胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 

   摘要：該設(shè)計(jì)解決了IC卡預(yù)付費(fèi)電能表存在的問(wèn)題，同時(shí)繼承了先購(gòu)電后用電的管理模式.電力部門(mén)的管理微機(jī)通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能表進(jìn)行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問(wèn)題。

   關(guān)鍵詞：IC卡預(yù)付費(fèi)電能表；RS485網(wǎng)絡(luò)；射頻卡

一、引言

            IC卡預(yù)付費(fèi)電能表采用先購(gòu)電后用電的管理模式,在一定程度上解決了電力部門(mén)收取電費(fèi)難的問(wèn)題。然而IC卡預(yù)付費(fèi)電能表存在很大的問(wèn)題，首先是由于電力部門(mén)缺乏對(duì)IC卡電能表用戶的監(jiān)管，當(dāng)IC卡被破密后,很難發(fā)現(xiàn)和査處，導(dǎo)至國(guó)家損失大量的電費(fèi)；其次IC卡易被污染和損壞等。

   本設(shè)計(jì)的主要目的就是為了解決IC卡預(yù)付費(fèi)電能表的存在的問(wèn)題,同時(shí)繼承了先購(gòu)電后用電的管理模式。電力部門(mén)的管理微機(jī)通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能表進(jìn)行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問(wèn)題。

二、電能表管理系統(tǒng)

   為了降低成本，管理微機(jī)既作為電能表用電管理上位機(jī)，同時(shí)還和發(fā)卡機(jī)一起完成發(fā)卡任務(wù)。電能表管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電能表管理系統(tǒng)圖

   管理微機(jī)與發(fā)卡機(jī)通過(guò)C0M1來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，采用RS232C通信接口標(biāo)準(zhǔn)。管理微機(jī)與電能表通過(guò)COM2來(lái)實(shí)現(xiàn)通信,采用RS485通信接口標(biāo)準(zhǔn)。

   發(fā)卡機(jī)具備射頻卡讀寫(xiě)功能,其主要作用是讀寫(xiě)射頻卡,與管理微機(jī)一起實(shí)現(xiàn)用戶的開(kāi)戶、交費(fèi)、注銷、電量查詢等功能。

三、基于射頻識(shí)別技術(shù)的電能表其主要的工作原理

          1.用戶用電前須先到電力管理部門(mén)購(gòu)買(mǎi)射頻卡和預(yù)交電費(fèi)，由管理部門(mén)把用戶的信息及購(gòu)電量錄入管理微機(jī)并由發(fā)卡機(jī)寫(xiě)入射頻卡。

          2.當(dāng)用戶持有效射頻卡掠過(guò)電能表時(shí)，電能表內(nèi)的讀寫(xiě)模塊首先對(duì)射頻卡進(jìn)行驗(yàn)證，逋過(guò)驗(yàn)證后讀取射頻卡的信息，當(dāng)卡內(nèi)電費(fèi)充足時(shí)為用戶供電,同時(shí)把用戶信息寫(xiě)入EEPROM,且電能表開(kāi)始計(jì)量用電量。

          3.電能表釆用遞加計(jì)量的方式,用電量存儲(chǔ)在EEPROM中，且用電量每增1度存儲(chǔ)器存儲(chǔ)一次,電能計(jì)量精度為0.01度。

          4.管理微機(jī)采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)電表采集用電數(shù)據(jù)，用電數(shù)據(jù)經(jīng)管理微機(jī)處理后列出兩個(gè)名單（電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單）向網(wǎng)絡(luò)中的電能表廣播。電能表在確認(rèn)用戶卡上了黃名單后聲音與指示燈報(bào)警，提醒用戶及時(shí)充值，但電能表繼續(xù)為用戶供電；電能表在確認(rèn)用戶卡上了黑名單后，聲音與指示燈報(bào)警，且停止 為該用戶供電，退出該用戶卡,電能表處于待機(jī)狀態(tài)。

          5.用戶想終止用電,只需將射頻卡再次靠近電能表,電能表再次讀取射頻卡內(nèi)的信息，把卡內(nèi)電量減去本次用電量，且把運(yùn)算結(jié)果回寫(xiě)射頻卡內(nèi)。同時(shí)電能表斷開(kāi)繼電器，停止為該用戶供電。

          6.電能表在為某用戶供電過(guò)程中，其它射頻卡則不能刷卡用電，只有在電能表待機(jī)時(shí)才能接受另一用戶卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為100mm左右，因此當(dāng)有卡路過(guò)某電能表時(shí)，卡與電能表距離較遠(yuǎn)不會(huì)觸發(fā)電能表。

