CN102316171B - 一种电力电表大用户远程集抄接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于GSM/GPRS或TD_SCDMA网络覆盖区的电力电表大用户远程集抄接口装置，以有效解决人工抄表方式和IC卡计费方式费时费力的问题。该装置由控制部件，电表计量值接收部件和无线通信部件组成，电表计量值接收部件和无线通信部件分别通过UART与控制部件相连；电表计量值接收部件负责读取485接口电表的数据，通过UART把读取数据发送给控制部件，控制部件块对数据进行运算和处理后，通过无线通信部件把数据发送给远端的GSM/GPRS或TD_SCDMA接受端。

Description

一种电力电表大用户远程集抄接口装置

技术领域

本发明涉及一种电力电表大用户远程集抄接口装置，适用于无线GSM/GPRS或TD_SCDMA网络的覆盖区域。

背景技术

当前，我国电的计量收费管理，主流采用的还是人工抄表方式和IC卡计费方式。人工抄表即抄表员定期赶赴居民区，对用户进行逐个抄表、统计并结算出费用部分；IC卡计费，需要用户到指定购买点或联网银行为电卡充值，然后回家把各卡内的余额分别刷入电表中，才能继续正常使用，如果各表内余额用完而没有及时充值，则会停止供应电。这两种抄表方式的效率都不高，对用户和收费工作人员来说，既费时又费力，不但需要四处奔走，还存在着严重的安全隐患；对于管理部门而言，不能实时的掌握第一手数据，对用户的耗能情况难以进行科学的统计分析，不利于科学调度，误差大、时效性差、统计计算工作量大，且带有人为随意性。随着社会经济的飞速发展，现有抄表收费方式的种种弊端日益凸显，管理部门正在寻找一种适合的自动抄表系统，逐步改进现有抄表收费的方式。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对上述不足之处，提供一种能够自动读取，处理和传输表计数据的电力电表大用户远程集抄接口装置。

技术方案：本发明所述的电力电表大用户远程集抄接口装置采用远程传输技术、计算机技术和通信技术相结合，自动读取，处理和传输表计数据。由实时采集、定时巡测，读取各时段耗能数据，然后利用计算机系统进行综合分析。

本发明所述的电力电表大用户远程集抄接口装置，包括电表计量值接收部件、控制部件、无线通信部件和电源管理部件，电表计量值接收部件的一端连接电度表的输出端，另一端连接控制部件的UART接口；无线通信部件UART接口与控制部件的UART接口相连，把采集电度表数据无线传输给远程接收终端；电源部件对所述电表计量值接收部件、控制部件和无线通信部件供电；

所述电表计量值接收部件包括RS485通讯接收单元、光电隔离单元；所述RS485通讯接口单元用于读取电度表计量值；所述光电隔离单元用于对输入输出电信号互相隔离，大大提高本接口装置的抗干扰能力；

所述控制部件包括处理器单元；所述处理器单元用于向接收单元发出接收指令，接收单元接收到处理器单元接收指令，并向电度表发送电表数据传送指令，使电度表向接收单元传送电表数据；所述处理器单元还用于无线通信部件连接，用于向无线通信部件发出电表数据发送命令，无线通信部件接收到处理器单元发送命令，等待处理器单元向无线通信部件写入数据并发送；

所述的无线通信部件包括无线传输模块单元、SIM卡单元；所述无线传输模块单元用于向远程终端发送电表数据；所述SIM卡单元用于给无线传输单元提高移动互联网服务。

所述RS485通讯接收单元由RS485通信低功耗收发器“U3”及其外围电路组成，它的内部含有一个驱动器和接收器，RO和DI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端分别接光电隔离单元的2脚和14脚，A端和B端分别为接收和发送的差分信号端；所述光电隔离单元由光电隔离器“U2”及其外围电路组成，光电隔离器“U2”4脚和6脚分别与控制部件处理器单元的UART发送和接收端口相连，光耦隔绝器“U2”6脚与控制部件处理器单元的通用I/O引脚相连，控制RS485通讯接口收发状态。

