遠程抄表系統數據采集和轉發(fā)的設計方案

本文主要提出一種小區電能表自動(dòng)抄表的系統設計方案。隨著(zhù)智能化建筑在許多國家應運而生。自動(dòng)抄表系統是大力發(fā)展中的智能建筑、樓宇自動(dòng)化的重要組成部分，是家庭自動(dòng)化的必然，因而日益受到關(guān)注。與傳統抄表方式相比，智能抄表系統具有方便快捷、節省人力物力、提高工作效率、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

系統構成

如圖1所示，自動(dòng)抄表系統主要由電能表、數據采集器、集中器、數據傳輸通道和后臺管理服務(wù)器等組成；其中電能表主要是在傳統機械式電表基礎上將轉盤(pán)適當改造，以便能將其轉動(dòng)圈數被數據采集器采集轉化為電脈沖數，以達到數據采樣的目的；采集器主要完成將電表用電量轉換成電脈沖信號以完成數據的采集，同時(shí)還具備將采集的數據保存、通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸給集中器轉發(fā)給后臺管理系統、顯示用戶(hù)剩余電度數以及根據情況切斷用戶(hù)電路等功能。數據集中器則是通過(guò)CAN總線(xiàn)收集各用戶(hù)電表上傳數據，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò )傳送給后臺管理服務(wù)器系統，同時(shí)數據集中器亦可將后臺管理服務(wù)器各項命令轉發(fā)給對應電表數據收集器，并完成相應控制。通過(guò)以上功能基本可以實(shí)現抄表管理收費一體化等工作。

圖1 系統集成示意圖

數據采集器硬件組成

數據采集器硬件原理如圖2所示，數據采集器主要包括數據采集電路、數據保存電路以及數據傳輸CAN總線(xiàn)節點(diǎn)電路，同時(shí)根據其他功能擴展（如預付費功能）增加了剩余電度數顯示以及通過(guò)繼電器對用戶(hù)電路切斷和接通電路。


圖2 遠程抄表數據采集器硬件原理圖

采集器采用單片機89C51，其內部有4KB的ROM，128字節的RAM以及32個(gè)I/O口。P1口與串行器件24C02和顯示、繼電器電路連接。其中的顯示模塊采用串行方式進(jìn)行通信，分別采用P1.0、P1.1、P1.2模擬時(shí)鐘信號線(xiàn)和數據信號線(xiàn)。24C02用來(lái)存儲用戶(hù)電度表不同時(shí)段消費電度數和用戶(hù)電度表采集器編號（CAN節點(diǎn)標號）。P0口主要用來(lái)與CAN總線(xiàn)控制器SJA1000相連，用作數據線(xiàn)。監控電路采用DS1232芯片，它是看門(mén)狗定時(shí)器，功能是上電和掉電時(shí)給89C51、CAN控制器SJA1000產(chǎn)生復位信號；看門(mén)狗對系統進(jìn)行監控，防止死機不能恢復。日歷時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片PCF8583完成，由于系統中需要對用電實(shí)行分時(shí)按峰、谷、平不同時(shí)段進(jìn)行節計費，因此系統中必須建立不間斷供電（電池供電），以便提供實(shí)時(shí)鐘。

數據采集電路采用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器A44L對加裝過(guò)小磁鐵的電表轉盤(pán)進(jìn)行將所轉的圈數轉化為數字信號，傳感器A44L工作原理如圖3a所示，集成霍爾開(kāi)關(guān)是由穩壓器A、霍爾電勢發(fā)生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門(mén)輸出E五個(gè)基本部分組成。(1)，(2)，(3)代表集成霍爾開(kāi)關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。在輸入端（1）輸入電壓Vcc，經(jīng)穩壓器穩壓后加在霍爾發(fā)生器的兩端。根據霍爾效應原理，當霍爾片處于磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì )有一個(gè)霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器，使觸發(fā)器整形，成為方波輸送到OC門(mén)輸出。當施加的磁場(chǎng)達到“工作點(diǎn)（即Bop）”時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導通，此時(shí)，OC門(mén)輸出端輸出低電壓，通常稱(chēng)這種狀態(tài)為“開(kāi)”。當施加的磁場(chǎng)達到“釋放點(diǎn)（即Brp）”時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門(mén)輸出高電壓，這時(shí)稱(chēng)其為“關(guān)”態(tài)，這樣兩次高電壓變換，使霍爾開(kāi)關(guān)完成了一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。Bop與Brp的差值一定，此差值Bh=Bop-Brp稱(chēng)為磁滯，在此差值內，Vo保持不變，因而使開(kāi)關(guān)輸出穩定可靠。其輸出特性如圖3b和圖3c所示。


圖3 霍爾傳感器工作原理及輸出特性圖

CAN總線(xiàn)采用一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，數據長(cháng)度為8個(gè)字節，不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，因此非常適合遠程抄表控制系統。CAN總線(xiàn)控制電路如圖2所示，主要由控制器89C51、CAN通信控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)驅動(dòng)收發(fā)器82C250組成，單片機89C51對CA控制器接收到的數據進(jìn)行讀取和數據發(fā)送等程序處理，為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連，很好地實(shí)現了總線(xiàn)上各節點(diǎn)間的電器隔離。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5歐姆的電阻與CAN總線(xiàn)相連，起到一定的限流作用，保護82C250免受過(guò)流沖擊。CANH、CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的電容，可以濾除總線(xiàn)上的高頻干擾并起到一定的防電磁輻射的能力。另外，兩根CAN總線(xiàn)輸入端與地之間分別接防雷擊管，起到一定的保護作用。

數據采集器軟件設計

主程序流程

數據采集器在整個(gè)系統中有喂狗、計表、時(shí)鐘校時(shí)、用戶(hù)通斷電、CAN總線(xiàn)數據發(fā)送和接收、數據存儲與讀取以及顯示等功能，其中喂狗、計表和數據存儲及CAN總線(xiàn)數據接收分別采用定時(shí)終端、計數中斷和外部中斷實(shí)現，顯示功能則為預付費功能而備(本文不作要求)，CAN總線(xiàn)數據發(fā)送采用查詢(xún)方式和其他程序功能在主程序中實(shí)現。主程序流程如圖4所示。


圖4 主流程序圖