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淺析預付費用戶電能管理系統的設計與應用
發布時間：2023-06-26 11:00 作者(zhe)：admin 次數：次
摘要：該設計解決了(le)IC卡(ka)預(yu)付費電能表存(cun)在的(de)問題，同時繼承了先(xian)購電后(hou)用電的(de)管理模式(shi).電(dian)力部門的管理微機通(tong)過RS485網絡對電能(neng)表進(jin)行管理，以防止用(yong)(yong)戶(hu)竊電；選用(yong)(yong)射頻卡作為(wei)用(yong)(yong)戶(hu)卡以解決IC卡(ka)易被污染和損壞的問(wen)題。
   關(guan)鍵(jian)詞：IC卡預(yu)付費電能表(biao)；RS485網(wang)絡；射(she)頻卡
一、引言
            IC卡(ka)預付費電能(neng)表采用先(xian)購電后用電的(de)管理模式(shi),在一定程度上(shang)解決了電(dian)力部門(men)收取電(dian)費難的(de)問題。然而IC卡(ka)預(yu)付費電(dian)(dian)能表存在很大的問題，首(shou)先(xian)是(shi)由于電(dian)(dian)力(li)部門缺乏對IC卡(ka)電能表用戶(hu)的監管，當(dang)IC卡被破密后,很難發現(xian)和査處，導至國(guo)家(jia)損(sun)失(shi)大量的電費；其次IC卡易被污染和損(sun)壞等。
   本設計的主(zhu)要目的就(jiu)是為了(le)解決IC卡預(yu)付(fu)費(fei)電(dian)能表的存在的問題(ti),同時繼承了先(xian)購電(dian)后用電(dian)的管理(li)模式。電(dian)力部門的管理(li)微機通過RS485網絡(luo)對電能表進行管理，以防止用(yong)戶竊電；選用(yong)射頻卡(ka)作為(wei)用(yong)戶卡(ka)以解(jie)決IC卡易被污(wu)染(ran)和損(sun)壞的(de)問題。
二、電能(neng)表管理系統
   為(wei)了(le)降低成(cheng)本，管理(li)(li)微機既作為(wei)電(dian)(dian)能表(biao)用電(dian)(dian)管理(li)(li)上位(wei)機，同時還和發(fa)卡機一起完(wan)成(cheng)發(fa)卡任務。電(dian)(dian)能表(biao)管理(li)(li)系統如(ru)圖1所示。
 
