远程智能电表抄表系统设计.docx

远程智能电表抄表系统设计.docx

《远程智能电表抄表系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《远程智能电表抄表系统设计.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

远程智能电表抄表系统设计

摘要

随着我国社会经济的发展，居民用电量剧增。

传统的人工抄表收取电费的方式，已不能满足现代化管理的要求，实现多用户能耗仪表的自动抄表已经成为可能，特别是建设部提出来的小康型住宅小区的规划要求，并逐步实行能耗仪表出户的统一管理，实现微机自动检测、计量和收费。

本文针对目前居民小区的电能计量中实际存在的各种问题，设计了一种实用的远程自动抄表系统。

该系统具有成本低廉、计量准确、工作稳定可靠和系统安装维护方便等特点。

本文对整个抄表系统进行了较为全面的设计，着重对系统底层的能耗数据的采集和集中、数据通信网络和通信方式等做了较为详细的设计。

在硬件上对CPU数据存储及其监控电路、数据传输、通信标准、时钟电路、串口扩展、电能采集和显示电路都做了详细的论述。

并且广泛应用的RS-485电气接口的串行通讯技术作为通讯方式。

在软件上对数据进行采集、通信、显示子程序、校验子程序等做了详细的说明。

同时，本文还对系统中的干扰问题进行了深入细致的分析，并在硬件和软件上担出了有效的抗干扰技术。

该远程抄表系统实现了多用户的电能信息的远程自动抄录，能够实现住宅能耗计量的高质量和高效率管理。

关键词：

远程抄表；数据通信；AT89C51；RS-485

Abstract

Withsocialandeconomicdevelopmentelectricpowerisusedincreasingly,Traditionalchargeofelectricfarebymanuallaborcan’tsatisfythedemandformodernmanmanagement.Automaticmeterreadingsystem（AMRS）hasapossibilitytobeputintoreality.Especiallyforthewell-to-douptown,theConstructDepartmentofChinahasdemandedtorealizeautomaticmeterreading,measuringandchargingwithcomputer.Thisarticleaimsattheexistingproblems.Thus,Idesignedanautomaticmeterreadingsystemofcalorie.Thestrongpointofthissystemis:

lowscost,precisemeasuring,stableworking,andeasytoinstallandmaintain.

Thearticlegivesanall-rounddesignofthissystem.Itexpatiatesondetaildesignsofdatacapturingandcollecting,datacommunicationnetworkandmode.Inthisthesis,aboutthehardware,aparticularexplanationofthechoiceofCPU、inspectcircuit、datamemoryetcweregiven.AnditusesasynchronousserialcommunicationtechnologybasedonRS-485electricinterfaceascommunicationmeans.Thesoftware,wegivetheprogramofimpulsecollection、communication、displayandsoon.Atthesametime,thenoisequestionsexistingintheanalyzedandtheeffectiveanti-noisemethodsonhardwareandosoftwarearepresented.

ThisLong-distancemeterreadingsystemrealizesthemulti-userpowerinformationremoteautomatictranscribing,canrealizeresidentialenergyconsumptionofhighqualityandhighefficiencymetrologymanagement.

Keyword:

Remotemeterreading;Data-communication;AT89C51;RS-485

第1章绪论

本文的研究课题是电表自动抄表系统，本章主要说明课题设计的背景和实际意义，介绍了在抄表领域国内外的技术发展历史、现状和未来趋势，提出所要进行的设计内容和任务，同时对全文的章节架构进行阐述。

1.1课题的提出和意义

随着人民生活水平的提高和住宅商品化的发展，居民住宅的质量和档次越来越高，住房对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。

