钱建华，陈柏超
(武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072)
ANAUTOMATICMETERREADINGSYSTEMbaseDON
WIRELESSCOMMUNICATION
QIANJian-hua，CHENBai-chao
(SchoolofElectricalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，HubeiProvince，China)
无线抄表系统采用上、下位机结构，用无线数传模块实现上、下位机之间的通信。上位机用于数据管理，下位机是以AVR单片机为核心的采集器，用于前端数据采集和控制。该无线抄表系统可以实现电力部门对辖区的电能计量的自动管理。
关键词：无线抄表系统;AVR单片机;无线数传模块
1引言
一户一表制的推广使供电企业的营业工作量成倍增加，加上直接管理服务业务范围的迅速扩大，依靠传统方式已难以完成抄表等营业工作。研制开发一种涵盖各类电力计量客户的全方位实时自动抄表系统是电网商业化运营的迫切需求。实现自动抄表主要有两种方式：一种是通过电能表本身来解决，即是采用IC卡式或电卡式的电能表，用户在售电机上买电后插入自己的表中即可用电，预先将使用的电量记录在售电机中，实行先买电后使用；另一种就是利用自动抄表系统来解决。估计在相当长的时期内，世界上大多数国家以发展后者为主，我国也不例外。
2系统通信方式选择
通信方式的选择是设计自动抄表系统的重要任务，直接关系到系统的性能。485总线方式施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后，故障点不易查找，易受雷击和过电压的影响。而电力网络的阻抗特性及其衰减和噪声的干扰又制约着信号的传输距离和数据的传输质量，载波信号只能在一个台区内传输，无法跨台区传送信号。由于低压电力线本身的介质、结构和负荷的影响，载波信号易受干扰，无法保证全天候对电能表的可靠抄收。
采用通过市话网传输抄表数据的方式在我国目前具有现实意义。利用电话网抄表可以通过现有的公用电话网，不必另外投资建网，节省了开支。只要两地能通电话即可完成抄表和监测。这种抄表方式抄收成功率高，传输误码率低。但是，我国现在的电话普及率不够高，要通过电话网实现大范围的抄表是不合理的。
总的看来，目前在我国利用无线方式进行数据通信是一种较好的选择，比其它的抄表系统更易实现。目前我国已有车载无线通信自动抄表系统投入运行，但无线通信方式需要申请频点使用权，故需慎重选择频点，本装置采用的工作频段为227.000~233.400MHz和136.000~170.000MHz两个频段。
无线抄表在发达国家和地区早已盛行[1]，不少国家已进入了实用化阶段(其中以美国和以色列研制的系统性能、质量为好，但由于价格昂贵，不太适合中国的国情)。这种抄表方式只要抄表车在用户电表附近走一遍，电表的各种数据就抄入抄表车电脑中。无线抄表在国内刚起步，仍然有很大的发展空间。
3无线抄表系统的构成和性能
本无线抄表系统由主站、抄表主机(即抄表器)和具有发射/接收功能的无线数传模块等的车载端与用户端(包括采集器、无线数传模块和电能表)等部分组成。采集器完成对某一表箱中的所有电表的电量采集，不设集中器，也不需要通信线路，抄表时开车到附近，抄表车中的抄表器会按要求抄收采集器中存储的电能表数据，然后返回主站，将抄表器中已抄收的电能表数据通过RS232口传送到主站计算机。该系统由于省去了集中器和485布线(或电力线载波)，使工程造价大大降低，但缺点是抄表车需开到现场，自动化程度有所降低。该系统最适合于完成对人口稠密居民区用电的表计数据的抄读。当装设有无线自动抄表装置的用电管理部门的汽车沿着街道或胡同以正常速度行驶时，所有带发送/接收装置(采集器)的用户电能表的数据都被抄读。
本无线抄表系统只是针对自动抄表装置研制的，稍加改造就可同时实现复费率、预付费电度表的功能。若再加以扩展，即可同时实现自动抄水表、煤气表等功能。其工作原理为：由抄表器根据事先约定好的通信协议，对各电表进行查询和呼叫，各电表的地址分配与定义由约定好的协议确定，每个电表都有自己唯一的ID。抄表车按一定的路线行驶，到达某一抄表区域时，发出“唤醒”信号，被唤醒的该区域的所有电度表依次向抄表器传送数据。由于对一个区域只需发射一次“唤醒”信号，所以抄表速度会很快。当抄表器要获取某一块电表的数据时，连接该电表的采集器将带该地址码的数据以RS232的方式传送给无线数传模块，由无线数传模块将通过RS232收到的信息转换为无线信号发射出去。采集器的常态是处于接收状态(即listen)，当收到本身的地址信息后，即执行抄表器的指令，并将抄表器需求的数据发送给抄表器。