圖(tu)1 電能表(biao)管理系(xi)統圖
   管理(li)微(wei)機(ji)與(yu)發卡機(ji)通過C0M1來實現(xian)通信，采用RS232C通信接口(kou)標準。管(guan)理微(wei)機與電(dian)能表通過COM2來實現通(tong)信,采用(yong)RS485通(tong)信接(jie)口標準。
   發卡(ka)機具備射頻卡(ka)讀寫(xie)功能,其主要作用(yong)是讀寫(xie)射頻卡,與管理微機一(yi)起實現用戶的開(kai)戶、交(jiao)費、注銷、電量查詢等功能。
三(san)、基(ji)于(yu)射頻識別技術的(de)電能表其主要的(de)工作原理
          1.用戶(hu)用電前(qian)須先到電力(li)管理(li)部門購買(mai)射(she)頻卡(ka)(ka)和(he)預交電費，由(you)管理(li)部門把用戶(hu)的信(xin)息(xi)及購電量錄(lu)入(ru)管理(li)微機并由(you)發(fa)卡(ka)(ka)機寫入(ru)射(she)頻卡(ka)(ka)。
          2.當(dang)用戶持有效(xiao)射頻卡(ka)掠(lve)過(guo)電(dian)(dian)(dian)能(neng)表(biao)時(shi)，電(dian)(dian)(dian)能(neng)表(biao)內(nei)的讀(du)寫模塊(kuai)首先對(dui)射頻卡(ka)進行驗證，逋過(guo)驗證后(hou)讀(du)取射頻卡(ka)的信息(xi)，當(dang)卡(ka)內(nei)電(dian)(dian)(dian)費充(chong)足時(shi)為用戶供電(dian)(dian)(dian),同時把用戶信(xin)息(xi)寫入EEPROM,且電能表開(kai)始計量用電量。
          3.電能表釆用遞加計(ji)量(liang)的方式,用電量存儲在EEPROM中，且(qie)用(yong)電(dian)量每增1度存(cun)儲器存(cun)儲一次,電能計量(liang)精度為(wei)0.01度。
          4.管理微(wei)機(ji)采用RS485串(chuan)行通信接口標準定(ding)時向網絡上的各個(ge)電表采集(ji)用(yong)電數(shu)據(ju)，用(yong)電數(shu)據(ju)經管(guan)理(li)微機處理(li)后列出兩(liang)個(ge)名單(dan)（電量小于10度的(de)黃名單與電量(liang)為(wei)0的黑名單(dan)）向網絡(luo)中的電(dian)能表(biao)廣播(bo)。電(dian)能表(biao)在確認用(yong)(yong)戶(hu)(hu)卡(ka)(ka)上了黃名單(dan)后聲音與指示燈報警，提醒用(yong)(yong)戶(hu)(hu)及時充值(zhi)，但電(dian)能表(biao)繼續為用(yong)(yong)戶(hu)(hu)供電(dian)；電(dian)能表(biao)在確認用(yong)(yong)戶(hu)(hu)卡(ka)(ka)上了黑名單(dan)后，聲音與指示燈報警，且停止(zhi) 為該用(yong)(yong)戶(hu)(hu)供電(dian)，退出該用(yong)(yong)戶(hu)(hu)卡(ka)(ka),電能表(biao)處于(yu)待機(ji)狀態。
          5.用(yong)戶(hu)想終(zhong)止用(yong)電,只(zhi)需將射頻卡再次靠近電能(neng)表,電(dian)能(neng)(neng)表(biao)再次(ci)讀取射頻(pin)卡(ka)內的信息，把卡(ka)內電(dian)量(liang)減去本(ben)次(ci)用電(dian)量(liang)，且(qie)把運算結果回寫射頻(pin)卡(ka)內。同(tong)時(shi)電(dian)能(neng)(neng)表(biao)斷開繼電(dian)器(qi)，停止(zhi)為該用戶供(gong)電(dian)。
          6.電能(neng)(neng)表在為某用戶供電過程中，其它射頻卡(ka)(ka)(ka)則(ze)不能(neng)(neng)刷(shua)卡(ka)(ka)(ka)用電，只有(you)在電能(neng)(neng)表待機(ji)時才(cai)能(neng)(neng)接受另(ling)一用戶卡(ka)(ka)(ka)的刷(shua)卡(ka)(ka)(ka)。由于有(you)效讀卡(ka)(ka)(ka)距離僅(jin)為100mm左(zuo)右(you)，因此當(dang)有卡路過某電能(neng)(neng)(neng)表(biao)時，卡與(yu)電能(neng)(neng)(neng)表(biao)距離較遠不會觸發(fa)電能(neng)(neng)(neng)表(biao)。
          7.一張卡可以(yi)在不(bu)同的電能表(biao)中使用,且可以(yi)在多個電能(neng)表上同時使用。
          8.在用(yong)電(dian)過程中如出現(xian)斷(duan)電(dian)，通過備用(yong)電(dian)池將用(yong)戶(hu)本次用(yong)電(dian)量存入EEPROM中。來電(dian)后，電(dian)能表(biao)繼(ji)續(xu)為(wei)該(gai)用戶供電(dian)。如用戶不(bu)想下次(ci)來電(dian)后繼(ji)續(xu)供電(dian)，只(zhi)需將射頻(pin)卡(ka)再次(ci)靠近電(dian)能表(biao)，取消(xiao)供電(dian),來(lai)電后電能表將處于待機(ji)狀態。
四、電能表系統硬件構成
   電能表硬件結(jie)構(gou)如圖2所(suo)示(shi)，整個系統(tong)由七大(da)部分組成(cheng)：射頻卡(ka)讀寫(xie)模塊(kuai)、電(dian)(dian)能計(ji)量模塊(kuai)、存儲器模塊(kuai)、通(tong)訊(xun)模塊(kuai)、顯示(shi)模塊(kuai)、電(dian)(dian)源模塊(kuai)以及繼電(dian)(dian)器和聲光報警等(deng)。
   系統采用模(mo)塊(kuai)化設計思想，以MCU為(wei)核心，將其他(ta)模塊有機的整合在一(yi)起(qi),形成(cheng)一(yi)個(ge)統(tong)(tong)一(yi)的(de)系統(tong)(tong)。以下各節是系統(tong)(tong)各部(bu)分(fen)的(de)具體設計方案。
 
