CN109884360A - 一种单相gprs/4g远程费控智能电能表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相GPRS/4G远程费控智能电能表，涉及电能计量装置领域，包括集成于PCB板上的控制单元、GPRS/4G模块、电源单元、计量单元和显示单元。本发明的单相GPRS/4G远程费控智能电能表在不影响电能表对电能的正确计量情况下通过添加GPRS/4G通讯模块的方法，解决了传统的485电能表或PLC载波电能表具有的通讯网络布线困难、布线成本高、网络的电磁干扰严重影响通讯等问题；利用4G公网可靠的通讯能力和网络覆盖能力解决了无线通讯的不稳定，信号差等问题，为客户提供了一个全新的、安全的、可靠的抄表方案。
Description
技术领域
本发明涉及电能计量装置领域，具体涉及一种单相GPRS/4G远程费控智能电能表。
背景技术
为了解决逐户进行抄表的麻烦，现在常用远程控制型电表；随着远程智能电能表使用的不断普及，电能表的远程通讯功能对于表计数据抄读的及时性和准确性具有决定性的作用。目前这类通讯方案多数采用485总线或电力载波(PLC)等方案予以解决，对于表计的安装位置较为集中，安装区域的电网品质优化、稳定的条件下，这些方案确实具有很好的优越性；但是，对于安装地点分布过于分散的电表，采用485总线方案，其走线成本会很高，运维成本也高；如改用PLC方案确实能省去通讯专线的铺设成本，可是数据采集器设备的使用率低，输电网络的电磁干扰等因数都将造成通讯质量下降，表计的抄读/控制体验会严重受到影响。
现有技术中有方案考虑过在智能电能表中加装GPRS/4G模块实现远程费控，但现有方案还不够成熟，难以兼顾电表计量传输与GPRS/4G模块通讯的实时性、准确性，同时也难以保障在电表这种特殊信息计量工具中的通讯安全性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单相GPRS/4G远程费控智能电能表，解决现有远程电能表走线成本高，在加装电表时走线困难，网络的电磁干扰严重影响通讯的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种单相GPRS/4G远程费控智能电能表，包括集成于PCB板上的控制单元、GPRS/4G模块、电源单元、计量单元和显示单元，其特征在于：所述GPRS/4G模块、计量单元和显示单元均与所述控制单元信号连接，同时，
所述计量单元输入端与电流采样电路、电压采样电路连接，计量单元输出端与所述控制单元信号连接，用于对输入的零线电流、火线电流、电压进行电能计量，转换成电能脉冲；
电源单元从测量电路获取电能并为电能表各模块供电；控制单元将从计量单元获取的电能脉冲进行处理后传输至GPRS/4G模块，通过GPRS/4G模块上传至主站。
在上述技术方案的基础上，还包括继电器单元，所述继电器单元为磁保继电器，所述磁保继电器的线圈正向连通，反向断开，触点采用永久磁铁保持。
在上述技术方案的基础上，还包括嵌入式安全控制模块，所述安全芯片双列直插式封装于PCB板上。
在上述技术方案的基础上，还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述控制单元信号连接。
在上述技术方案的基础上，所述电源单元包括三个2VA/3绕组，第一绕组输出9V/20mA供给计量单元，一个绕组输出9V/50mA供给RS485电路，一个绕组输出12V/400mA供给单片机电路，整流后的电压直接送给继电器驱动电路。
在上述技术方案的基础上，所述的GPRS/4G模块包括4G主模块，以及与4G主模块连接的UART/串口电平转换电路、VCAP电路、开关机控制电路、SIM卡接口电路和主天线；UART/串口电平转换电路用于在控制单元和4G主模块之间进行通信电平的转换；开关机控制电路用于接收控制单元下发的开关机控制信号并传输给4G主模块；VCAP电路用于保证4G主模块内部的电压稳定；SIM卡接口电路用于读取SIM的工作信息并传输给4G主模块；4G主模块将获取的控制单元的数据通过主天线以4G通信的方式上传给主站，或者接收主站下发的数据后传输给控制单元。
