遠(yuǎn)程抄表技術(shù)與智能電度表的研究

摘 要：簡(jiǎn)單介紹了遠(yuǎn)程抄表機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和智能電度表的結(jié)構(gòu)和基本原理。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)控;路由器;智能

采用中央計(jì)算機(jī)對(duì)智能電度表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控——即對(duì)用戶(hù)進(jìn)行遠(yuǎn)程供電、停電、抄表、計(jì)費(fèi)等工作，既準(zhǔn)確、可靠、安全，又具有節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)。目前很多國(guó)家和地區(qū)正在開(kāi)展這項(xiàng)課題的研究，一些地區(qū)已取得初步經(jīng)驗(yàn)和效果。

圖1是遠(yuǎn)程抄表機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。它主要由以計(jì)算機(jī)為核心的系統(tǒng)管理中心、路由器和智能電度表共同組成。

中央計(jì)算機(jī)：選用可編程、運(yùn)算速度快、具有大容量硬盤(pán)、顯示器、鍵盤(pán)和打印機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且事先編制了可供操作人員執(zhí)行的、具有尋址、讀數(shù)、計(jì)費(fèi)、制表、仃電自保等功能的“專(zhuān)用軟件”。

路由器：由圖1知：路由器是中央計(jì)算機(jī)和智能電度表的“橋梁”。它是本系統(tǒng)一個(gè)專(zhuān)用的設(shè)備，類(lèi)似“MODEN”，擔(dān)負(fù)著“通訊”的任務(wù)。在本系統(tǒng)中共設(shè)置了3種路由器：主路由器、并路由器和從路由器。它們的原理、結(jié)構(gòu)和功能基本上是相同的。圖1左下角的虛框所示是從路由器的原理框圖。與從路由器不同的是：主路由器、并路由器內(nèi)的擴(kuò)展口CD4067控制的繼電器的“閘刀開(kāi)關(guān)”則直接連接至下一級(jí)路由器。這樣擴(kuò)展口CD4067控制繼電器“得電”工作時(shí)，主路由器則接通與繼電器同一編碼的并路由器，而并路由器則接通與繼電器同一編碼的從路由器。即系統(tǒng)連接時(shí)，都是按照?qǐng)D1所示連接它們的。這樣，一個(gè)系統(tǒng)管理中心管理著16個(gè)（編號(hào)為0～15）主路由器；每個(gè)主路由器下接16個(gè)（編號(hào)為0～15）并路由器；每個(gè)并路由器又下接16個(gè)（編號(hào)為0～15）從路由器；每個(gè)從路由器下接16個(gè)（編號(hào)為0～15）智能電度表。如此，每一個(gè)主路由器為一分支。每一分支共用了263個(gè)路由器，可檢測(cè)65536戶(hù)智能電度表（用戶(hù)）。16個(gè)主路由器分支，即一個(gè)遠(yuǎn)程抄表機(jī)系統(tǒng)用了4208個(gè)路由器，可檢測(cè)1048576戶(hù)智能電度表（用戶(hù)）。正因?yàn)樗鼈冊(cè)谙到y(tǒng)中的連接方式不同，所以，它們執(zhí)行具體的程序流程也不是完全相同的。

地址分配：操作人員在給用戶(hù)“建帳”時(shí)，為了既便于記憶、又方便從鍵盤(pán)上輸入計(jì)算機(jī)，用戶(hù)代碼采用了十六進(jìn)制代碼。用戶(hù)代碼輸入計(jì)算機(jī)后，再將它們轉(zhuǎn)換為4字節(jié)ASCII代碼，然后再轉(zhuǎn)換為四字節(jié)二進(jìn)制代碼，并存放在遠(yuǎn)程抄表機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)大容量的硬盤(pán)存貯器內(nèi)。這個(gè)“代碼”既是用戶(hù)的“帳號(hào)”， 也是計(jì)算機(jī)尋訪用戶(hù)、讀取用戶(hù)用電數(shù)據(jù)的“地址”。而各路由器的地址代碼，則根據(jù)為用戶(hù)建帳時(shí)的設(shè)定值，在現(xiàn)場(chǎng)使用撥碼開(kāi)關(guān)作相同的設(shè)定，以便遠(yuǎn)程抄表機(jī)系統(tǒng)對(duì)各路由器尋址。

這樣，遠(yuǎn)程抄表機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理可簡(jiǎn)述如下：

尋址：在需要對(duì)用戶(hù)進(jìn)行抄表時(shí)，遠(yuǎn)程抄表機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)先向系統(tǒng)內(nèi)各路由器發(fā)出尋址代碼命令。尋址代碼能有效地尋訪各級(jí)路由器。