所述处理器单元由AVR64或AVR128系列微处理器芯片“U1”及其外围电路组成，其与无线传输模块单元、光电隔离单元分别通过通用同步和异步串行接口相连,通信调试接口J1的数据线经过电阻上拉后与微处理器芯片“U1”的JTAG接口相连。

所述无线传输模块单元由华为EM310GPRS传输模块或联芯LC6311TD_SCDMA传输模块“J2”及其外围电路组成，其与处理器单元通过通用同步和异步串行接口相连，所述SIM卡单元由SIM卡插座“USIM_CARD”及其外围电路组成，其SIM_DETECT、SIM_RESET、SIM_CLK、SIM_DATA、SIM_VSIM分别与无线传输模块单元SIM_DETECT、SIM_RESET、SIM_CLK、SIM_DATA、SIM_VSIM连接。

所述电源管理部件包括第一电源单元、第二电源单元和第三电源单元；所述第一电源单元用于对RS485通讯接收单元供电；所述第二电源单元用于对处理器单元供电；所述第三电源单元用于对无线传输模块单元供电。

所述电表计量值接收部件包括：RS485通讯接收单元；所述的RS485通讯接收单元读电表数据符合DL/T645－2007《多功能电能表通信协议》，RS485通讯接收单元向按信息帧地址域选择的电能表发出读电表数据请求命令，被请求的电能表接收到读电能表数据请求命令后，发出响应帧，响应帧里包含电能表计量数据。

所述处理器单元和无线传输模块单元包括：

无线传输网络服务模块，用于根据所覆盖的无线传输网络服务完成对无线传输网络服务的选择配置和注册。

数据接收模块，用于与RS485通讯接收单元的数据通信，数据通信符合通信协议应符合Q/GDW376.1－2009《电力用户用电信息采集系统通信协议第一部分：主站与采集终端通信协议》，RS485通讯接收单元收到处理器单元请求数据帧，如果请求的数据全部有效，则发送响应帧；如请求的数据部分有效，则根据能响应的数据内容组织数据单元标识发送响应帧；如所请求数据全部无效，则发送否认帧。

数据发送模块，用于发送数据，当处理器单元接收到RS485接收正确应答帧，根据无线传输模块单元注册的无线传输网络服务，无线传输模块单元依据处理器单元要求的远程终端号码发送给远程监控终端。

所述处理器单元用于创建多个程序实现多种抄表状态处理，所创建的多个程序包括：

数据采样程序，当收到远程终端发来的读取电度表数据指令后，向电度表发出传送电表数据指令，完成对电度表数据的采样；

数据发送程序，当数据融合程序程序运行正常返回后，数据发送程序选择最优的无线网络服务把电表数据发送到远程终端；

数据管理程序，用于对数据库进行管理，可以对处理完成的数据进行存储，也可以通过数据管理程序完成历史数据的查询。

本发明还可以进一步采用以下技术措施：

在控制部件中，处理器单元主要由微处理器芯片“U1”组成；晶振包括在省电模式下晶振Y1（32.768KHz）和晶振Y2(7.3728MHz)；JTAG调试接口J2的数据线经过电阻上拉后与微处理器芯片“U1”的JTAG接口相连；第二电源单元由电压转换芯片“U7”得到+5V电压，再由电压转换芯片“U9”得到微处理器芯片“U1”工作电压。

在电表计量值接收部件中，RS485通讯接收单元主要由芯片“U3”和芯片“U2”组成；第一电源单元由电压转换芯片“U7”得到+5V电压，再由电压转换芯片“U5”得到芯片“U3”的工作电压。

在无线通信部件中，无线传输模块单元主要由华为GSM/GPRS无线传输模块EM310或联芯TD_SCDMA无线传输模块LC6311组成；SIM卡单元主要由“U6”组成；第三电源单元由电压转换芯片“U8”得到无线传输模块单元的工作电压。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1）本发明在系统地研究和设计了电力电表大用户无线远程抄表的基础上，设计并研制了一种电力电表大用户无线远程集抄接口装置，以有效解决了人工抄表和IC卡计费方式带来的费时又费力的问题，并且其投资成本低、性价比高、实时性好、安全可靠、使用和维护方便。