圖(tu)2 系統(tong)結構方(fang)框圖
五、軟件模塊的構成
5.1 軟(ruan)件模塊的(de)劃分
   軟件釆(bian)用模(mo)塊化設(she)計，共劃分為五大模(mo)塊（如圖3）,分別為與管理(li)微(wei)機的(de)(de)通訊模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、電(dian)能(neng)(neng)計量模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、聲光報(bao)警模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、射頻(pin)卡讀寫模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)以(yi)及黑黃(huang)名單的(de)(de)驗(yan)證(zheng)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)。為了實(shi)現每(mei)個(ge)大(da)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)功能(neng)(neng)，又把每(mei)個(ge)大(da)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)劃分為若干個(ge)相應(ying)的(de)(de)功能(neng)(neng)子(zi)程(cheng)序或小模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)。主程(cheng)序的(de)(de)作用是系統(tong)的(de)(de)初始化、中斷管理(li)和監視以(yi)及各功能(neng)(neng)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)調(diao)用等。
 
圖3 軟件模塊(kuai)結構圖
5.2 主(zhu)程(cheng)序設計
   設定MCU內部RAM的(de)78H作為黑(hei)、黃名單標志單元(yuan)，當78H數據為#FFH時，指示(shi)用戶(hu)卡已上黑名單；當78H數據為#FEH時，指示用戶(hu)(hu)卡已上黃(huang)名單(dan)；為其它數據(ju)則表(biao)明用戶(hu)(hu)卡未上黑（黃(huang)）名單(dan)。在進行黑、黃(huang)名單(dan)驗證(zheng)時，程序(xu)根據(ju)驗 證(zheng)結果(guo)對(dui)RAM的78H寫入對應的(de)值，以供主(zhu)程序判斷。RAM的79H作為在(zai)有(you)無刷卡(ka)標志單(dan)元，如電表當前已有(you)用戶卡(ka)在(zai)消費，79H的(de)內容為#FFH;當無(wu)用戶卡在消費(fei)（電表處于(yu)待機(ji)狀態）時,79H的內容為#00H;當正在消費(fei)的用戶(hu)卡(ka)第(di)二次(ci)刷(shua)卡(ka)后，79H的內容為#FEH,此時主程序檢測到這一(yi)狀態后，斷開用戶供電(dian)，計(ji)算本次用電(dian)后用戶的電(dian)費(fei)余額，且將余額回(hui)寫射(she)頻卡。
   主程序流程圖如圖4,系統(tong)上電(dian)時進(jin)行(xing)系統(tong)初始化，開放外(wai)部中斷0及串行口中斷(duan)，然后等待(dai)中斷(duan)。當無刷卡中斷(duan)時,則(ze)不斷循環檢測卡片標志單元(yuan)79H。
   當刷卡時，射頻接口模(mo)塊通過INTO請求中斷(duan)，MCU響應中斷請(qing)求，調用讀卡子程序，此時分為兩種情況:
