基于物联网技术的无线自动抄表与控制系统

袁汇江

潍坊科技学院汽车工程学院 山东寿光 262700

基于物联网技术的无线自动抄表与控制系统

袁汇江

潍坊科技学院汽车工程学院 山东寿光 262700

基于当前快速发展的物联网技术，以及智能电网的进一步建设对抄表技术提出了更高的要求，本文设计了无线自动抄表系统。系统以STC系列单片机为核心搭建采集控制模块，通过RS-485接口连接多功能智能电表，并将抄读的数据保存到存储器中，通过Zigbee无线采集模块将数据定时上传至数据中心或者采集终端。该系统稳定性高、准确度强、数据传输速度快，在现实应用中效果良好。

STC单片机；远程数据抄读；自动控制

现阶段的人工抄表等方式存在诸多的缺陷不便，不但抄读效率低、费时费力，而且准确性和及时性得不到有力保障，进而导致生产管理和技术决策方面得不到详细准确的原始数据。随着智能电网建设的步伐加快和用电量的突增，电力部门和用户对抄表设备质量的要求越来越高，本文设计的采用无线抄表系统，将物联网技术运用到抄表系统中，实现电表数据的自动抄读以及开关的远程控制。

无线自动抄表系统（简称AMRS，Automatic Meter Reading System）主要由计算机软硬件系统、通信系统、计量设备等结合在一起的采集与传输装置将采集数据传输到管理系统，完成抄表和实时监控的用电管理设备[1]。

1、系统结构与工作原理

无线自动抄表系统的硬件部分包含由微处理器、Zigbee模块、存储模块、数据传输模块、时钟模块和电源模块等部分。

系统工作原理：数据采集模块采集到电表数据后传输到微处理器，微处理器经过数据的提取，保存到数据存储模块，在管理部门需要的时候，将数据通过Zigbee网络传输到数据库，管理部门可方便监测，并周期性的对采集的数据汇总分析。系统也可以根据用户需要实时将部分数据发送给用户终端。当发生异常情况时，如预购电量不足、通讯模块网络出错、过电流、过电压等，系统会向电力部门和用户发送告警信号，当预购电量消费完时，微处理器会向执行模块发送命令信号使整个电力系统断电，只保留设备的供电部分的电源。系统硬件的结构框图如图1所示。

2、系统硬件部分

2.1 单片机最小系统

本系统的选用的微处理器为宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机，该单片机具有高速、低耗、超强抗干扰的的特点，且指令代码完全兼容传统的8051，而速度快8～12倍，其工作宽电压范围在3.3V～5.5V，工作温度在-40℃～+85℃，符合野外工作环境的要求，该单片机最大的优点是具有两个全双工的串行通信接口。在电路设计时，串口1通过采集模块连接电表采集数据，串口2连接通信模块发送数据或者接受命令。该单片机还提供了一种串行通信接口--SPI接口，SPI是一种全双工、高速、同步的通信总线，SPI与数据存储器FM25256连接，将采集的数据实时的保存[2]。

2.2 Zigbee无线模块的构建

ZigBee标准和CC2430芯片设计的开放式ZigBee模块——DTD243B模块，其核心为CC2430芯片，CC2430[3]是符合IEEE 802.15.4和Zigbee标准的一颗真正的系统芯片CMOS解决方案，其内部带有一个2.4GHz的射频收发器和工业级增强型8051内核。该芯片具有极高的接收灵敏度和抗干扰能力。CC2430芯片设计如图2，主要包括3.3V和1.8V电源电路、复位电路、晶振电路等。

整个电路属于数字信号和模拟信号混合的电路，在布线过程中要防止两者相互干扰，符合数模电路混合布线的要求。

2.3 数据采集模块

采集模块实时采集电表数据，数据采集有两种方式，一种是循环不定时采集数据；另一种是当接收到管理部门的用户命令时实时采集数据。模块采用RS485方式进行数据采集，最高传输速率为10Mbps，最大的通信距离约为1200m，并且具有良好的抗干扰性。采集模块选择美国TI公司生产的SN65LBC184半双工收发器，片内集成四个瞬时过压保护管，可承受功率达400W的瞬时脉冲电压，可抑制雷电及其他原因在电路中产生的瞬时高压，保护接口电路免遭损坏。采集模块连接单片机的串口1。

2.4 存储模块

数据存储模块选用的RAMTRON公司先进的铁电技术制造的非易失性存储器FM25256，它可承受一万亿次的读写次数，数据在掉电后可以保存10年以上，具有最大可以达到15MHz的操作速度，在执行读写操作时与RAM相似，以总线速度进行写操作，无需延时。数据成功地传输到器件之后，在周期过程中被写入存储器阵列，下个总线周期可以立即开始[4]。FM25256用在频繁、快速读写操作的系统中，加强了数据存储的安全性和准确性。

铁电存储器FM25256通过串行外围数据接口SPI与单片机连接，如图3所示。SPI接口主要有4个信号：MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)、SCLK(串行时钟)、SS(外设片选或从机选择)[5][6]，占用单片机I/O接口少。SPI以全双工模式工作，即数据可同时双向传输。在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，数据传输速度总体来说比I2C总线要快很多，速度可达到几Mbps。

3、系统软件部分

系统的软件主要为采集中断的下位机软件的设计，下位机软件采用了移植性强的C语言编写，便于模块化结构设计。软件设计主要包含系统初始化、数据采集、数据处理、报警断电和数据通信等，整个软件流程图如图4所示。

4、结论

本系统主要利用STC12C5A60S2单片机丰富的内部资源，通过软件编程实现了远程抄表与控制。系统采集的数据远程传输，传输距离远，不受地域和距离的限制，并具有设置各项报警数值，实时和定时检测电力系统的功能，同时具有性能价格比高，干扰性强的特点，在电力系统中，它都能够较好的满足电力传输现场的远程工作要求。

[1]许学慧.基于GPRS技术的无线自动抄表系统.硕士论文，山东科技大学，2006年5月

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机器件手册，http：//www.stcmcu.com/.

[3]Junguo Zhang，Wenbin Li，Ning Han，Jiangming Kan.Forest fire detection syste based on a ZigBee Wireless sensor network [J].Frontiers of Forestry in China，2008，(3)：360-374.

[4]李敏.串行铁电存储器FM25256应用技术.计算机与信息技术，2007年第31期.

[5]解书钢，马维华，吴术.SPI总线的UART扩展方法[J].单片机与嵌入式系统应用，2008年第6期.

[6]Motorola Corporation SPI Block Guide V4.01，2004.

袁汇江(1976-)，男，山东寿光人，硕士。主要研究方向：电气自动化技术。