2）由于GSM/GPRS和TD_SCDMA具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个或所有数据采集点的数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

3）GPRS覆盖范围广，在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。

4）由于采用GSM/GPRS或TD_SCDMA的无线公网平台，只需安装好设备就可以，不需要为远程抄表进行专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低；

5)本发明由于采用的各元器件的工作温度范围大，使其装置的工作温度为-20C°到+70C°，这样可使本发明适合于世界的绝大多数国家和地区。

6）本发明由于具有上面5）中所述的特点，能够抵抗一般强度的高湿、高低温、风沙、撞击和腐蚀等，极大地增强了其装置在恶劣环境下的适应能力。

7)本发明采用JTAG接口可以使终端对其装置进行调试和编程以及烧写程序；不仅能够控制执行设备，还可以检测执行设备的状态并发出通知，其功能有效并且可靠。

附图说明

图1是本发明电力电表大用户远程集抄接口装置总体原理图。

图2是本发明电力电表大用户无线远程集抄接口装置软件流程图。

图3是本发明装置中控制部件原理图。

图4是本发明装置中电表计量值接收部件原理图。

图5是本发明装置基于GSM/GPRS无线通信部件原理图。

图6是本发明装置基于TD_SCDMA无线通信部件原理图。

图7是本发明装置中电源管理部件原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

一种应用于GSM/GPRS或TD_SCDMA网络覆盖区的电力电表大用户远程集抄接口装置，装置总体框图见图1，包括电表计量值接收部件，控制部件，无线通信部件和电源管理部件。电表计量值接收部件的一端连接电度表的输出端，另一端连接控制部件的UART接口；无线通信部件UART接口与控制部件的UART接口相连，把采集电度表数据无线传输给远程接收终端；电源部件对所述电表计量值接收部件、控制部件和无线通信部件供电；

所述电表计量值接收部件包括RS485通讯接收单元1、光电隔离单元2；所述RS485通讯接口单元1用于读取电度表计量值；所述光电隔离单元2用于对输入输出电信号互相隔离，大大提高本接口装置的抗干扰能力；

所述RS485通讯接收单元1由RS485通信低功耗收发器“U3”及其外围电路组成，它的内部含有一个驱动器和接收器，RO和DI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端分别接光电隔离单元2的2脚和14脚，A端和B端分别为接收和发送的差分信号端；所述光电隔离单元2由光电隔离器“U2”及其外围电路组成，光电隔离器“U2”4脚和6脚分别与控制部件处理器单元3的UART发送和接收端口相连，光耦隔绝器“U2”6脚与控制部件处理器单元3的通用I/O引脚相连，控制RS485通讯接口收发状态。

所述控制部件包括处理器单元3；所述处理器单元3用于向接收单元1发出接收指令，接收单元1接收到处理器单元3接收指令，并向电度表发送电表数据传送指令，使电度表向接收单元1传送电表数据；所述处理器单元3还用于无线通信部件连接，用于向无线通信部件发出电表数据发送命令，无线通信部件接收到处理器单元3发送命令，等待处理器单元3向无线通信部件写入数据并发送；

在控制部件中，处理器单元3由微处理器芯片U1及其外围电路组成，U1为ATmegal64L或ATmegal128L。它主要功能是通过串口0读取RS485通讯接收单元1采集到的电表计量值数据并做校验，在校验正确的情况下，处理器单元3把接收到的数据写入无线通信部件的无线传输模块单元4并按要求发送。

根据在本装置实现的功能，可将处理器单元3的微处理器芯片U1分为：

1）串行接口模块，其串行接口0与RS485通讯接收单元1相连，用于接收RS485通讯接收单元1采集到的电表计量值数据；其串行接口1与无线传输模块单元4相连，用于向无线传输模块单元4传输RS485通讯接收单元1采集的电表计量值数据。

2）处理器内核模块，它能够访问存储器，执行数据运算、数据校验、数据转换、数据传输、以及处理中断。

无线通信部件主要由GSM/GPRS或TD_SCDMA无线传输模块单元4和SIM卡单元5组成。所述无线传输模块单元4用于向远程终端发送电表数据；所述SIM卡单元5用于给无线传输单元4提高移动互联网服务。