这样使得传统的抄表收费方式存在的弊病越来越突出，抄表收费难也成为各部门管理上的问题，其原因主要有以下几点：

1.入户抄表难度加大。

由于居民生活水平的提高、家庭财产价值及用户逐渐开始重视私隐权等方面的原因，用户不希望被别人打扰。

同时入户抄表只能在早晚居民休息的时间里进行，抄表人员实际可利用的时间变短。

因而使得电费、水费、暖气费、煤气费的漏抄、欠收、漏收严重，实际收费往往远低于统计值，费用流失严重。

2.各管理部门负担较重。

抄表率低、周期长、资金回收速度慢，严重影响了这些部门的经济效益。

3.管理费用开支过高。

随着城市的发展，用户会越来越多，相伴着手动抄表的管理人员和操作人员也要相应的增多，这势必会严重制约着相关企事业单位的发展。

4.抄表工作和劳动强度加大。

抄表操作人员的工作条件差、效率低、劳动强度大，而现行的抄表收费大多是人工抄表、人工收费、手工结算，这难以适应企业管理信息化的形式要求。

正是由于上述种种原因，建设部提出了建设小康型住宅小区的规划要求，明确提出了要对新建和必扩建的住宅小区进行统一规划，逐步实行水、电、气三表出户的统一管理，实现微机自动检测、计量和收费。

随着居民住宅小区的物业管理水平的不断提高，目前在不少住宅小区，各能耗的计量问题也已经由以前的各部门管理逐步改为由生活小区物业管理部门统一管理。

现代物业管理要求不断向规范化、自动化和科学化的进程迈进，多表联网远传系统将越来越受到用户和市场的认可，市场全景十分广阔。

因此，多用户电表联网远程抄表系统的研究生就显得十分迫切。

1.2国内外发展状况

近年来，智能抄表技术在国内外应运而生，国内外许多国家正在大力发展开发电能智能抄表系统的研制工作。

在国外，如美国等发达国家已把智能抄表系统广泛应用于配电管理之中了。

以色列尤尼克（Unique）技术公司开发了collector集中抄表系统，利用现有的电网和电表，以电力线作为信息传递媒介，建立数据采集通信系统，通过线载波技术将信息远距离传送。

而由英国自动化仪表公司本部策划，组织杭州沃制电力有限公司研制的IC系列电表，可按用户需要靖上通迅接口，利用RS—485接口，零电压脉冲继电器输出或4~20MA线性进行远程监测。

德D—Tech公司则此专门开发了SMI专用模块，用于电子式电能表的数据采集，以400脉冲/度或800脉冲/度向外输出数据[1]。

在国内，虽然我国对智能抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。

目前，国内生产智能抄表的厂家超过150家。

通过电力工业部电力设备及仪表检测中心检测的厂家接近100家，受理的专利超过165项。

据不完全统计，安装的智能抄表用户超过250万户抄表技术多样公：

总线、载波、红外、工频、超窄带（UNB）。

抄表方式多样化：

单表、多表。

系统功能逐步完善，除抄表外，还具有线损统计、用电考核、远程控制、自动收费并与银行联网等。

1.3课题可行性论证结论

本课题针对目前居民小区能耗计量实际现状，以及能耗计量的数据远传和网等问题而设计的电表联网远程抄表系统。

该系统主要运用廉价的单片机作为CPU分站。

对小区用户的电量等能耗信息进行采集。

系统采用分布式结构，与上位微机一起构成典型的分布工测控系统。

系统充分考虑到现场总线通信标准对传输距离和波特率的限制，兼顾了系统的带载能力，同时也为提高远传系统的可靠性，在各种远传基表与上位微机之间，系统采用了两级采集器的结构形式。

其中，二级采集器由于采集远传基表的能耗信息而被称之为采集器。

一级采集器因主要负责集中数据采集器中的数据、并上传至上位微机中而被称之为数据集中器。

上位微机与集中器、采集器之间可通过现场总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集电表发出的能耗信息，并进行换算和存储，采集器对电量的采集可直接通过DF型多用户电能表上的接口接受用户的电量信息。

如此，构成了两级分布工测控系统。

系统便于管理，管理人员可以通过上位微机的操作界面实现对用户电表能耗的远程抄取，还可以对参数进行设定和修改，也可以通过专用的红外抄表器进行现场操作、弥补自动抄表不便时的不足，此外系统还具有以下特点：

