块化设计方案。

软件划分为五大模块:

通讯模块,电能计量模块,声光报警模块,射频卡读写模块,显示模块。

每一模块又划分为若干个子程序。

关键词:

电能表；射频识别技术；电能计量;IC卡

Abstract

PrepaymentICWatt-hourmeteradoptsthemodelthattheusersmustpaytheelectricityfirstandthenuseit.itsolvetheproblemwhichtheelectricdepartmentgatheredthepaymentsfromtheelectricusers.HoweverthePrepaymentICWatt-hourmeterexistsevereproblemofitselfown.Thefirst,theelectricdepartmentlackssupervisingandmanagingtotheseWatt-hourmeter,electriclarcenyisverydifficultbediscoveredandinvestigated;Thesecond,ICcardispollutedanddamagedeasily,anditiseasytobeattackthewithinsystemthroughtheexotericcardinterfaceandwillleadtothewithinsystemconfusion;Thethird,itisunaccommodatedinpublicplacethatameterread_writeacardonly.

ThemainpurposeofthisdesignistosolvethedisadvantageofPrepaymentICWatt-hourmeter.ThisarticlefirstintroducestheWatt-hourmeter'sdevelopmentandapplicationinourcountry,andpointsouttheProblemofPrepaymentICWatt-hourmeter,andexplainsthesignificanceandfunctionprincipleofthemulti_userWatt_hourmeterbasesonRFID.Secondly,itintroducesthedevelopmentandfundamentPrincipleoftheradiofrequencyrecognitiontechnology.

Thisdesign’ssoftwareadoptsmodularization,thesoftwareisdividedintofivebigmodules:

communicationmodule,electricalenergymeasurementmodule,theacoustie_opticsalarmmodule,theradiofrequencycardread_writemodule,eachmoduledividesintocertainsubroutines.

KeyWords：

Thewatt_hourmeter;Radiofrequeneyidentification;Energymeasurement；ICcard

第一章绪论

1.1课题背景及意义

随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，各行业对电力能源的需求不断增加的同时对电力计量的精度和电能的收费方式也提出了更高的要求。

由于我国电力系统普遍存在着技术落后、设备陈旧等问题，导致电力系统的管理水平和配电自动化程度较低，大部分地区长期以来一直采用人工抄表的收费方式，导致大量的电费不能及时回收。

因此普遍存在“收费难”的现象，这种现象的存在不仅影响和制约着电力企业的发展，同时抑制着我国的经济发展。

随着科学技术的不断提高，能量计的发展从机电式费拉里计数器发展为全面的电子式计数，电子表的发明不仅提高了计量的精度且能够实现自动抄表并能测量以前无法测量的功率因数等参数。

此外，它的通信潜力几乎无限，使得公共设施服务供应商实现了多费率账单编制、智能卡预支付、远程数据管理等操作。

近年来预付费电能表的面世已基本解决了普通感应式电能表带来的“抄表困难、需定期校准、收费难”的现象，它的出现使得我国长久以来采取“先用电、后核算”的收费方式，逐步转变为客户“先购电，后用电”的电力营销模式，凸显了电量的商品属性。

目前对于预付费电子式电能表的方案有很多种实现方式，基于接触IC卡模式和Keypad模式的电能表比较多，但随之而来采用高科技手段破解IC卡密码的窃电现象也不断增多，由于安全性差、寿命短、使用不方便等原因导致这两种电表的推广较为困难。

随着容量大，保密性好，可反复使用，携带方便等特点的RFID技术在我国广泛使用，基于射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术的预付费电能表应运而生，它能在很大程度上解决其他电能表存在的诸多问题，原因在于它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作方便快捷，价格低廉，能有效降低供电管理成本，提升管理水平，确保电能计量准确，信息安全可靠。

因此研制一种非接触式且具有自动识别功能的电能表具有较高的现实意义。

如今,接触式IC卡在人们的日常生活中得到了普遍的应用在接触式IC卡的普及过程中,逐渐发现了许多的弊端:

卡在读写模块上经常拔插造成的磨损导致接触不良,从而引起数据传输错误,并且卡与读写模块之间的磨损也大大缩短了卡和读写模块的使用寿命;另外,接触式IC卡的通讯速率较低,再加上插拔卡的动作延误,造成每一笔交易需要较长时间的等待。