GSM/GPRS或TD_SCDMA芯片的UART1_RX、UART1_TX分别与微处理器U1的RXD1、TXD1相连；GSM/GPRS或TD_SCDMA芯片SIM_GND、SIM_IN、SIM_RST、SIM_IO、SIM_VCC、SIM_CLK引脚分别与SIM卡的SIM_GND、SIM_IN、SIM_RST、SIM_IO、SIM_VCC、SIM_CLK引脚相连。

通信调试接口J1的数据线经过电阻上拉后与微处理器芯片U1的JTAG接口相连，它们之间的“TCK、TMS、TDO、TDI”引脚互连。它作为对微处理器芯片U1内部FLASH进行编程的接口，以及从硬件上控制U1运行流程的调试接口。

所述电源管理部件包括第一电源单元6、第二电源单元7和第三电源单元8。

第二电源单元7为单相交流电转直流稳压电路，按照应用的需要输出两种不同的直流电源电平。交流电源经过变压器和整流桥降压全桥整流后，经过U1芯片转换为第一种直流电源VCC+5V，再经过U2芯片转换和后续开光电源等元器件的处理后转换为第二种直流电源VCC+3.3V。它负责为整个处理器单元3供电，电源管理部件原理图见图7。

第一电源单元6为交流电源经过变压器和整流桥降压全桥整流后，经过U1芯片转换为第一种直流电源VCC+5V，再经过U7得到V485，为RS485通讯接收单元4供电。

第三电源单元8采用单相交流电转直流稳压电路的方案，单相交流电经降压全桥整流后由U8芯片转化为VCC+4V直流电源，为无线通信部件供电。

实施例1：

本发明控制部件的一个实施案例可见图3。它主要由处理器单元3、第二电源单元7、晶振、通信调试接口J1。

处理器单元3中的微处理器芯片U1选用AT公司的高性能、低功耗AVR8位高档微处理器ATmega64L或ATmega128L。它具有先进的RISC结构,最高8MHz工作频率，大多数指令在一个周期内完成，运算速率高；片内64kFlash或128kFlash、4kSRAM和4kEEPROM；支持省电模式、掉电模式等6种睡眠模式；具有多种总线和充足的输入输出接口；具有A/D、D/A接口；具有2.7V-5.5V的宽工作电压范围；具有与IEEE1149.1标准兼容的JTAG接口。

通信调试接口J1的数据线经过电阻“R6～R9”上拉后与微处理器芯片U1的JTAG接口相连，它的“1、3、5、9”引脚分别与微处理器芯片U1的“57、56、55、54”引脚连接。

处理器单元3的第二电源单元7，采用单相交流电转直流稳压电路方案，单相交流电圧经过变压器降压和整流桥全桥整流后，经U2芯片LM2576-5.0引脚1输入和引脚2输出转化为＋5.0V直流电源，再经U2芯片SPX1117M3-3.3引脚3输入和引脚2输出转化为＋3.3V直流电源，为处理器单元3供电。

实施例2：

本发明电表计量值接收部件的一个实施案例可见图4，RS485通讯接收单元1主要由U3芯片及其外围电路组成，U3芯片的A脚和B脚是RS485信号输入端，外接带有485接口的电能表；光电隔离单元2主要由芯片U2及其外围电路组成，其引脚16和引脚4分别接处理器单元3的RXD0，TXD0，引脚6接处理器单元1通用输入输出引脚，控制RS485信号的输入输出方向；第一电源单元6由电压转换芯片“U7”得到+5V电压，再由电压转换芯片“U5”得到芯片“U3”的工作电压。

