一種基于簡(jiǎn)單的電子公用儀表解決方案

　　電子抄表

　　電子儀表最大的一個(gè)優(yōu)勢就是增加了自動(dòng)抄表(AMR)功能。這樣一來(lái)，就不用派專(zhuān)人去現場(chǎng)登記使用數據，從而可大大節省開(kāi)銷(xiāo)。人工抄表是一種勞動(dòng)密集型的工作，容易出現人為差錯(甚至是賄賂現象)。由于儀表安裝在不同的地方，因此人工抄表無(wú)論對于用戶(hù)還是對于抄表員來(lái)說(shuō)都是非常不方便的。

　　目前有多種技術(shù)可以實(shí)現電子儀表的AMR功能，或者改進(jìn)已有的機械式/機電式儀表。通過(guò)下列幾種方式可以實(shí)現電子儀表的自動(dòng)抄表和通信：

　　紅外——通過(guò)儀表的面板實(shí)現近程紅外LED傳輸;

　　射頻( RF)——近程或遠程通信，如ZigBeeTM協(xié)議或蜂窩網(wǎng)絡(luò );

　　通過(guò)電話(huà)線(xiàn)的數據調制解調方式;

　　電力線(xiàn)載波(PLC)——近程到中程傳輸

　　串口(RS-485)

　　在某些情況下，僅僅通過(guò)手持式設備(通過(guò)IrDATM協(xié)議或者RF方式，最遠通信距離可達幾百英尺)通信就可以實(shí)現AMR功能的優(yōu)勢。盡管這種方式仍然需要抄表員到各個(gè)儀表安裝現場(chǎng)抄表，但是這種方式能夠確保數據讀取是準確的，并且能夠大大加快抄表過(guò)程。此外，ZigBee聯(lián)盟正在開(kāi)發(fā)一種測量方案，能夠使水表、氣表、熱表和電表的制造商之間實(shí)現相互合作，通過(guò)一種共同的通信媒介發(fā)送使用數據。

　　安全性好

　　隨著(zhù)測量過(guò)程自動(dòng)化程度的提高，安全數據存儲和通信技術(shù)的需求也與日俱增。確保公用事業(yè)部門(mén)所收集數據的保密性和完整性是非常重要的。這可以通過(guò)MCU自身的內部數據EEPROM或者使用加密算法將數據存儲到儀表外部的方式來(lái)實(shí)現。另外儀表使用數據的安全通信也值得關(guān)注。同樣，可以使用幾種加密算法和握手協(xié)議來(lái)確保安全的數據傳輸。

　　圖3熱表結構框圖

　　先進(jìn)的計費方式

　　電子儀表已經(jīng)可以根據使用時(shí)段(Time of Use，TOU)分時(shí)計費了。TOU分別設定高峰期(使用率較高)和非高峰期(使用率較低)時(shí)段。TOU收費有多種好處。首先，如果用戶(hù)在非高峰期使用，則可以享受較低的價(jià)格。其次，由于高峰期的用戶(hù)要支付較高的使用價(jià)格，TOU計費方式很自然地就在較大程度上降低了高峰期的使用。鋪設新的公用基礎設施的投資是相當高的。TOU計費有助于分流高峰期的使用需求，在用戶(hù)需求不斷增長(cháng)的情況下保持一種穩定的容量。要想實(shí)現TOU計費，儀表內部需要設置實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷(Real TimeClock and Calendar，RTCC)，全天跟蹤用戶(hù)的使用情況。電子儀表通過(guò)軟件或者使用外部設備很容易實(shí)現RTCC功能。

　　最新出現的計費方式是預付費。這一功能主要是在電表中實(shí)現的。用戶(hù)可以使用磁卡提前購買(mǎi)一定的電量，然后將磁卡插入電表中，使電表在一定的時(shí)間段內向指定的負載供電。預付費方式降低了公用事業(yè)公司計費和抄表的成本，也有助于幫助用戶(hù)計劃每月的開(kāi)支。

　　所有上述的收費方式都是建立在公用儀表基本功能基礎之上的。這樣看來(lái)儀表的研發(fā)時(shí)間似乎要增加了，因為研發(fā)包括兩個(gè)部分：基本的儀表功能，以及防篡改、AMR、安全性和計費方式等新增功能。接下來(lái)，本文要介紹如何把基本的儀表功能設計簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖計數器，而將主要工作放在用戶(hù)接口的設計上。大部分MCU都能夠通過(guò)內部定時(shí)器對I/O引腳的外部時(shí)鐘輸入進(jìn)行計數。某些MCU的定時(shí)器能夠在低功耗模式下進(jìn)行計數，而當定時(shí)器溢出時(shí)喚醒器件。這種功能非常靈活，因為氣表、水表和熱表可能沒(méi)有本地電源，而是采用電池進(jìn)行供電。