♦硬件简单、经济实用，且功能强大；

♦可移植性较强，稍做改造即可变成多用户多表联网远传系统；

♦系统成本相对其他应用系统不高，能够被市场和用户接受，市场前景广大；

♦系统的安装和维护方便、工作稳定性较好；

♦系统选用符合国家计量标准的远传基表，系统计量的准确性和可靠性符合或略高于国家相关技术规范和标准化；

♦系统的环境适应能力较强、通用性较好，便于实现技术的推广和应用等。

1.4本文所完成的主要工作

针对目前电表联网远程抄表系统发展的现状和存在的问题，结合本课题的设计任务和技术要求[2]，本文主要解决以下几个方面的问题：

1.完成远程抄表系统的硬件设计，达到如下功能或性能：

（1）能耗抄取：

数据采集器正确采集电量信息，存储在采集器中；自动定时地对DF电表进行抄表，将抄得的数据存储在集中器中；能通过红外抄表器抄取集中器中的能耗数据；集中器自动定时地对采集器进行抄表，将抄表的数据存储在集中器中；上位机可以远程获取用户的各类能耗信息。

（2）参数设置：

上位机可对集中器、采集器的参数进行设定，可对用户的电量进行设置，并可以根据电表信息对采集器进行设定。

2.完成各部件和上位微机的软件设计：

（1）对采集器和集中器中各硬件进行程设计，包括系统主流程及各子程序的编写；各个硬件的驱动及初始化。

（2）上位机的软件设计：

采用客户机/服务器的客户服务形式对上位机进行软件编程。

1.5本章总结

本章提出了本文的设计课题，介绍了与课题相关的技术发展现状，明确了总线制抄表系统的设计思想，并且提出了设计所要解决的主要问题和相应的初步设想。

第2章抄表系统总体结构设计

2.1系统组成

自动抄表系统是一个完整的通讯检测控制体系，最上层是计算机管理层。

这层由各种工作站、库服务器等计算机设备组成，其中配备管理软件，实现如读取数据、统计用电情况等功能。

每个台区里要有一个中间的转发层，这里称之为“集中器”。

集中器每个台区至少配备一台，负责向上与管理层和向下与采集层的通信联结，主要起通讯和暂存数据的作用。

向下的通讯使用总线技术；向上的通讯除了使用总线技术外，还有一些如红外、无线等辅助性的通信手段。

最底层是电表层，由各种电度表组成，主要完成能耗计量。

实际的系统中，处于对成本的考虑和实际使用情况，系统结构还有一些其他的变化。

目前的城市民居楼宇中，有很多为了便于人工抄表和安装维修，电度表采取了集中安装的方法，把一个单元的十几户的用户表安装于同一个大表箱中。

所以针对这种情况，产生了若不种衍生方案，这些方案都是只在最下层作了扩展。

[3][4][5]

2.2通信标准的选择

本系统的一个重要的问题就是通信问题。

要根据系统的通信距离来选择合适的通信标准。

如果通信距离要求太高的话，可以采用电话线公网或者无线GPS等方式来进行通信。

在通信方式中，大多数采用串行通信方式。

这里先对常见的串行总线标准作一个比较。

常用的总线标准有RS-232、RS-422和RS-485等等[6]，RS-232是异步串行通信中应用最广泛的一种标准总线，其单向数据传输最大速率为了20Kbps，最大传送距离为15m，显然这种总线标准是无法满足本系统的技术要求的，且其数据传输速率较慢，易产生干扰。

RS-422传输距离较远，最短为12m，数据传输最大速率为10Mbps；当速率为1Mbps时，传输距离可达120m；当速率为100Kbps时，传输距离可达1200m；RS-422抗干扰能力强，传输速率快，且为全双工的。

我们知道，RS-232和RS-422有一个显著特点，即RS-232接口与RS-422接口通常吸用于点对点通信系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时，他们都无法直接满足要求。

因此，EIA制定了新的接口标准RS-485，它能支持一点对多点的通信，RS-485电气标准与RS-422完全一样，只是RS-485工作于半双工方式。

RS-485标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。

RS-485的共线电路结构是一对平衡传输的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器通用同一传输线的多点应用。

RS-485通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑“1”或“0”的，因为发送端仅需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样，RS-485接收端与发送端公需两根线就能完成信号传输。

RS-485标准总线的特点是：

抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远，在采用双绞线，不用Modem的情况下，在100Kbps的传输速率时可传送1200m，若速率为960Kbps时，可以传送1500m，甚至更远。