实施例3：

本发明基于GSM/GPRS传输模块的无线通信部件原理图可见图5，包括GSM/GPRS无线传输模块单元4、SIM卡单元5、第三电源单元8。

GSM/GPRS无线传输模块单元4本方案采用华为EM310无线传输模块，EM310无线传输模块引脚SIM_IN、SIM_CLK、SIM_RST、SIM_VCC、SIM_IO、SIM_GND分别与SIM卡单元5SIM_IN、SIM_CLK、SIM_RST、SIM_VCC、SIM_IO、SIM_GND相连，第三电源8单相交流电经降压全桥整流后由U8芯片转化为VCC+4V直流电源，为基于GSM/GPRS传输模块的无线通信部件供电。

该装置调试成功后，各单元接口之间的连接点焊死。

上述方案所选芯片的温度范围如下：单片微处理器芯片U1为-55C°到+125C°；光电耦合器U2芯片TLP521为-55C°到+100C°；MAX485芯片U3为-40C°到+85C°；无线传输模块U9为-40C°到+85C°；电源管理部件U7、U8、U9稳压芯片LM2576-5.0、LM2576-ADJ、SPX1117M3-3.3为-40C°到+120C°。这使得整个集抄终端可工作在-40C°到+85C°的环境中。

实施例4：

根据实施例1所选用的芯片和连接方式，在控制部件和电表计量值部件不变的情况下，把GSM/GPRS无线传输单元4换成TD_SCDMA无线传输单元4，基于TD_SCDMA无线传输单元4无线通信部件原理图可见图6，TD_SCDMA数据传输模块采用联芯LC6311，LC6311是一款TD-SCDMA/GSM(GPRS)双模无线模块。产品支持TD-SCDMA与GSM系统间跨网自动无缝切换，在TD-SCDMA制式下，支持上下行非对称数据传输能力，上下行数据传输速率可分别达到384kbps；支持UART和USB两种通信接口，使用更为方便和灵活，可以满足不同主控设备的需求；采用2.9mm装配高度的超薄设计，使其可以方便应用于智能手机和各类数据卡中，内部集成H.324协议栈，使得视频电话的功能实现更为简单；内部集成TCP/IP协议，可以方便连接Internet.

实施例5：

根据实施例1或2所选用的芯片和连接方式，上述的控制部件的处理器单元3中的微处理器芯片U1所实现功能流程图如图2，包括：

步骤1、处理器单元3内核模块完成初始化任务，包括内部存储器和寄存器初始化、I/O端口初使化初始化，串口初始化；处理器单元3）通过串口向GSM/GPRS或TD_SCDMA无线传输模块写AT命令，完成GSM/GPRS或TD_SCDMA初始化任务，包括无线传输模块复位开机、无线传输模块无线服务网络挂载，建立模块到主站的连接。

步骤2、RS485通讯接收单元(1)依据DL/T645－2007《多功能电能表通信协议》读取电表数据，RS485通讯接收单元1向特定的电能表地址发出发送电表数据请求，电能表接收到RS485通讯接收单元1请求依据DL/T645－2007《多功能电能表通信协议》发出响应帧，响应帧里包含电能表计量数据；处理器单元3与RS485通讯接收单元的数据通信协议应符合Q/GDW376.1－2009《电力用户用电信息采集系统通信协议第一部分：主站与采集终端通信协议》，

处理器单元3向RS485通讯接收单元1发出请求数据帧，RS485通讯接收单元1收到处理器单元3请求数据帧，如果请求的数据全部有效，则发送响应帧；如请求的数据部分有效，则根据能响应的数据内容组织数据单元标识发送响应帧；如所请求数据全部无效，则发送否认帧。

处理器单元3首先判断接收到数据帧是不是本机地址，如果是本机地址处理器单元3开始通过RS485接收单元1向电能表采样电表计量值数据，并形成校验码，如果校验正确，处理器单元3发送RS485接收正确应答帧，否则处理器单元3发送RS485接收错误应答帧。

步骤3、当处理器单元(3)接收到RS485接收正确应答帧，处理器单元3通过串口把接收到的电能表数据写入无线通信部件的无线传输模块单元4，无线传输模块单元4按照处理器单元3的要求发送电表计量值数据到远程监控终端，如果处理器单元3接收到RS485接收错误应答帧，处理器就重新发出读电能表数据请求，直至接收到RS485接收正确应答帧。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种电力电表大用户远程集抄接口装置，包括电表计量值接收部件、控制部件、无线通信部件和电源管理部件，其特征在于：

