電度表互聯網繳費與自動計費系統的研究

趙偉星

(電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731)

我國電力用戶多，并且大部分地區沿用人工抄表、人工收費的工作方式，造成大量的人力和物力的浪費[1]。IC卡式預付費電度表[2，3]雖然易用性上獲得一定的改善，但是繳費需要去指定地點刷卡；一些自動抄表系統[4]也很具吸引力，但是運營成本較高。同時，隨著互聯網技術的發展，中國互聯網用戶將突破4億，通過互聯網繳費已成為很多家庭的選擇。本文采用PIC18F66J60單片機設計的電度表互聯網繳費與自動計費系統可以適應這種需要，減少人力物力的浪費。

1 系統設計方案

1.1 系統結構

系統由兩個具有收發功能的模塊組成，兩個模塊同時工作實現電度表和互聯網之間的相互通信。電度表端主要包含三部分：一個具有數字讀數信號和三個配置信號的電度表、一個無線收發芯片、一副天線。互聯網端主要由三部分組成：一個具有以太網模塊的單片機、一個無線收發芯片、一副天線。此外，還包含電源電路和一些接口電路。系統原理框圖如圖1所示。其中CC1000是無線收發芯片，PIC18F66J60是具有1個SPI接口和以太網模塊的單片機。

1.2 系統工作原理

系統采用無線收發芯片將電度表讀數發送給互聯網端，互聯網端的無線收發芯片接收電度表讀數，單片機對接收到的電度表讀數進行計算轉換為當月應該繳納的電費。單片機模塊包含數碼管顯示部分，應繳的電費將在數碼管上顯示，同時單片機將應繳納的電費發送到互聯網，通過計算機終端訪問單片機，并將應繳納的電費讀到計算機上，并在人機交互界面上進行顯示。只需點擊繳費按鈕，即可發送控制信號給單片機，進而通過無線收發芯片控制用電開關。該系統主要實現三種功能。

(1)抄表。電度表每月月初和月末分別發送讀數給單片機，單片機計算兩者之差作為當月用電量。

(2)計費。單片機將當月用電量乘以從電能供應商處獲得的用電單價，得到當月應繳電費。

(3)繳費。單片機將當月應當繳納的電費發送到電能供應商提供的服務器上，確認之后，從電能供應商服務器發送用電許可指令給單片機，單片機閉合用電開關。

2 系統硬件設計

具有以太網模塊的單片機PIC18F66J60是整個系統的核心，主要負責整個系統的計算和控制，本設計主要用到了PIC18F66J60的以太網模塊專用數據接口、I/O口以及SPI接口。兩個收發芯片輔助完成電度表、單片機和互聯網之間的通信。

2.1 電度表端的電路設計

電度表端電路(如圖 2)采用 Chipcon公司的無線收發芯片CC1000。CC1000可以在315/433/915 MHz ISM(工業、科學和醫療)頻帶系統上應用，采用FSK調制，可采用3.3 V電源供電。芯片內部的T/R切換電路簡化了天線連接和匹配電路設計，通過編程可方便選擇芯片的工作頻帶，輸出功率可編程。該芯片具有28個管腳，其中，PALE、PDATA、PCLK是芯片的可編程串行接口，通過該接口可對芯片的36個配置寄存器執行讀寫操作。DCLK、DIO用來與電度表交換數據，其中DCLK為數據傳輸的時鐘，由CC1000提供。