1、如電能表處于待機狀(zhuang)態，則接收刷卡，讀(du)出卡內(nei)信(xin)息，同時，置RAM中79H的(de)值為#FFH,然后返回主(zhu)程(cheng)序(xu)(xu)。主(zhu)程(cheng)序(xu)(xu)調用黑黃名(ming)單驗證子程(cheng)序(xu)(xu)，如用戶卡已上電量(liang)不足的黑名(ming)單則報警同時(shi)返回主(zhu)程(cheng)序(xu)(xu)；當用戶卡上電量(liang)小(xiao)于10度的黃名單(dan)時(shi)報(bao)警但繼續為該用(yong)(yong)(yong)戶供(gong)(gong)電，直到電費全部用(yong)(yong)(yong)完后停止供(gong)(gong)電；當用(yong)(yong)(yong)戶卡不(bu)上黑黃名單(dan)時(shi)，則(ze)正常(chang)為該用(yong)(yong)(yong)戶供(gong)(gong)電，同時(shi)調用(yong)(yong)(yong)電能計量程序。
2、如電能(neng)(neng)表(biao)處(chu)于非待機狀態，說明電能(neng)(neng)表(biao)正在為一用(yong)(yong)戶(hu)卡(ka)供電，此時(shi)首(shou)先判斷(duan)本次的(de)刷卡(ka)卡(ka)號與正在用(yong)(yong)電的(de)用(yong)(yong)戶(hu)卡(ka)號是否相(xiang)同(tong)(tong)，如相(xiang)同(tong)(tong)則為該(gai)用(yong)(yong)戶(hu)的(de)二次刷卡(ka)，射頻接口程序把RAM的79H置(zhi)#00H,然后(hou)返回主(zhu)(zhu)程(cheng)序。主(zhu)(zhu)程(cheng)序在檢測出79H的數據為#00H后，判斷為是(shi)用戶(hu)(hu)取消供電，主程序(xu)(xu)調用電量核(he)算程序(xu)(xu)，把該用戶(hu)(hu)的(de)卡(ka)內余額電量減去本(ben)次的(de)用電量得到新的(de)電量余額，然后調用寫(xie)卡(ka)子程序(xu)(xu)把新的(de)電量余額回寫(xie)卡(ka)內；如本(ben)次刷卡(ka)卡(ka)號(hao)與正在用電的(de)用戶(hu)(hu)卡(ka)號(hao)不同，則本(ben)次刷卡(ka)無效。
   電能表在(zai)執(zhi)行(xing)電能計量程序的過程中，也能響應中斷(duan)程序。在(zai)每(mei)次執(zhi)行(xing)了黑黃名單接(jie)收程序后，進行(xing)一(yi)次黑黃名簞驗證，根據驗證結(jie)果對RAM的78H寫入(ru)對應(ying)的(de)值(zhi)，然后返(fan)回(hui)電能計(ji)量(liang)程序。計(ji)量(liang)程序檢(jian)測78H的值，如(ru)為(wei)#FFH表明用(yong)戶卡(ka)已上(shang)新的黑名(ming)單，調(diao)用(yong)報警(jing)程序(xu)，然后切斷(duan)用(yong)戶供電，返(fan)回主程序(xu)。


圖4 主程序流(liu)程圖
5.3 電能計量程序設計
   電能(neng)計量子程序流程圖如圖5所示。電能計量(liang)采用(yong)遞加的方式，單片機(ji)的P3.4（T0）端輸入用電計量脈沖(chong)，計滿3200個脈沖為一度電，用電量加1,數碼顯示加1。用電(dian)量存儲在(zai)EEPROM中，每(mei)增1度電則電量重新存儲一次，管理微機(ji)定時從各個電表(biao)的EEPROM中采集用電(dian)數(shu)據。
5.4 射頻接口(kou)程序
          MFRC500能執(zhi)行有限的一些指令,并將這些指令傳(chuan)輸到(dao)MIFARE1用戶(hu)卡片上，單片機對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完(wan)成的，須(xu)有一個程序序列來完(wan)成，其中有對MFRC500硬件內核寄存器的(de)設(she)置以(yi)及判斷。在進行讀寫數(shu)據或增、減值操作之前還須(xu)經(jing)過復位(wei)應答、防碰撞(zhuang)、選卡及認(ren)證過程。操作流程圖(tu)如圖(tu)6所示。本設計釆用基(ji)于Keil C的(de)C語言進(jin)行編(bian)程，調用(yong)Philips公司提(ti)供(gong)的(de)基本(ben)庫函數來實現各種功能(neng)。
 圖(tu)5.電(dian)能(neng)計量程序
 