所述电表计量值接收部件包括RS485通讯接收单元（1）、光电隔离单元（2）；所述RS485通讯接收单元（1）由RS485通信低功耗收发器（U3）及其外围电路组成，它的内部含有一个驱动器和接收器，RO和DI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端，分别接光电隔离单元（2）的2脚和14脚，A端和B端分别为接收和发送的差分信号端；所述光电隔离单元（2）由光电隔离器及其外围电路组成，光电隔离器4脚和6脚分别与控制部件处理器单元（3）的UART发送和接收端口相连，光电隔离器6脚与控制部件处理器单元（3）的通用I/O引脚相连，控制RS485通讯接口收发状态；所述RS485通讯接收单元（1）用于读取电度表计量值，并按照DL/T645－2007《多功能电能表通信协议》读取电表数据，向按信息帧地址域选择的电能表发出读电表数据请求命令，被请求的电能表接收到读电能表数据请求命令后，发出响应帧，响应帧里包含电能表计量数据；所述光电隔离单元（2）用于对输入输出电信号互相隔离；

所述控制部件包括处理器单元（3）；所述处理器单元(3)由AVR64或AVR128系列微处理器芯片（U1）及其外围电路组成，其与无线传输模块单元（4）、光电隔离单元（2）分别通过通用同步和异步串行接口相连,连接接口端口（J1）的数据线经过电阻上拉后与微处理器芯片（U1）的JTAG接口相连，用于向RS485通讯接收单元（1）发出接收指令，RS485通讯接收单元（1）接收到处理器单元（3）接收指令，并向电度表发送电表数据传送指令，使电度表向RS485通讯接收单元（1）传送电表数据，以及用于与无线通信部件连接，向无线通信部件发出电表数据发送命令，无线通信部件接收到处理器单元（3）发送命令，等待处理器单元（3）向无线通信部件写入数据并发送；

所述的无线通信部件包括无线传输模块单元（4）、SIM卡单元（5）；所述无线传输模块单元（4）由华为EM310GPRS传输模块或联芯LC6311TD_SCDMA传输模块及其外围电路组成，其与处理器单元（3）通过通用同步和异步串行接口相连，所述SIM卡单元（5）由SIM卡插座（USIM_CARD）及其外围电路组成，其SIM_DETECT、SIM_RESET、SIM_CLK、SIM_DATA、SIM_VSIM分别与无线传输模块单元（4）SIM_DETECT、SIM_RESET、SIM_CLK、SIM_DATA、SIM_VSIM连接；所述无线传输模块单元（4）用于向远程终端发送电表数据；所述SIM卡单元（5）用于给无线传输模块单元（4）提供移动互联网服务；

所述电源管理部件包括第一电源单元（6）、第二电源单元（7）和第三电源单元（8）；所述第一电源单元（6）用于对RS485通讯接收单元（1）供电；所述第二电源单元（7）用于对处理器单元（3）供电；所述第三电源单元（8）用于对无线传输模块单元（4）供电。

2.根据权利要求1所述的电力电表大用户远程集抄接口装置，其特征在于，所述处理器单元（3）和无线传输模块单元（4）包括：

无线传输网络服务模块，用于根据所覆盖的无线传输网络服务完成对无线传输网络服务的选择配置和注册；

数据接收模块，用于与RS485通讯接收单元的数据通信，数据通信符合通信协议应符合Q/GDW376.1－2009《电力用户用电信息采集系统通信协议第一部分：主站与采集终端通信协议》，RS485通讯接收单元（1）收到处理器单元（3）请求数据帧，如果请求的数据全部有效，则发送响应帧；如请求的数据部分有效，则根据能响应的数据内容组织数据单元标识发送响应帧；如所请求数据全部无效，则发送否认帧；

数据发送模块，用于发送数据，当处理器单元（3）接收到RS485接收正确应答帧，根据无线传输模块单元（4）注册的无线传输网络服务，无线传输模块单元(4)依据处理器单元（3）要求的远程终端号码发送给远程监控终端。

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