本方案的设计原则是：满足准确、可靠性要求，节约投资，充分利用现有资源；计算机网络构成合理，软件开发环境及应用软件先进。
本系统的设计重点有以下几个方面。
(1)基础数据的采集电能表点多面广，数量众多，要做到数据指标的准确统计，须采用先进的技术手段，使电能表记录的数据满足远方传输的需求。采用的方法，一是选用全电子电能表，此类表能准确记录电量并带有数据传输的通信接口；二是对普通表进行改造，加装有关的模块，该模块要满足记录电量和数据传输的要求。目前，考虑到经济性和我国的实际国情，后者是比较现实的方法。
(2)数据的传输数据的传输是抄表过程中至关重要的一环，必须做到准确、可靠。目前电力系统采用的通信方式主要是有线(电话线)、无线、载波和微波。要根据抄表系统的不同组成，充分利用现有资源，选择适宜可靠的通信模式。鉴于经济、快速、方便和可靠地建网等原因，本系统采用了无线的通信方式。这也符合自动抄表多样性的要求。
(3)数据的后台综合分析处理对采集回来的原始数据进行有效的加工分析，生成有关的报表，为领导决策和电网商业化运营提供服务，同时将表码数据提供给电费收取部门，满足计费需求。这部分工作需要根据各个电力部门的不同要求，用可视化编程和网络编程等手段来完成。
4系统硬件构成
无线抄表系统结构框图如图1所示，主要包括采集器和抄表器两大部分，这两部分又都分别连接到SA68D11无线数传模块上(SA68D11模块输出电平为TTL电平)，用来实现采集器和抄表器之间的数据传递，两种方式的主要不同点是模块与上位机间的接口电平不同，其数据格式相同。若模块与计算机相连，两者间应接入RS232接口板，其作用是将模块的TTL电平转换成计算机的RS232电平；若模块与单片机相连，电平为TTL-UART电平。两种连接的通信速率均为9600b/s，采用1个起始位、8个数据位、1个停止位的格式。模块与计算机之间的数据传输格式如下：
第一字节为标志字节，其值为D7H，其作用是标志着数据传送开始。标志字节不计入传送数据长度。第二字节为控制字节，当第二字节小于等于30H时，其值代表传送数据长度，后面字节为数据；当第二字节的值大于30H时，所传递的数据为控制指令，后面数据为控制参数。因为模块间的数据传送带有CRC校验，所以系统也能满足防误要求。
采集器负责测量由脉冲电能表输入的脉冲(具有8个脉冲输入端口)，然后通过一定的处理(脉冲数与用电量之间的比例关系)即可得到用户的用电量，并存储到存储器中；它还具有分别设置端口地址码、同时采集、分别累加计数和数据掉电保护等功能。
采集器采用AT90S2313单片机，它内含2kbFlash存储器、128b片内EEPROM、128b片内RAM、全双工的UART和WatchDog定时器等[2]。EEPROM存储器用来保存单片机所测的脉冲数和单片机的地址等数据，WatchDog定时器防止单片机“死机”，串行口UART实现单片机和SA68D11之间的数据交换。掉电检测由片内模拟比较器来实现，在掉电期间由电源电路中的滤波电容供电。单片机主程序流程图如图2所示。本装置采用的脉冲电能表是在机械电能表基础上改造而成的，成本低，改装方便，而且能有效防止因电表潜动而产生误脉冲。目前旧住宅使用的机械式电度表只要在表内安装一个十几元左右的光电脉冲模块，便可改造成脉冲电度表。采用单片机系统和光电传感器，机械电度表表盘每旋转一圈对应产生一个电脉冲由单片机计数，从而将机械表读数转换成数字量并存储在单片机系统中。
5系统软件设计
采集器的主程序主要是完成单片机的初始化、掉电数据保存并检测是否有上位机发来的信息等功能。因为电表输出脉冲宽度为80ms，其误差为±20，最窄宽度约为64ms，最宽96ms，所以本系统采用定时器中断方式检测电表脉冲信号，定时时间为6.4ms。若连续10次检测到高电平，则脉冲计数加1，这样就排除了由于干扰引起的窄脉冲信号的影响。
串行通信的接收和发送都采用中断方式，接收到的数据由数据处理子程序进行分析、比较、判断并转入相应的子程序。上位机通信程序和接收、发送中断服务程序流程图如图3、图4和图5所示。[1][2]下一页