          7.一張卡可以在不同的電能表中使用,且可以在多個(gè)電能表上同時(shí)使用。

          8.在用電過(guò)程中如出現(xiàn)斷電，通過(guò)備用電池將用戶本次用電量存入EEPROM中。來(lái)電后，電能表繼續(xù)為該用戶供電。如用戶不想下次來(lái)電后繼續(xù)供電，只需將射頻卡再次靠近電能表，取消供電,來(lái)電后電能表將處于待機(jī)狀態(tài)。

四、電能表系統(tǒng)硬件構(gòu)成

   電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由七大部分組成：射頻卡讀寫(xiě)模塊、電能計(jì)量模塊、存儲(chǔ)器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報(bào)警等。

   系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以MCU為核心，將其他模塊有機(jī)的整合在一起,形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。以下各節(jié)是系統(tǒng)各部分的具體設(shè)計(jì)方案。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

五、軟件模塊的構(gòu)成

5.1 軟件模塊的劃分

   軟件釆用模塊化設(shè)計(jì)，共劃分為五大模塊（如圖3）,分別為與管理微機(jī)的通訊模塊、電能計(jì)量模塊、聲光報(bào)警模塊、射頻卡讀寫(xiě)模塊以及黑黃名單的驗(yàn)證模塊。為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)大模塊的功能，又把每個(gè)大模塊劃分為若干個(gè)相應(yīng)的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統(tǒng)的初始化、中斷管理和監(jiān)視以及各功能模塊的調(diào)用等。

圖3 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

5.2 主程序設(shè)計(jì)

   設(shè)定MCU內(nèi)部RAM的78H作為黑、黃名單標(biāo)志單元，當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FFH時(shí)，指示用戶卡已上黑名單；當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FEH時(shí)，指示用戶卡已上黃名單；為其它數(shù)據(jù)則表明用戶卡未上黑（黃）名單。在進(jìn)行黑、黃名單驗(yàn)證時(shí)，程序根據(jù)驗(yàn) 證結(jié)果對(duì)RAM的78H寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無(wú)刷卡標(biāo)志單元，如電表當(dāng)前已有用戶卡在消費(fèi)，79H的內(nèi)容為#FFH;當(dāng)無(wú)用戶卡在消費(fèi)（電表處于待機(jī)狀態(tài)）時(shí),79H的內(nèi)容為#00H;當(dāng)正在消費(fèi)的用戶卡第二次刷卡后，79H的內(nèi)容為#FEH,此時(shí)主程序檢測(cè)到這一狀態(tài)后，斷開(kāi)用戶供電，計(jì)算本次用電后用戶的電費(fèi)余額，且將余額回寫(xiě)射頻卡。

   主程序流程圖如圖4,系統(tǒng)上電時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開(kāi)放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當(dāng)無(wú)刷卡中斷時(shí),則不斷循環(huán)檢測(cè)卡片標(biāo)志單元79H。

   當(dāng)刷卡時(shí)，射頻接口模塊通過(guò)INTO請(qǐng)求中斷，MCU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，調(diào)用讀卡子程序，此時(shí)分為兩種情況:

1、如電能表處于待機(jī)狀態(tài)，則接收刷卡，讀出卡內(nèi)信息，同時(shí)，置RAM中79H的值為#FFH,然后返回主程序。主程序調(diào)用黑黃名單驗(yàn)證子程序，如用戶卡已上電量不足的黑名單則報(bào)警同時(shí)返回主程序；當(dāng)用戶卡上電量小于10度的黃名單時(shí)報(bào)警但繼續(xù)為該用戶供電，直到電費(fèi)全部用完后停止供電；當(dāng)用戶卡不上黑黃名單時(shí)，則正常為該用戶供電，同時(shí)調(diào)用電能計(jì)量程序。

2、如電能表處于非待機(jī)狀態(tài)，說(shuō)明電能表正在為一用戶卡供電，此時(shí)首先判斷本次的刷卡卡號(hào)與正在用電的用戶卡號(hào)是否相同，如相同則為該用戶的二次刷卡，射頻接口程序把RAM的79H置#00H,然后返回主程序。主程序在檢測(cè)出79H的數(shù)據(jù)為#00H后，判斷為是用戶取消供電，主程序調(diào)用電量核算程序，把該用戶的卡內(nèi)余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調(diào)用寫(xiě)卡子程序把新的電量余額回寫(xiě)卡內(nèi)；如本次刷卡卡號(hào)與正在用電的用戶卡號(hào)不同，則本次刷卡無(wú)效。

   電能表在執(zhí)行電能計(jì)量程序的過(guò)程中，也能響應(yīng)中斷程序。在每次執(zhí)行了黑黃名單接收程序后，進(jìn)行一次黑黃名簞驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)RAM的78H寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的值，然后返回電能計(jì)量程序。計(jì)量程序檢測(cè)78H的值，如為#FFH表明用戶卡已上新的黑名單，調(diào)用報(bào)警程序，然后切斷用戶供電，返回主程序。