在上述技术方案的基础上，所述SIM卡接口电路上设置ESD保护器件。
在上述技术方案的基础上，所述GPRS/4G模块连接GPRS/4G模块供电电路，所述GPRS/4G模块供电电路的电压输出具有使能控制。
在上述技术方案的基础上，所述GPRS/4G模块包括本地设置通讯串口，所述本地设置通讯串口与手持设备或计算机通信连接
在上述技术方案的基础上，所述控制单元和计量单元间的信号传输线路上设置有光电隔离器，接入所述电源单元的测量电路上串联设置热敏电阻。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的单相GPRS/4G远程费控智能电能表在不影响电能表对电能的正确计量情况下通过添加GPRS/4G通讯模块的方法，解决了传统的485电能表或PLC载波电能表具有的通讯网络布线困难、布线成本高、网络的电磁干扰严重影响通讯的诸多问题；利用4G公网可靠的通讯能力和网络覆盖能力解决了无线通讯的不稳定，信号差等问题，为客户提供了一个全新的、安全的、可靠的抄表方案。
(2)本发明的单相GPRS/4G远程费控智能电能表对电能表与采集器之间的GPRS/4G无线通讯，通过加密算法保证无线通讯数据的安全性、正确性和实时性；同时本发明电能表面板通过结构的适配改进，其输出接口几乎与传统通讯面板一致，极大的增强了模块的整体与各类电能表匹配的适应性。
(3)本发明的单相GPRS/4G远程费控智能电能表在软件控制过程中，电能表的核心MCU只需要利用几组简单的控制指令通过串口接口即可实现对GPRS/4G通讯模块的数据收发控制；GPRS/4G通讯模块自身还带有一个本地设置通讯串口，通过此接口能实现手持设备或PC机对模块的运行参数进行修改，实现了电能表的远程灵活控制。
(4)本发明的单相GPRS/4G远程费控智能电能表中，对GPRS/4G模块及其供电电路的电路结构进行了改进调整，保障了GPRS/4G模块在拉合闸等电流变化大、信号环境复杂的环境中稳定工作；提供了具体的安全保障模块保障电费信号特有的较高安全需求，解决了普通GPRS/4G模块在应用于智能电表特有环境时出现的信号传输干扰多、应用场景功能匹配不对应、信号传输安全度不高等问题。
附图说明
图1为本发明实施例中单相GPRS/4G远程费控智能电能表原理框图；
图2为本发明实施例中单相GPRS/4G远程费控智能电能表中GPRS/4G模块与单片机的硬件连接框图；
图3为本发明实施例中单相GPRS/4G远程费控智能电能表的GPRS/4G模块供电电路图；
图4为本发明实施例中单相GPRS/4G远程费控智能电能表在电网中的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种单相GPRS/4G远程费控智能电能表，包括集成于PCB板上的控制单元、GPRS/4G模块、电源单元、计量单元和显示单元，GPRS/4G模块、计量单元和显示单元均与所述控制单元信号连接，同时，计量单元输入端与电流采样电路、电压采样电路连接，计量单元输出端与控制单元信号连接，用于对输入的零线电流、火线电流、电压进行电能计量，转换成电能脉冲，同时把实时的电压、电流、功率、功率因数等送入控制单元；电源单元从测量电路获取电能并为电能表各模块供电；控制单元将从计量单元获取的电能脉冲、实时的电压、电流、功率和功率因数等数据进行处理后传输至GPRS/4G模块，通过GPRS/4G模块上传至主站。
在一个实施例中，单相GPRS/4G远程费控智能电能表包括显示单元(包括液晶屏、LED灯)、计量单元、ESAM模块、继电器、GPRS/4G模块、外壳等结构，控制单元、GPRS/4G模块、计量单元和液晶屏显示单元集成在一块PCB板上，整个PCB板装在一套塑料电表壳里，用自攻螺丝固定。
本发明单相GPRS/4G远程费控智能电能表硬件设计基于嵌入式Linux系统，是一个完善的最小处理系统，具有高度的可靠性，支持TCP和UDP两种通讯方式，每路连接支持10KB串口数据缓存，连接异常中断时模块能自动发起链路建链动作，确保网络链路的畅通；各单元能通过本地的设置串口设置模块的通讯参数和选择模块的远行方式(透传方式或主动上传方式)，也能在建链状态下，由平台对其发布相关的通讯及运行参数修改的指令，实现远程的灵活控制。