由于RS-485具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网通信距离也能满足本系统的设计要求；且电表联网远程抄表系统对实时性要求不高，能耗的抄取也是不经常发生的，一般情况下仅需要每月抄一次。

所以本系统选择了半双工的RS-485的通信标准。

2.3系统总体方案确定

在我们确定了通信标准之后，就可以对整个系统进行设计了。

既要充分考虑RS-485通信标准中对传输距离和波特率的限制，又要兼顾到系统的带载能力，来确保系统运行的可靠性，在基表与上层管理微机之间，采用了采集器、集中器两级结构形式，系统的总体分布结构如下图2.1所示。

图2.1系统总体结构图

上位微机与集中器之间可通过RS-485总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集用户各种远传能耗基表的信息，并进行换算和存储；采集器对电量的采集可以直接通过DF型电能表上的RS-485接口接受用户的电量信息，也可以通过采集器上的红外接口，利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取等

整个系统采用如此结构主要有以下几方面考虑：

首先，成熟的技术保证了系统的顺利实现。

一方面，随着目前远传基表市场的日趋成熟和科学技术的不断完善进步，国内市场已出现许多能够生产符合国家计量标准的远传基表专业厂家。

另一方面，传输网络目前一般采用RS-485或LonWorks技术来构建传输网络平台，其技术本身也是完全成熟的，只要能正确的组网、进行相应的软件开发并制定出完善的通信协议就能确保系统网络传输的稳定可靠。

其次，系统采用了RS-485通信标准。

由于RS-485接口可以在一个通道上进行半双工通信，所以，只需两根经便可实现双向通信，极大的方便了构成一点对多点或多点之间的相互通信。

因此可以用组建RS-485网的方式将系统中的采集器、集中器和上位微机等构成有机统一的两级分布式网络系统。

一方面，这便于系统的综合布线和扩充，也便于迅速发现和排除故障，同时，两级分布式网络系统也更有利于用户能耗数据的可靠存储，大大提高系统的带载能力；另一方面，两级分布式测控系统还便于系统的灵活运用和组合，更能满足小区建设规模大中小的变化要求。

且两级分布式测控系统扩大了系统的应用能力同时也增加了管理者的管理能力，对系统推广和应用而言更趋于合理[7]。

此外，上位微机的应用可以更有效地对用户各种能耗数据进行存储、处理和分析，可以实现历史数据的查询、数据通讯、账单票据打印、报表生成以及便于系统维护等等功能；还可以方便地对数据采集器、集中器进行参数设置、运行状况监控等，保证系统正常运行。

2.4本章小结

本章阐述了电表远传抄表系统的功能目标和设计原则，提出远传抄表系统的总体结构图，并分别阐述了远传基表、采集器、集中器在系统中的位置、功能以及设计构想。

在分析各种通信方式后明确了使用RS-485通信协议进行数据传输的设计方向。

第3章抄表系统的模块功能设计

3.1抄表系统的整体结构

在了解国内外现有的产品特点的基础上，为了使抄表器的功能更加完善，设计的抄表器具有计数、数据存储和数据处理、电量及其状态的显示、与控制中心通讯等基本功能。

整体结构如图3.1所示。

图3.1抄表系统的整体结构框图

系统的整体工作流程如下：

1.脉冲采集计数模块根据脉冲计算出电表的数据，存储于内部的RAM中。

2.AT89C51根据时钟模块的时间设定，定时向脉冲计数模块发送数据传输命令，收集其电表中的数据，并根据设定好的程序，存储于外部的RAM中，等待上位机的查询，并把没有反应过来的终端的号码记录下来，上传给上位机。

3.上位机操作中，有定时抄送和随时抄送两种模式；定时抄送，即上位机根据系统设定的时间，查询各脉冲采集计数模块中的数据；随时抄送，指在某种特殊情况下，需要单独的对某一用户进行复查等。

