基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線自動(dòng)抄表與控制系統(tǒng)

袁匯江

濰坊科技學(xué)院汽車工程學(xué)院 山東壽光 262700

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線自動(dòng)抄表與控制系統(tǒng)

袁匯江

濰坊科技學(xué)院汽車工程學(xué)院 山東壽光 262700

基于當(dāng)前快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及智能電網(wǎng)的進(jìn)一步建設(shè)對(duì)抄表技術(shù)提出了更高的要求，本文設(shè)計(jì)了無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC系列單片機(jī)為核心搭建采集控制模塊，通過(guò)RS-485接口連接多功能智能電表，并將抄讀的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中，通過(guò)Zigbee無(wú)線采集模塊將數(shù)據(jù)定時(shí)上傳至數(shù)據(jù)中心或者采集終端。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確度強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速度快，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中效果良好。

STC單片機(jī)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄讀；自動(dòng)控制

現(xiàn)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到有力保障，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)管理和技術(shù)決策方面得不到詳細(xì)準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的步伐加快和用電量的突增，電力部門(mén)和用戶對(duì)抄表設(shè)備質(zhì)量的要求越來(lái)越高，本文設(shè)計(jì)的采用無(wú)線抄表系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到抄表系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄讀以及開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AMRS，Automatic Meter Reading System）主要由計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)量設(shè)備等結(jié)合在一起的采集與傳輸裝置將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)，完成抄表和實(shí)時(shí)監(jiān)控的用電管理設(shè)備[1]。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件部分包含由微處理器、Zigbee模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、時(shí)鐘模塊和電源模塊等部分。

系統(tǒng)工作原理：數(shù)據(jù)采集模塊采集到電表數(shù)據(jù)后傳輸?shù)轿⑻幚砥?，微處理器?jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的提取，保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，在管理部門(mén)需要的時(shí)候，將數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，管理部門(mén)可方便監(jiān)測(cè)，并周期性的對(duì)采集的數(shù)據(jù)匯總分析。系統(tǒng)也可以根據(jù)用戶需要實(shí)時(shí)將部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端。當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，如預(yù)購(gòu)電量不足、通訊模塊網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)、過(guò)電流、過(guò)電壓等，系統(tǒng)會(huì)向電力部門(mén)和用戶發(fā)送告警信號(hào)，當(dāng)預(yù)購(gòu)電量消費(fèi)完時(shí)，微處理器會(huì)向執(zhí)行模塊發(fā)送命令信號(hào)使整個(gè)電力系統(tǒng)斷電，只保留設(shè)備的供電部分的電源。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2、系統(tǒng)硬件部分

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)的選用的微處理器為宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)具有高速、低耗、超強(qiáng)抗干擾的的特點(diǎn)，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)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(huán)境的要求，該單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有兩個(gè)全雙工的串行通信接口。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，串口1通過(guò)采集模塊連接電表采集數(shù)據(jù)，串口2連接通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)或者接受命令。該單片機(jī)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器FM25256連接，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的保存[2]。

2.2 Zigbee無(wú)線模塊的構(gòu)建

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)和CC2430芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)的一顆真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案，其內(nèi)部帶有一個(gè)2.4GHz的射頻收發(fā)器和工業(yè)級(jí)增強(qiáng)型8051內(nèi)核。該芯片具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力。CC2430芯片設(shè)計(jì)如圖2，主要包括3.3V和1.8V電源電路、復(fù)位電路、晶振電路等。

整個(gè)電路屬于數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)混合的電路，在布線過(guò)程中要防止兩者相互干擾，符合數(shù)模電路混合布線的要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊實(shí)時(shí)采集電表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集有兩種方式，一種是循環(huán)不定時(shí)采集數(shù)據(jù)；另一種是當(dāng)接收到管理部門(mén)的用戶命令時(shí)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。模塊采用RS485方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(guó)TI公司生產(chǎn)的SN65LBC184半雙工收發(fā)器，片內(nèi)集成四個(gè)瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)管，可承受功率達(dá)400W的瞬時(shí)脈沖電壓，可抑制雷電及其他原因在電路中產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓，保護(hù)接口電路免遭損壞。采集模塊連接單片機(jī)的串口1。

2.4 存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用的RAMTRON公司先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的非易失性存儲(chǔ)器FM25256，它可承受一萬(wàn)億次的讀寫(xiě)次數(shù)，數(shù)據(jù)在掉電后可以保存10年以上，具有最大可以達(dá)到15MHz的操作速度，在執(zhí)行讀寫(xiě)操作時(shí)與RAM相似，以總線速度進(jìn)行寫(xiě)操作，無(wú)需延時(shí)。數(shù)據(jù)成功地傳輸?shù)狡骷?，在周期過(guò)程中被寫(xiě)入存儲(chǔ)器陣列，下個(gè)總線周期可以立即開(kāi)始[4]。FM25256用在頻繁、快速讀寫(xiě)操作的系統(tǒng)中，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和準(zhǔn)確性。

鐵電存儲(chǔ)器FM25256通過(guò)串行外圍數(shù)據(jù)接口SPI與單片機(jī)連接，如圖3所示。SPI接口主要有4個(gè)信號(hào)：MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)、SCLK(串行時(shí)鐘)、SS(外設(shè)片選或從機(jī)選擇)[5][6]，占用單片機(jī)I/O接口少。SPI以全雙工模式工作，即數(shù)據(jù)可同時(shí)雙向傳輸。在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來(lái)說(shuō)比I2C總線要快很多，速度可達(dá)到幾Mbps。

3、系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的軟件主要為采集中斷的下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，下位機(jī)軟件采用了移植性強(qiáng)的C語(yǔ)言編寫(xiě)，便于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包含系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警斷電和數(shù)據(jù)通信等，整個(gè)軟件流程圖如圖4所示。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)主要利用STC12C5A60S2單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表與控制。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，不受地域和距離的限制，并具有設(shè)置各項(xiàng)報(bào)警數(shù)值，實(shí)時(shí)和定時(shí)檢測(cè)電力系統(tǒng)的功能，同時(shí)具有性能價(jià)格比高，干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中，它都能夠較好的滿足電力傳輸現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程工作要求。

[1]許學(xué)慧.基于GPRS技術(shù)的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng).碩士論文，山東科技大學(xué)，2006年5月

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)，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(chǔ)器FM25256應(yīng)用技術(shù).計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2007年第31期.

[5]解書(shū)鋼，馬維華，吳術(shù).SPI總線的UART擴(kuò)展方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008年第6期.

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

袁匯江(1976-)，男，山東壽光人，碩士。主要研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。