2.2 互聯網端的電路設計

互聯網端采用CC1000實現無線收發，為了簡化電路設計，天線采用印制電路板天線，無線收發距離通過單片機寫CC1000的功率控制寄存器進行配置?；ヂ摼W接口電路采用具有以太網模塊的單片機芯片PIC18F66J60，該單片機具有64 KB內部Flash存儲器，因而不需要擴展EEROM即可實現程序和數據的永久保存。這款單片機集成MAC和10 Base-T PHY，支持10 Base-T端口，在發生沖突時可編程自動重發，并可拒絕錯誤數據包，并且它具有完整的網路連接解決方案，外加兩個脈沖變壓器和一些無源器件即可與以太網連接。此外，PIC18F66J60具有一個主同步串行口模塊，支持SPI和I2C兩種模式，本文中使用SPI模式配置無線收發芯片。單片機與無線收發芯片的接口通過SPI口和兩個普通 I/O 口實現，TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-這四個引腳是單片機的以太網模塊專用信號接口，單片機通過這四個引腳外加一些外部元件(圖3中SC模塊)與互聯網連接。

2.3 電源模塊設計

采用電源適配器提供5 V的直流電壓，無線收發芯片CC1000采用3.3 V直流供電電壓，PIC18F66J60也可采用3.3 V電源。AMS1117是5 V轉3.3 V的電平轉換芯片，該LDO可以提供1 A的輸出電流，具有低于1 V的輸入輸出電壓差，并且電路簡單，只需要在輸入輸出端加一定的濾波電容即可正常工作。

3 系統軟件設計

系統軟件包含PIC18F66J60的相關程序、電度表端程序設計、CC1000配置程序和主機端操作界面程序。PIC18F66J60相關程序主要完成：對電度表讀數進行接收和計算當月電費，接收來自電度表端的讀數數據，每月月初和月底的電度表讀數差乘以用電單價即可得到當月應繳電費；保存過去12個月的用電清單 (包含用電量、單月電費和用電單價)；每月月底向網絡服務器端繳費；從網絡服務器端讀取繳費信息，并存入單片機內部Flash，從規定繳費時刻算起，當欠費時間大于10小時，紅色LED指示燈亮，提醒用戶需要繳費，當欠費時間大于24小時時，PIC18F66J60向電度表發送停止供電指令，用電開關自動斷開，充值后，PIC18F66J60發送供電指令，閉合用電開關。從網絡服務器獲得用電單價信息，實時更新單片機內部Flash的用電單價。PIC18F66J60相關程序流程圖如圖4所示。

電度表端程序主要實現以下功能：每個月第一天上午8點和最后一天上午8點發送電度表讀數給電度表端的 CC1000，控制 CC1000工作在發送狀態，其他時間控制CC1000工作于接收狀態。CC1000配置芯片工作參數，先要復位CC1000，然后根據時序要求配置寄存器，校正收發支路即可使CC1000正常工作。主機端操作界面由ASP語言和SQL數據庫實現，向用戶提供繳費、用電單價、以及打印過去12月用電量和用電費用清單信息，同時為用戶提供了友好的基于Web的操作界面，可以采用瀏覽器直接訪問服務器。

本文采用PIC18F66J60設計的電度表互聯網繳費與自動計費系統，很好地繼承了過去沿用的用電繳費習慣，具有硬件簡單，易于實現、成本低、操作簡單等優點。通過實驗驗證，以一臺計算機作為服務器，與該計算機通過交換機連接的收費終端可以通過網絡進行繳費。該系統利用互聯網IP的獨立性，可以利用MAC地址區別用戶終端，并且每個CC1000都配置有唯一的標識碼，是一種低運營成本的有效繳費和計費方式。

[1]王引航.條碼技術在電度表及用戶管理中的應用[J].科技資訊，2009(3)：139-140.

[2]程啟明，譚青.非接觸式IC卡預收費電度表的設計[J].電子技術應用，2003，29(3)：42-45.

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[4]TAN H G R，LEE C H R，MOK V H.Automatic power meter reading system using GSM network [C].Power Engineering Conference， 2007： 465-469

[5]劉和平，劉釗，鄭群英，等.PIC18Fxxx單片機程序設計及應用[M].北京：北京航空工業出版社，2005.

[6]李峰，陳向益.TCP/IP協議分析與應用編程[M].北京：人民郵電出版社，2008.