遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)計(jì)方案

本文主要提出一種小區(qū)電能表自動(dòng)抄表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。隨著智能化建筑在許多國(guó)家應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)抄表系統(tǒng)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(tǒng)抄表方式相比，智能抄表系統(tǒng)具有方便快捷、節(jié)省人力物力、提高工作效率、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由電能表、數(shù)據(jù)采集器、集中器、數(shù)據(jù)傳輸通道和后臺(tái)管理服務(wù)器等組成；其中電能表主要是在傳統(tǒng)機(jī)械式電表基礎(chǔ)上將轉(zhuǎn)盤適當(dāng)改造，以便能將其轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)被數(shù)據(jù)采集器采集轉(zhuǎn)化為電脈沖數(shù)，以達(dá)到數(shù)據(jù)采樣的目的；采集器主要完成將電表用電量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)以完成數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)還具備將采集的數(shù)據(jù)保存、通過(guò)CAN總線傳輸給集中器轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)管理系統(tǒng)、顯示用戶剩余電度數(shù)以及根據(jù)情況切斷用戶電路等功能。數(shù)據(jù)集中器則是通過(guò)CAN總線收集各用戶電表上傳數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給后臺(tái)管理服務(wù)器系統(tǒng)，同時(shí)數(shù)據(jù)集中器亦可將后臺(tái)管理服務(wù)器各項(xiàng)命令轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)電表數(shù)據(jù)收集器，并完成相應(yīng)控制。通過(guò)以上功能基本可以實(shí)現(xiàn)抄表管理收費(fèi)一體化等工作。

圖1 系統(tǒng)集成示意圖

數(shù)據(jù)采集器硬件組成

數(shù)據(jù)采集器硬件原理如圖2所示，數(shù)據(jù)采集器主要包括數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)保存電路以及數(shù)據(jù)傳輸CAN總線節(jié)點(diǎn)電路，同時(shí)根據(jù)其他功能擴(kuò)展（如預(yù)付費(fèi)功能）增加了剩余電度數(shù)顯示以及通過(guò)繼電器對(duì)用戶電路切斷和接通電路。


圖2 遠(yuǎn)程抄表數(shù)據(jù)采集器硬件原理圖

采集器采用單片機(jī)89C51，其內(nèi)部有4KB的ROM，128字節(jié)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(hào)線和數(shù)據(jù)信號(hào)線。24C02用來(lái)存儲(chǔ)用戶電度表不同時(shí)段消費(fèi)電度數(shù)和用戶電度表采集器編號(hào)（CAN節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)）。P0口主要用來(lái)與CAN總線控制器SJA1000相連，用作數(shù)據(jù)線。監(jiān)控電路采用DS1232芯片，它是看門狗定時(shí)器，功能是上電和掉電時(shí)給89C51、CAN控制器SJA1000產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；看門狗對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，防止死機(jī)不能恢復(fù)。日歷時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片PCF8583完成，由于系統(tǒng)中需要對(duì)用電實(shí)行分時(shí)按峰、谷、平不同時(shí)段進(jìn)行節(jié)計(jì)費(fèi)，因此系統(tǒng)中必須建立不間斷供電（電池供電），以便提供實(shí)時(shí)鐘。

數(shù)據(jù)采集電路采用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器A44L對(duì)加裝過(guò)小磁鐵的電表轉(zhuǎn)盤進(jìn)行將所轉(zhuǎn)的圈數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳感器A44L工作原理如圖3a所示，集成霍爾開(kāi)關(guān)是由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢(shì)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(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)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(shì)差VH輸出，該VH信號(hào)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門輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到“工作點(diǎn)（即Bop）”時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓(相對(duì)于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時(shí)，OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為“開(kāi)”。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)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門輸出高電壓，這時(shí)稱其為“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稱為磁滯，在此差值內(nèi)，Vo保持不變，因而使開(kāi)關(guān)輸出穩(wěn)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總線采用一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)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(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，因此非常適合遠(yuǎn)程抄表控制系統(tǒng)。CAN總線控制電路如圖2所示，主要由控制器89C51、CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)收發(fā)器82C250組成，單片機(jī)89C51對(duì)CA控制器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和數(shù)據(jù)發(fā)送等程序處理，為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)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(xiàn)了總線上各節(jié)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總線相連，起到一定的限流作用，保護(hù)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總線輸入端與地之間分別接防雷擊管，起到一定的保護(hù)作用。

數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)

主程序流程

數(shù)據(jù)采集器在整個(gè)系統(tǒng)中有喂狗、計(jì)表、時(shí)鐘校時(shí)、用戶通斷電、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取以及顯示等功能，其中喂狗、計(jì)表和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及CAN總線數(shù)據(jù)接收分別采用定時(shí)終端、計(jì)數(shù)中斷和外部中斷實(shí)現(xiàn)，顯示功能則為預(yù)付費(fèi)功能而備(本文不作要求)，CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式和其他程序功能在主程序中實(shí)現(xiàn)。主程序流程如圖4所示。


圖4 主流程序圖