在两种模式下，对没有反应的终端做备份，并警告等。

3.2抄表系统的各功能模块设计

这是整个抄表部分的核心部分，由图3.1可知，主要由CPU（MCU）、时钟模块、电能采集和计数模块、显示模块、串口扩展模块、数据传输模块、监控模块等组成。

每一个部分的正确选择与设计、及电路的连接对该系统的硬件电路而言是十分重要的。

3.2.1CPU的选型

1.CPU是整个系统的核心部件，它直接影响系统的性能。

本系统中选用的是AT89C51单片机[8]，现对其功能引脚，电路特征作一个详细的介绍。

◆与MCS-51系列的单片机相容；

◆片内集成4KrFLASH存储器，可反复编程/擦除1000次；

◆全静态设计，时钟频率范围为0～24MHz；

◆32条可编程的I/O口线；

◆128×8字节的内部的RAM；

◆芯片有2个十六位计数器（计时器）；

◆共有5个中断源，2个中断优先级；

◆可编程串口通道；

◆具有4种工作模式的全双工串行口；

◆低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；

◆片内振荡器和时钟电路；

AT89C51是一种性价比高，功能先进的8位微处理器，在许多的嵌入式系统中得到了广泛的应用，尤其是内部4K字节的EPROM为使用者提供了很大的方便，当应用程序较小时，不用为CPU添加外扩的ROM。

空闲工作模式和掉电保护模式可以保证CPU工作在低功耗的状态下，内部的RAM的数据不会丢失。

1.AT89C51芯片主要引脚介绍[9][10]

图3.2AT89C51外形引脚

（1）VCC：

AT89C51电源正极输入，接＋５V电压；

（2）GND：

电源接地端；

（3）XTAL1：

接外部晶振的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大镜输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

它采用外部振荡时，该引脚应接地；

（4）XTALI2：

接外部晶振的一个引脚。

在片内接至振荡器的反向放大器输出端和内部时钟发生器输入端。

当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入；

（5）RST：

AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内部均被设为已知状态；

（6）ALE/PROG:

ALE是英文“ADDRESSLATCHENABLE”的缩写，表示地址锁存允许信号。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地址字节。

在FLASH编程器件，此引脚用于输入编程脉冲。

在低电平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/16.因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令时才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（7）EA/Vpp.：

该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM）来执行程序，在8051中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储空间。

如果是使用AT89C51的其他内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储地址时，将自动转向内部程序存储器继续运行。

此外，在程序代码烧录至89C51内部EPROM、89C51内部FLASH时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（AT89C51为12V）；

（8）PSEN：

此为“ProgramStoreEnable”的缩写。

访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。

在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号，在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号；

（9）P0、P1、P2、P3口

P0口（P0.0～P0.7）是一个8位漏极开路双向I/O端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。

外部不扩展而单片机应用时，则作为一般的双向I/O口用。

P0口每一个引脚可以带8个TTL门电流；

P1口（P1.0～P1.7）是具有内部提升电路的双向I/O端口（准双向并行I/O口），其输出可以带4个TTL门电流。

仅供用户作为输入输出用的端口；

P2口（P2.0～P2.7）是具有内部提升电路的双向I/O端口（准双向并行I/O口），当访问外部程序控制器时，它是高8位地址。

外部不扩展而单片机应用时，则作为一般的双向I/O口用。

每一个引脚可以推动8个TTL门电流；

P3口（P3.0～P3.7）是具有内部提升电路的双向I/O端口（准双向并行I/O口），它还提供特殊功能，包括串行通信、外部终端控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或定入控制等功能，其特殊功能引脚分配如下：

P3.0RXD串行通信输入

P3.1TXD串行通信输出

P3.2INTO外部中断0输入，低电平有效；

P3.3INTO外部中断1输入，低电平有效；

P3.4T0计数器0外部事件计数输入端；

P3.5T1计数器1外部事件计数输入端；

P3.6WR外部随机存储器的写选通，低电平有效；

P3.7RD外部随机存储器的读选通，低电平有效；

3.2.2外围存储及其监控电路模块

X5045是一种性能较高的可编程看门狗芯片，属于片外看门狗芯片，不但有看门狗电路，而且还有存储器，掉电后数据不丢失，可以直接进行复位。

它集中了三种功能：

看门狗定时器、电压监控、和EPROM组合在单个封装内。

X5045具有简单的三线总线工作的串行外设接口（SPI）和软件协议[11]。

其电路结构图