基于单片机的智能抄表系统

王 磊，刘景霞

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010）

1 概述

自动抄表系统是多年来人们致力用于实现远程抄读水、电、气表使用量的智能化系统。完善的自动抄表系统可以极大的方便人们的日常生活以及能源管理部门的工作，同时提高能源的有效分配和利用。

1.1 课题的研究背景

在电力工业飞速发展的同时，各个部门对信息技术的需求也在日益增多，高科技信息技术的注入为电力事业的发展提供了强有力的基础和保障，它渗入到电力系统的各个部门、各个环节，为了能够更好地为经营决策提供有力的数据依据，采用计算机技术来实现电力部门数据的信息化和自动化势在必行。与此同时在电力企业抄表出现同样的问题。

现行抄表收费管理模式：人工抄表收费方式、IC卡收费方式、自动抄表收费方式。但由于我国国情，高成本的IC卡收费方式和自动抄表收费方式难以在落后地区实施应用，国内很多地区用户电表数据抄收工作还完全是人工上门抄表完成人工操作虽然容易实现和管理，但是不可避免地也会遇到很多问题，如效率低下，工作人员数量需求大，工作量多，完成的任务却有限；错误率高，人工操作往往存在很多漏洞，使用户或电力公司遭受巨大的损失；难以监控，对偷电漏电现象，很难采取有效的方法进行监控、取证；显然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等先进管理模式的推行。特别是在我国信息化技术的普及之后，人工抄表的方式显得日益落伍。同时，对于电力企业部门，也希望新技术的发展能够解决他们实际工作当中遇到的抄表难、收费难、准确性和及时性得不到可靠的保障的问题，实现电力企业的减员增效，降低用电成本，缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，从而实现既方便用户，又提高公用事业部门的工作效率、管理水平，对于加强用电管理，防止国家电力资源的流失等现象都具有积极的意义。自动抄表技术就是在技术与管理两方面函待进步、改革的迫切下需求应运而生的，伴随信息化技术的发展而发展，日益受到关注。

1.2 自动抄表系统的现状

自动抄表，简称 AMR（Aut0matio Meter Reading），是利用电子技术、传感器技术、自动控制技术、计算机及通讯等技术，通过专用设备对表计进行读取及数据处理的过程。自动抄表系统（AMRS）是不需要人员到现场，就能完成抄读用户电能数据并分析、统计的智能化管理系统。电子式电能表的发展起始于20世纪70～80年代，当时日本己经研制出一些电子式电能表，但是由于组装电子式电能表的元件质量问题，使电子式电能表在现场使用环境下，其可靠性、抗干扰性方面表现出很多的弊病，这些弊病大大影响了电子式电能表的大规模推广和应用的进程。1992年，埃及开罗配电公司开发出双模式住宅电能监视抄表系统，它是一个用于自动记录、获取和处理电能消耗数据的完整系统，从而使抄表工作进入到自动化时代。

2 系统总体设计思路与方案

2.1 采用GSM短信息抄表

GSM短信息抄表系统在用户端安装集控器和无线发射终端，将用户的耗能数据通过GSM网以短信息（SMS）的形式上传到GSM网的SMS中心，SMS中心将接收到的数据通过专线传递给能源管理部门。GSM短信息抄表不占用话音通信的信道，费用低。GSM网的覆盖面几乎遍及全国，故不需要建新基站，抄表不受距离和空间的限制。但每条短信息通信容量有限，系统实时性及可靠性较差，可能发生信息拥塞和丢失现象，不适合在业务量大的系统中应用。

通过AT90CAN128微处理器采集脉冲式机械表和脉冲式电子表输出的脉冲信号并通过程序将数据进行处理转化为用户用电量并随时更新内存；通讯采用GSM/GPRS网的三频通信模块MC550682实现系统与用户端、管理层的信息交互；显示采用ARM SBC2410V6，根据需要将结果在LCD屏上显示。为了避免实时传送产生大量费用，本系统采用由系统采集、处理并存储数据。在管理方发出调用指令时将数据以短信方式上传。当用户端缴费后，管理方以短信方式通知处理器更改内部数据，并计算剩余电量，估算剩余使用时间后以短信方式通知用户。当系统预估预存电量不足一周使用时，以短信方式提醒用户缴费。并在剩余电量小于5度时自动切断电路，并提醒用户。再次续费后开启电路。用户端除接收短信外，还可以通过系统自带显示屏操作显示剩余金额，剩余电量，累计用电量（自上次续费后），系统预估剩余电量可用时间等信息。

2.2 系统总体方案

经过方案论证与选择，确定系统的总体方案如图1所示。

图1 系统的总体方案

（1）电表。在本系统中，电表处于最底层，其工作由已有的智能表来完成。该表用于实时采集用户的用电气数据，并将采集到的数据经过转换，直观的显示在表身的液晶屏上。智能表的接口采用RS一485标准的串行电气接口，每个智能表采集一路数据。

（2）采集器。传统的采集器用于采集、计算脉冲表的脉冲数。而本系统采集脉冲的工作已由智能表完成，采集器仅用于收集智能表采集的数据，跟集中器的功能类似。这是由于RS一485总线上实际可带的节点有限，采集器用于分担集中器的节点压力。对于低层居民楼和小高层，每层住户一般不超过6户，采集器采集三层约18户的三表数据；对于高层建筑，每层住户一般在10户左右，采集器采集两层约20户的三表数据。采集的户数可根据实际情况进行调节。由于有些地区采用复费率进行抄表，因此，本系统的采集器每个小时抄表一次。