圖6.操作(zuo)流程
 
5.5 軟件調試及仿真(zhen)
   本(ben)設計釆(bian)用(yong)Keil uVision2調試(shi)單(dan)片機軟(ruan)件，管(guan)理(li)微機的管(guan)理(li)數據(ju)庫采用SQL server 2000編寫。通(tong)過幾次軟(ruan)件修改與電路調(diao)試現已實驗(yan)成功，電度表能達到設計所預期的(de)功能，包括多(duo)張用(yong)戶(hu)射頻卡的(de)讀寫，與主機的(de)通(tong)訊，電能計量(liang)、顯示、存儲等。
六、 安科瑞預(yu)付費管理系統(tong)及現場硬件選型
6.1 遠(yuan)程預付費(fei)控制系統
   本(ben)系(xi)統(tong)分為(wei)五大模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)，分別(bie)是操作員(yuan)登陸模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、系(xi)統(tong)配置模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、租戶（商(shang)鋪）管理模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、售電管理模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、報表(biao)中心模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)，系(xi)統(tong)大致運行和操作流程如下：
 
 
   本(ben)系統所有的(de)報表及記(ji)錄查詢(xun)，都支持excel格式(shi)導出(chu)的功能(neng)。
（a）登陸管理：管理操(cao)作員(yuan)賬戶(hu)及權(quan)限分配，查(cha)看系統日志等功能；
（b）系統設置：對建筑、儀表(biao)及默認(ren)參數進(jin)行配置；
（c）租戶管理：對用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、抄表導出及記(ji)錄查詢等操作；
（d）售電(dian)管理(li)：對已開戶(hu)的表進行遠程(cheng)售電(dian)、退(tui)電(dian)、沖正及記錄查詢等(deng)操作；
（e）報(bao)(bao)表中心：提供售電財(cai)務報(bao)(bao)表、用能報(bao)(bao)表、報(bao)(bao)警報(bao)(bao)表等查(cha)詢。
 
6.2 應用場所
（一）分布式商業
（二）連鎖門店
（三）物業管理(li)企(qi)業
（四(si)）分布式企(qi)業
（五）多分支院(yuan)校(xiao)
（六(liu)）智慧社區
6.3 平(ping)臺(tai)結構 
 
遠程閥控集抄系統整體架構
 
6.4 設備選型
 
    注：預付(fu)費儀表、電(dian)流互感器等(deng)應根據現場回路電(dian)流大小等(deng)選(xuan)擇配置，安(an)裝、接線等(deng)由(you)甲方負責。
6.5、業務模式
   用(yong)戶(hu)自建平臺，可建在用(yong)戶(hu)數據(ju)中心(xin)或監控中心(xin)等(deng)，硬件客(ke)戶(hu)可以參(can)照我方推薦系統設備配置參(can)數采購或者申請阿里云服(fu)務器。
   安科瑞指(zhi)導客(ke)戶完成(cheng)平(ping)臺的建(jian)設和運管(guan)隊伍的培(pei)訓，如(ru)果客(ke)戶沒有技術力量維護，也可以選(xuan)擇由安科瑞有償維護。
   成本要求嚴格(ge)的(de)，可選擇(ze)托管(guan)在安(an)科瑞平臺，客(ke)戶(hu)可管(guan)理自己的(de)數(shu)據，不可獲取(qu)其他客(ke)戶(hu)數(shu)據。
七、結束語(yu)
   本(ben)設(she)計解(jie)決了(le)IC卡預付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理(li)模式。本設計形(xing)成產品后市場前景廣(guang)闊,對于我國電力市場的規劃管理將起到(dao)積極的作用(yong)。
 
參考文獻
 
[1]趙光強(qiang)，田擁軍(jun)，預付(fu)費多用(yong)戶電能管理(li)系統的設(she)計
[2]田(tian)擁軍，曾健平(ping)，基于射頻(pin)識(shi)別技術的多用戶(hu)電能表的設計
[3]安科瑞(rui)企業微電網設計與(yu)應用手冊2022.05版
[4]安科瑞用戶測(ce)電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版
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