为了解决这些问题推出了非接触式IC卡。

非接触式IC卡又称射频卡,由IC芯片、感应天线组成,封装在一个标准的PVC卡片内,芯片及天线无任何外露部分。

是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,结束了无源（卡中无电源）和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。

卡片在一定距离范围（通常为5一10~）靠近读写模块表面,通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。

射频识别（RadioFrequencyIdentification，简写RFID）是一种新型的非接触式的自动识别技术，可工作在各种恶劣环境中。

它可以通过接受射频信号自动识别目标对象并且获取得相关数据，识别工作不需要人工干预。

RFID技术使用安全、可靠、方便、快键。

科学家弗格森通过实验证实RFID是一种突破性的技术：

第一，RFID可以识别具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。

此外，储存的信息量也非常大。

该技术目前在物流、门禁系统、身份识别、自动收费等众多领域有广泛的应用。

目前，接触式IC卡在预付费应用较多，但缺点是显而易见的。

随着RFID技术的成熟、发展，非接触式的IC卡的应用将会成为可能，它有很多优点。

在RFID领域以13.56MHz频段的发展最为成熟，我国的奥运会门票和第二代居民身份证就采用的是这种技术。

本课题将此技术应用到电能表领域，能解决接触式IC卡电能表的诸多问题。

可以说RFID技术是预付费电能表发现的一项重大的突破，而且将会有更大的作为。

1.2课题任务及目标

本设计主要利用非接触IC卡及其读卡器进行电费预付费，通过电流传感器和电压传感器采样分析实现当前用电量计算显示。

瞬时功率检测显示，电量余额显示，用电过流保护功能。

1、设计实现的主要功能：

1）当前总用电量显示；

2）用户余额显示；

3）余额不足报警；

4）余额为零自动断电；

5）供电过流保护。

2、主要技术指标：

1）工作电压220V；

2）最大输出功率40KW。

1.3研究现状

1.3.1预付费电能表

1、预付费电能表分类及发展史

国际上预付费电能表经过了投币、磁卡、电钥匙、IC卡的发展过程,80年代末推出了IC卡预付费电能表,它是IC卡在电话、金融等领域后的又一成功应用。

按结构可分为整体式预付费电能表和分体式预付费电能表。

整体式预付费电能表就是将断电机构置于表内。

整体式预付费电能表的特点是外观整洁,安装方便,容易密封"其缺点是当电流较大时,由于断电机构置于表内,体积较小,断电机构的触点发热及灭弧问题很难解决。

断电机构跳闸时,触点有可能被烧死,从而当下次需要跳闸时却跳不开,因此,当电流较大时,一般不采用整体式结构"另外,整体式结构将电路集中在表壳内,当断电机构跳闸时,会给表计带来干扰,如果布局不合理,势必对表计的可靠性有很大影响。

分体式预付费电能表是将断电机构置于表外,表计本身仅发出断电信号,断电信号经线路传输到断电机构。

由于断电机构在表外,其体积不受约束,当电流较大时,其可靠性仍很高"但这种形式的预付费电能表成本较高,一般当电流较大时采用这种方式。

按电能测量单元的原理可分为机电式预付费电能表和全电子式预付费电能表

机电式预付费电能表是采用机械电能表作为电能测量单元,即用感应式电能表作为其基表（也叫母表）。

由于感应式电能表发展历史较长,已经相当成熟,特别是它对电源瞬变及各种频率的无线电干扰不敏感。

但这种表如对电能测量单元测量的电能进行采样的传感器设计不当,质量不可靠,就会造成机械计度器和电子计度器计量的电量不一致,从而造成不必要的纠纷。

全电子式预付费电能表是采用模拟或数字乘法器对功率进行积算,其元器件采用电子元件。

按理论上计算全电子预付费电能表平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）可以达10年以上,但实际应用中因受干扰、漂移及产品本身设计等方面问题的影响,而达不到预期寿命"随着半导体技术及工艺的进步,全电子式预付费电能表必将成为主流。

按使用的介质不同可分为投币式、磁卡式、电卡式及IC卡式等

所谓介质,就是用来存储和传输信息的物件。

预付费电能表按其使用的介质不同而分为投币式预付费电能表、磁卡式预付费电能表、电卡式预付费电能表及IC卡式预付费电能表。

2、预付费电能表的特点

1）不需要人工抄表。

随着国民经济的不断发展,人民的物质生活水平得到了极大的提高,不少省份实现了村村通电。

由于中国地域辽阔,有些地区用户比较分散,有的用户离