（3）集中器。集中器处于底层通信的最顶端，用于对一个区域内所有用户的能耗数据进行集中管理。在本系统中，高层建筑每栋楼安装一个集中器，低层建筑几栋楼共用一个集中器，总线铺设距离短，减少了施工难度，投资成本也得以降低。通过与采集器通信，集中器对辖区内所有智能表的数据进行集中处理。系统可根据传输数据量的大小，灵活设定集中器为每个小时抄表一次或每几个小时抄表一次。

（4）主站。主站设在各能源管理部门，用于远程抄收、管理所有用户的能耗数据。主站由PC机组成，通过软件设计，可以实现对用户能耗数据的统计分析和系统的管理监测等功能。

2.3 主控制器

（1）AT90CAN128微处理器。AT90CAN128是一款低功率CMOS 8位的微处理器，它是基于AVR增强型RISC结构的。在一个时钟周期里执行强大功效的指令，AT90CAN128可完成1 MIP每MHz的吞吐量，从而让系统设计者可对进程速度进行优化功率消耗。器件运用Atmel公司的高密度非易失的存储技术制造。片上ISP FLASH允许程序存储器被一个常规的非易失的储存编程器或者一个在AVR内核上运行的片上启动程序，通过一个内部SPI串行接口来重新编程。启动程序能用于任何接口在应用FLASH储存器里来下载应用程序。当应用FLASH部分被更新时，在启动FLASH部分内的软件将继续运行，提供真正的读写操作。由于在一个单芯片上结合了一个带有内部可编程FLASH的8位RISC CPU，Atmel的AT90CAN128可说是一个强大的微处理器，为众多的嵌入式控制应用器件提供了一个高度灵活和低费用的解决方案。AT90CAN128 AVR可支持全套的编程和系统开发工具，包括：C编译器，宏汇编，编程调试器/仿真器，电路仿真器和成套工具。

（2）MC55三频通信模块。MC55是一个GSM/GPRS网的三频通信模块，它可以工作在GSM 900 MHz，GSM 1800 MHz and GSM1900 MHz三个频段，MC55 以 GPRS（class 10）标准为特色并且支持 GPRS编码方案 CS-1、CS-2、CS-3和 CS-4。MC55包含了高性能GSM/GPRS应用的所有解决方案：基带处理器、供电电路、完整的无线电频段电路（包括电源放大器和天线接口）、电源放大器是从供电电压BATT+直接引出来的。MC55的软件存储在flash中，静态RAM为GPRS连接提供了额外的存储空间。该单元应用程序的物理接口是通过一个板对板的连接器来实现的。它是由50个针脚构成，用来控制该单元、传输数据和声音信号、供电。MC55包含两个串行接口（ASC0、ASC1），为综合人机接口界面提供更大的适应性。它提供了不同的声音接口，每一种都是通过板对板连接器实现的：一个数字音频接口（DAI）和两个模拟音频接口。通过使用AT命令可以实现后退、前进等功能，也可以选择不同的音频模式。外部的双频或者三频天线可以随意连接到顶端的或者底部的连接器上。开启MC55时，需要/IGT（Ignition）信号驱动到接地电压至少100ms，并且最少距离VDD的最后一个下降沿10ms，可以通过使用一个开漏极/集极驱动电路避免电流流入该引脚。在电池供电应用程序中，/IGT持续时间最少必须达到1s，这段时间中连接充电器并且可以从Charge-only模式转换到Normal模式。

（3）SBC2410V6 电脑平台。SBC2410V6 是一款基于ARM9、结构紧凑的嵌入式电脑平台，它基于三星公司的成熟ARM9处理器S3C2410A。采用6层板设计，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性，是一款单板机和开发板两用的嵌入式电脑平台。SBC2410V6支持WindowsCE、ARM-Linux等高档操作系统，这些操作系统都已经具备了各种完善的网络协议、多任务机制、文件系统、基于窗口的图形界面以及很多现成的应用程序 （如浏览器、Web Server、Ftp/Telnet服务器、数据库、各种图片格式显示、媒体播放等）等，因此开发更加简单、方便，更可以充分利用很多免费的Linux软件资源。同时SBC2410V6还设置了很多扩展模块，如多串口模块、IDE硬盘转接板（基于DMA方式）、矩阵键盘、USB hub、数据采集模块、CAN总线、各种液晶显示模块等，借助于此，用户可以更加快速的把产品推向市场。

（4）LCD电压选择。当跳线选择5V一侧的两针时，将为LCD模块提供5V供电；当跳线选择3.3V一侧的两针时，将为LCD模块提供3.3V供电。

3 软件实现

由于该系统采用的是一点对多点的双向数据传输，因此每家的表都有自己的地址码。上位机可以查询下位机，下位机也可以定时发送数据给上位机。本系统要实现的目的是一机（上位机）对多机（下位机）的通讯控制，其通讯软件主要分为两部分：上位机与下位机的远程通讯软件；单片机与GSM/MODEM的串行通讯软件。

4 结论

对于电力部门来说，远程变电站抄表一直是一件非常头疼的事情，需要投入大量的人力、物力和财力。因为变电站数量众多，地理位置分散，给工作人员带来极大的不方便。电力公司也可利用GSM短信息抄表系统对各重要电力节点进行监控，自动读取相关数据并加以分析，还可进一步进行远程控制或设备维护，可减少人力资源、缩短修护时间并节省专线建设成本。

[1]陈荣保.基于MODEM和单片机的远程通讯系统设计与实现[J].微电子学与计算机，1999.

[2]王保义，孙淑琪.无线通信分布式电量自动抄表系统的设计[J].华北电力技术，1998，（1）.