圖4 主程序流程圖

5.3 電能計(jì)量程序設(shè)計(jì)

   電能計(jì)量子程序流程圖如圖5所示。電能計(jì)量采用遞加的方式，單片機(jī)的P3.4（T0）端輸入用電計(jì)量脈沖，計(jì)滿3200個(gè)脈沖為一度電，用電量加1,數(shù)碼顯示加1。用電量存儲(chǔ)在EEPROM中，每增1度電則電量重新存儲(chǔ)一次，管理微機(jī)定時(shí)從各個(gè)電表的EEPROM中采集用電數(shù)據(jù)。

5.4 射頻接口程序

          MFRC500能執(zhí)行有限的一些指令,并將這些指令傳輸?shù)?/span>MIFARE1用戶卡片上，單片機(jī)對(duì)MFRC500的某一指令操作不是簡(jiǎn)單的一條指令所能完成的，須有一個(gè)程序序列來(lái)完成，其中有對(duì)MFRC500硬件內(nèi)核寄存器的設(shè)置以及判斷。在進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)或增、減值操作之前還須經(jīng)過(guò)復(fù)位應(yīng)答、防碰撞、選卡及認(rèn)證過(guò)程。操作流程圖如圖6所示。本設(shè)計(jì)釆用基于Keil C的C語(yǔ)言進(jìn)行編程，調(diào)用Philips公司提供的基本庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。

 圖5.電能計(jì)量程序

圖6.操作流程

5.5 軟件調(diào)試及仿真

   本設(shè)計(jì)釆用Keil uVision2調(diào)試單片機(jī)軟件，管理微機(jī)的管理數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL server 2000編寫(xiě)。通過(guò)幾次軟件修改與電路調(diào)試現(xiàn)已實(shí)驗(yàn)成功，電度表能達(dá)到設(shè)計(jì)所預(yù)期的功能，包括多張用戶射頻卡的讀寫(xiě)，與主機(jī)的通訊，電能計(jì)量、顯示、存儲(chǔ)等。

六、 安科瑞預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)硬件選型

6.1 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)

   本系統(tǒng)分為五大模塊，分別是操作員登陸模塊、系統(tǒng)配置模塊、租戶（商鋪）管理模塊、售電管理模塊、報(bào)表中心模塊，系統(tǒng)大致運(yùn)行和操作流程如下：

   本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出的功能。

（a）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

（b）系統(tǒng)設(shè)置：對(duì)建筑、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

（c）租戶管理：對(duì)用戶執(zhí)行開(kāi)戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、抄表導(dǎo)出及記錄查詢等操作；

（d）售電管理：對(duì)已開(kāi)戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

（e）報(bào)表中心：提供售電財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢。

6.2 應(yīng)用場(chǎng)所

（一）分布式商業(yè)

（二）連鎖門(mén)店

（三）物業(yè)管理企業(yè)

（四）分布式企業(yè)

（五）多分支院校

（六）智慧社區(qū)

6.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu) 

遠(yuǎn)程閥控集抄系統(tǒng)整體架構(gòu)

6.4 設(shè)備選型

    注：預(yù)付費(fèi)儀表、電流互感器等應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負(fù)責(zé)。

6.5、業(yè)務(wù)模式

   用戶自建平臺(tái)，可建在用戶數(shù)據(jù)中心或監(jiān)控中心等，硬件客戶可以參照我方推薦系統(tǒng)設(shè)備配置參數(shù)采購(gòu)或者申請(qǐng)阿里云服務(wù)器。

   安科瑞指導(dǎo)客戶完成平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)管隊(duì)伍的培訓(xùn)，如果客戶沒(méi)有技術(shù)力量維護(hù)，也可以選擇由安科瑞有償維護(hù)。

   成本要求嚴(yán)格的，可選擇托管在安科瑞平臺(tái)，客戶可管理自己的數(shù)據(jù)，不可獲取其他客戶數(shù)據(jù)。

七、結(jié)束語(yǔ)

   本設(shè)計(jì)解決了IC卡預(yù)付費(fèi)電能表存在的問(wèn)題，同時(shí)繼承了先購(gòu)電后用電的管理模式。本設(shè)計(jì)形成產(chǎn)品后市場(chǎng)前景廣闊,對(duì)于我國(guó)電力市場(chǎng)的規(guī)劃管理將起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙光強(qiáng)，田擁軍，預(yù)付費(fèi)多用戶電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

[2]田擁軍，曾健平，基于射頻識(shí)別技術(shù)的多用戶電能表的設(shè)計(jì)

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版

[4]安科瑞用戶測(cè)電能計(jì)量與預(yù)付費(fèi)管理解決方案手冊(cè) 2020.02版