基于物聯網技術的無線自動抄表與控制系統

[摘要]基于當前快速發展的物聯網技術，以及智能電網的進一步建設對抄表技術提出了更高的要求，本文設計了無線自動抄表系統。系統以STC系列單片機為核心搭建采集控制模塊，通過RS-485接口連接多功能智能電表，并將抄讀的數據保存到存儲器中，通過Zigbee無線采集模塊將數據定時上傳至數據中心或者采集終端。該系統穩定性高、準確度強、數據傳輸速度快，在現實應用中效果良好。

[關鍵詞]STC單片機；遠程數據抄讀；自動控制

現階段的人工抄表等方式存在諸多的缺陷不便，不但抄讀效率低、費時費力，而且準確性和及時性得不到有力保障，進而導致生產管理和技術決策方面得不到詳細準確的原始數據。隨著智能電網建設的步伐加快和用電量的突增，電力部門和用戶對抄表設備質量的要求越來越高，本文設計的采用無線抄表系統，將物聯網技術運用到抄表系統中，實現電表數據的自動抄讀以及開關的遠程控制。

無線自動抄表系統（簡稱AMRS，Automatic Meter Reading System）主要由計算機軟硬件系統、通信系統、計量設備等結合在一起的采集與傳輸裝置將采集數據傳輸到管理系統，完成抄表和實時監控的用電管理設備[1]。

1、系統結構與工作原理

無線自動抄表系統的硬件部分包含由微處理器、Zigbee模塊、存儲模塊、數據傳輸模塊、時鐘模塊和電源模塊等部分。

系統工作原理：數據采集模塊采集到電表數據后傳輸到微處理器，微處理器經過數據的提取，保存到數據存儲模塊，在管理部門需要的時候，將數據通過Zigbee網絡傳輸到數據庫，管理部門可方便監測，并周期性的對采集的數據匯總分析。系統也可以根據用戶需要實時將部分數據發送給用戶終端。當發生異常情況時，如預購電量不足、通訊模塊網絡出錯、過電流、過電壓等，系統會向電力部門和用戶發送告警信號，當預購電量消費完時，微處理器會向執行模塊發送命令信號使整個電力系統斷電，只保留設備的供電部分的電源。系統硬件的結構框圖如圖1所示。

2、系統硬件部分

2.1單片機最小系統

本系統的選用的微處理器為宏晶科技生產的STC12C5A60S2單片機，該單片機具有高速、低耗、超強抗干擾的的特點，且指令代碼完全兼容傳統的8051，而速度快8～12倍，其工作寬電壓范圍在3.3V～5.5V，工作溫度在-40℃～+85℃，符合野外工作環境的要求，該單片機最大的優點是具有兩個全雙工的串行通信接口。在電路設計時，串口1通過采集模塊連接電表采集數據，串口2連接通信模塊發送數據或者接受命令。該單片機還提供了一種串行通信接口--SPI接口，SPI是一種全雙工、高速、同步的通信總線，SPI與數據存儲器FM25256連接，將采集的數據實時的保存[2]。

2.2Zigbee無線模塊的構建

ZigBee標準和CC2430芯片設計的開放式ZigBee模塊——DTD243B模塊，其核心為CC2430芯片，CC2430[3]是符合IEEE 802.15.4和Zigbee標準的一顆真正的系統芯片CMOS解決方案，其內部帶有一個2.4GHz的射頻收發器和工業級增強型8051內核。該芯片具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力。CC2430芯片設計如圖2，主要包括3.3V和1.8V電源電路、復位電路、晶振電路等。

整個電路屬于數字信號和模擬信號混合的電路，在布線過程中要防止兩者相互干擾，符合數模電路混合布線的要求。

2.3數據采集模塊

采集模塊實時采集電表數據，數據采集有兩種方式，一種是循環不定時采集數據；另一種是當接收到管理部門的用戶命令時實時采集數據。模塊采用RS485方式進行數據采集，最高傳輸速率為10Mbps，最大的通信距離約為1200m，并且具有良好的抗干擾性。采集模塊選擇美國TI公司生產的SN65LBC184半雙工收發器，片內集成四個瞬時過壓保護管，可承受功率達400W的瞬時脈沖電壓，可抑制雷電及其他原因在電路中產生的瞬時高壓，保護接口電路免遭損壞。采集模塊連接單片機的串口1。

2.4存儲模塊

數據存儲模塊選用的RAMTRON公司先進的鐵電技術制造的非易失性存儲器FM25256，它可承受一萬億次的讀寫次數，數據在掉電后可以保存10年以上，具有最大可以達到15MHz的操作速度，在執行讀寫操作時與RAM相似，以總線速度進行寫操作，無需延時。數據成功地傳輸到器件之后，在周期過程中被寫入存儲器陣列，下個總線周期可以立即開始[4]。FM25256用在頻繁、快速讀寫操作的系統中，加強了數據存儲的安全性和準確性。

鐵電存儲器FM25256通過串行外圍數據接口SPI與單片機連接，如圖3所示。SPI接口主要有4個信號：MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）、SCLK（串行時鐘）、SS（外設片選或從機選擇）[5][6]，占用單片機I/O接口少。SPI以全雙工模式工作，即數據可同時雙向傳輸。在主器件的移位脈沖下，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，數據傳輸速度總體來說比I2C總線要快很多，速度可達到幾Mbps。

3、系統軟件部分

系統的軟件主要為采集中斷的下位機軟件的設計，下位機軟件采用了移植性強的C語言編寫，便于模塊化結構設計。軟件設計主要包含系統初始化、數據采集、數據處理、報警斷電和數據通信等，整個軟件流程圖如圖4所示。

4、結論

本系統主要利用STC12C5A60S2單片機豐富的內部資源，通過軟件編程實現了遠程抄表與控制。系統采集的數據遠程傳輸，傳輸距離遠，不受地域和距離的限制，并具有設置各項報警數值，實時和定時檢測電力系統的功能，同時具有性能價格比高，干擾性強的特點，在電力系統中，它都能夠較好的滿足電力傳輸現場的遠程工作要求。

參考文獻

[1]許學慧.基于GPRS技術的無線自動抄表系統.碩士論文，山東科技大學，2006年5月

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊，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.串行鐵電存儲器FM25256應用技術.計算機與信息技術，2007年第31期.

[5]解書鋼，馬維華，吳術.SPI總線的UART擴展方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2008年第6期.

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

作者簡介

袁匯江（1976-），男，山東壽光人，碩士。主要研究方向：電氣自動化技術。