　　氣表和水表

　　氣表和水表是設計起來(lái)最簡(jiǎn)單的儀表。這兩種表都采用機械裝置來(lái)測量氣流或水流，它們的輸出通常是一個(gè)旋轉軸(氣表中)或者一個(gè)旋轉磁鐵(水表中)。圖2給出了氣表的結構框圖。氣表的輸出軸上有一個(gè)帶槽的圓盤(pán)和一個(gè)能夠輸出脈沖流的反光器。每個(gè)脈沖表示一定量的氣流。水表內部通常采用旋轉磁鐵和霍耳效應傳感器，每當磁鐵通過(guò)的時(shí)候，這種傳感器就能夠產(chǎn)生輸出脈沖。氣表和水表的脈沖流都可以連接到MCU內部計數器的時(shí)鐘輸入端。氣表和水表設計中的一大挑戰就是它們附近一般都沒(méi)有交流電源。這意味著(zhù)必須用電池或太陽(yáng)能供電。太陽(yáng)能電池十分昂貴，會(huì )額外增加安裝儀表的機械成本。本文的設計方案采用一個(gè)低功耗MCU，它能夠對脈沖進(jìn)行計數，周期性地將數據保存到非易失性存儲器中，每月上傳一次計費信息。圖2中給出的實(shí)例是采用了Microchip公司的PIC16F9xx系列MCU.這一系列的MCU擁有4～8KB的Flash程序存儲器、最多336字節的RAM、256字節的數據EEPROM，內置8MHz的晶振、10位A/D，具有I2C、SPI、USART接口，能夠驅動(dòng)顯示168個(gè)像素。這些功能再加上低功耗特性(休眠模式下典型電流O.5uA，1MHz下典型電流為190uA)使得這種MCU十分適用于采用電池供電的氣表和水表。

　　圖4電表結構框圖

　　熱表

　　不同用戶(hù)所居住的地區和國家的供熱方式可能不同。采用熱水流過(guò)暖氣片進(jìn)行供熱是比較常見(jiàn)的方式。熱表的結構比氣表或水表略微復雜一些，因為熱力學(xué)計算熱量的方式涉及溫度和流量。熱表要同時(shí)測量暖氣片入口和出口的溫度，還要測量水流通過(guò)暖氣片的流速。根據這些測量結果，MCU再根據熱力學(xué)公式計算出熱能使用量。圖3給出了一個(gè)熱表的實(shí)例。為了降低熱表的成本，我們可以采用MCU來(lái)校準和調節溫度傳感器。溫度傳感器通常采用RTD(電阻式溫度檢測器)或類(lèi)似的器件，它們能夠浸泡在液體中工作。MCU中可以保存一個(gè)校準表，用于把傳感器的模擬輸出量轉換為線(xiàn)性的溫度值。熱表中使用的流速表與水表中的類(lèi)似，也會(huì )產(chǎn)生輸出脈沖。熱表的設計還有另外一個(gè)挑戰是氣表和水表沒(méi)有的。熱表都是安裝在用戶(hù)住宅內的，不像氣表和水表可以安裝在戶(hù)外。沒(méi)有AMR功能，抄表員記錄熱能使用量時(shí)必須有用戶(hù)在家里配合?；贛CU的熱表很容易實(shí)現RF功能，即使用戶(hù)不在家也可以進(jìn)行抄表。圖3中的實(shí)例也采用了PIC16F9XX系列MCU，它具有低功耗特性并集成了LCD模塊。

　　電表

　　電子儀表最令人關(guān)注的焦點(diǎn)可能是電表。在發(fā)展中國家中，竊電問(wèn)題始終都是促使人們研制電子儀表的最主要原因。因為不但儀表會(huì )被篡改以減少其顯示的用電量，而且抄表員也容易因為接受用戶(hù)的賄賂而篡改抄表數據。所以，具備自動(dòng)抄表功能的電子儀表能夠大大減少公用事業(yè)公司損失的收入。電表設計中的最大挑戰是需要精確記錄用電量。如前所述，某些生產(chǎn)商要求高達0.2%的精度。電表還必須能夠處理大型的電感負載，例如電冰箱、HVAC(暖通空調)、洗衣機和干衣機之類(lèi)的電器。因此，對于設計人員來(lái)說(shuō)采用MCU或者分立元件是最佳的設計方案。慶幸的是，有些生產(chǎn)商同時(shí)提供了兩種類(lèi)型的電表。為了簡(jiǎn)化設計，分立式設計提供了負載和電源接口，采用測量引擎測量電流和電壓并計算用電量，使用簡(jiǎn)單的脈沖輸出方式。圖4給出的實(shí)例中使用PIC16F9XX器件作為MCU，采用Microchip公司的MCP3905測量用電量。MCP3905的典型精度為0.1%，具有電源反向指示功能，采用分流電阻測量電流。電能輸出驅動(dòng)機械式兩相步進(jìn)電機，但是也可以驅動(dòng)MCU的計數器輸入。

　　結語(yǔ)

　　與機械式儀表相比，電子儀表具有小巧、可靠、精確度高的特點(diǎn)，并且能夠采用防篡改電路和方法增加公用事業(yè)公司的收入，降低用戶(hù)的開(kāi)銷(xiāo)。采用脈沖計數的電子儀表解決方案，能夠大大降低儀表設計的復雜性。這樣就可以讓設計人員把精力集中在更方便的數據采集和收費功能的設計上。