尋址程序流程圖如圖2所示，它是由中央計(jì)算機(jī)、主路由器、并路由器、從路由器依次、分別執(zhí)行的。

讀數(shù)（抄表）：抄表時(shí)， 系統(tǒng)采用了下級(jí)設(shè)備向上級(jí)設(shè)備申請(qǐng)中斷方式，由上級(jí)設(shè)備讀取下級(jí)設(shè)備數(shù)據(jù)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)計(jì)算機(jī)向系統(tǒng)內(nèi)各路由器發(fā)出抄表命令后，抄表命令經(jīng)第3分支主路由器、第10號(hào)并路由器，到達(dá)第15號(hào)從路由器后，在第15號(hào)從路由器內(nèi)的單片機(jī)控制CM4089將抄表命令發(fā)送信號(hào)給第9號(hào)智能電度表。于是該電度表的單片機(jī)便向上級(jí)從路由器的單片機(jī)申請(qǐng)中斷，由從路由器單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，讀取電度表存放在AT89C51片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯區(qū)內(nèi)或EEPROM中的電度數(shù)值，并將它存貯到從路由器中AT89C51片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯區(qū)內(nèi)；當(dāng)從路由器單片機(jī)執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，它再向上級(jí)的并路由器的單片機(jī)申請(qǐng)中斷，于是上級(jí)并路由器的單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，讀取存放在下級(jí)從路由器中AT89C51片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯區(qū)內(nèi)的電度數(shù)值，并將它存貯到并路由器中AT89C51片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯區(qū)內(nèi)……。這樣，存放在被尋址選中的電度表中的AT89C51片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯區(qū)內(nèi)或EEPROM中的電度數(shù)值，便被逐級(jí)向上傳送，最后存入中央計(jì)算機(jī)指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再寫(xiě)入操作人員在建帳時(shí)給用戶(hù)指定帳號(hào)的數(shù)據(jù)區(qū)中。一般每個(gè)用戶(hù)帳號(hào)保存著當(dāng)月之前12個(gè)月的用電數(shù)據(jù)，以便操作人員計(jì)費(fèi)、制表時(shí)調(diào)用和用戶(hù)查詢(xún)。

智能電度表是由電能計(jì)量器、光電隔離器、數(shù)據(jù)接收、發(fā)送器、EEPROM存貯器、時(shí)鐘和7位數(shù)碼顯示器等組成。

其中電能變換計(jì)量器是智能電度表關(guān)鍵部件之一，采用我國(guó)檢測(cè)電量常用芯片BL0932和外接采樣用戶(hù)電壓、電流變換器技術(shù)而實(shí)現(xiàn)記錄用戶(hù)用電數(shù)據(jù)的。如圖4左邊的虛框所示。專(zhuān)用芯片BL0932是由乘法器、電壓頻率變換器(V-F)和脈沖計(jì)數(shù)器組成的。

智能電度表的基本工作原理簡(jiǎn)述如下。

根據(jù)有功電能的計(jì)算方法：

電流信號(hào)i：電流信號(hào)是從串接于用戶(hù)電流回路上的一段優(yōu)質(zhì)（溫度性能好、電阻率為0.44～0.5Ωmm2/m）的一級(jí)精密錳銅合金獲取的。

電壓信號(hào)u：電壓信號(hào)是直接從跨接在相線和零線之間的精密電阻分壓器上獲取的，u≈0.63 V。

這樣， 電壓信號(hào)u（t）和電流信號(hào)i(t) 輸入到BL0932的乘法器中進(jìn)行相乘， 在△（t）時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)正比于電能的電壓信號(hào)E， 此電壓信號(hào)E經(jīng)V-F變換器變換后， 輸出一個(gè)正比于電能的脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，再經(jīng)光電隔離器送入單片機(jī)AT89C51并由單片機(jī)將BL0932送出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為的電度數(shù)，并計(jì)算其功率。

若脈沖信號(hào)在△(t)時(shí)間內(nèi)的汁數(shù)值為N， 則在△(t)時(shí)間內(nèi)的平均功率為：

P=NΔ(t)(2)

然后單片機(jī)AT89C51將上述計(jì)算的電度數(shù)據(jù)存入24C04內(nèi)，它是一種具有低電壓、用施密特觸發(fā)、高可靠、可擦寫(xiě)百萬(wàn)次的、數(shù)據(jù)可保存100年的、采用串行兩總線進(jìn)行讀寫(xiě)的、字位存貯容量為512×8（4K）等性能的EEPROM 存貯器。

電度表的主程序是根據(jù)它的主要工作情況來(lái)設(shè)計(jì)的，根據(jù)上述分析可知：它就是一個(gè)定點(diǎn)4字節(jié)求和程序。設(shè)存放在EEPROM中第K～K+3單元的電度數(shù)值為加數(shù)；單片讀取電能計(jì)量器輸出的脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電度數(shù)值后、暫存在單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)中50H～53H的、當(dāng)前用電數(shù)據(jù)為被加數(shù)。程序中以DPL為計(jì)數(shù)器指針，R0存放求和數(shù)據(jù)，R1作被加數(shù)地址指針，R2作加數(shù)地址指針。則電度表的主程序流程圖如圖4所示。

值得指出的是：本系統(tǒng)的路由器和電度表在選用單片微機(jī)時(shí)，都采用AT89C51型號(hào)單片機(jī)。這樣做主要考慮到MCS-51系列單片機(jī)具有下述特點(diǎn)：一、AT89C51片內(nèi)有4K Flash存貯器可作程序空間。二、MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)有位尋址和字節(jié)尋址內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器，可作特征標(biāo)志位和存放待寫(xiě)、讀的電度數(shù)據(jù)用。三、80C51單片機(jī)具有節(jié)電運(yùn)行方式和掉電保護(hù)方式，這對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)路由器和電度表的工作和運(yùn)行具有極其重要意義，節(jié)電運(yùn)行方式可使處在非訪問(wèn)、讀數(shù)期間節(jié)省電能；而掉電保護(hù)方式，則使遇到電網(wǎng)突然仃止供電的路由器和電度表能及時(shí)保存重要數(shù)據(jù)，以利于電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，系統(tǒng)能正常地繼續(xù)工作。

同時(shí)，必需指出的是：盡管采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶(hù)電度表的優(yōu)點(diǎn)很多，但是由于系統(tǒng)較復(fù)雜、涉及面較廣， 目前要推廣使用本研究系統(tǒng)， 需要各方協(xié)調(diào)、共同努力才能快速實(shí)施。

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