在一个优选的实施例中，各组成单元/模块的选择、具体连接关系和实施功能如下：
计量单元，其具体可为一个计量电路，其输入端与电流采样电路、电压采样电路连接，计量单元输出端与控制单元信号连接，用于对输入的零线电流、火线电流、电压进行电能计量，转换成电能脉冲，对反向电路同样转成正向电能进行计量。本实施例中，该部份电路以RN8209为核心，同时把实时的功率和功率因数送入电表。
控制单元，其具体可为一个单片机，其为本发明实施例单相GPRS/4G远程费控智能电能表的核心，其内部设置XT晶体时钟振荡电路4MHz，并设置有硬件看门狗，硬件上按要求采用分时复用技术，实现计算和控制。
显示单元，其具体可为LCD显示器、相应电路和LED信号灯等显示部件，本实施例中选用LCD显示器，其通过单片机直接驱动显示，可显示电能表剩余电量、累计电量、当前功率、通讯状态和电表工作状态等内容。
数据存储单元，包括Microchip E2ROM24LC256，可擦写1000万次，其用于保存控制单元传输的电费、电量、编号等数据和状态，同时在接到控制单元的调用信号时提供其存储的相应数据和状态。
电源单元，其具体包括电源电路和电源变压器，在一个实施例中，电源变压器采用三个2VA/3绕组，一个绕组输出9V/20mA供给计量电路，一个绕组输出9V/50mA供给RS485电路，一个绕组输出12V/400mA供给单片机电路，整流后的电压直接送给继电器驱动电路。初次与单片机绕组间隔离电压大于4000V，计量绕组与单片机绕组之间隔离电压大于4000V，初次与计量绕组及RS485接口绕组间隔离电压大于2000V，电源电路设计须考虑420V电压情况，78L05前电压不能超过36V，另外电源变压器初级串热敏电阻，保障高电压下不损坏。
ESAM模块，本发明费控电能表ESAM模块可采用DIP封装形式，宜直接焊接在线路板上；DIP封装形式如采用插接方式安装，需保证插接牢靠。
同时，由于加入的GPRS/4G模块对电能表性能提出了更高的电磁兼容性和抗电磁干扰要求，为了满足上述要求，在本实施例中，可进行如下改进：由于计量电路的电磁兼容性和抗干扰由RN8209芯片和布局决定，可对整个单片机电路与计量电路信号传输采用光电隔离，隔离电压>4000V，再加上电源变压器隔离电压>4000V。同时，将二者在电路板上物理隔离(设置有一定的距离)。此外，还可在输入电压线路火零线加压敏电阻，目的是阻止雷击和高频脉冲传入单片机电路，干扰单片机电路工作。
本发明的智能电表应用GPRS/4G模块实现稳定、可靠的无线通讯；节省了传统的有线通讯网络布线和网络运维的人工和设备的成本；GPRS/4G通讯模块的设计是基于一个独立的外设设备的设计思路设计而成，其自身的网络运维机制通过模块内嵌的微型控制器来完成，模块通过电源接口和标准串口接口与智能电能表的主体硬件建立连接；软件控制方面，电能表的核心单片机只需要利用几组简单的控制指令通过串口接口即可实现对GPRS/4G通讯模块的数据收发控制；GPRS/4G通讯模块自身还带有一个本地设置通讯串口，通过此接口能实现手持设备或PC机对模块的运行参数进行修改，例如：模块连接的服务器IP和端口号，模块是否具备主动上传电能表数据的能力、上传间隔时间和上传的数据项目等等参数。这些参数也能在模块已经建链的服务器平台端通过协议加密的通讯指令进行查询和修改；运行参数的配置目的是为了适用于电能表所应用的不同场景上传一个或多个电能表的关键数据(如，电压、电流、功率和当前电量止码等等)；以配合采集器服务平台应用的需要，例如，在能耗管理应用时，需要获取短时间内的电参量值和电量计量值；在居民小区的收费应用时，只需要每天1至24次的整点用电数据即可等等。
为了提供特别适用于智能电表的GPRS/4G通讯模块，避免普通GPRS/4G通讯模块在智能电表这一特定场景中存在的信号传输干扰多、应用场景功能匹配不对应、信号传输安全度不高等问题，如图2GPRS/4G模块与单片机的硬件连接框图所示，本发明实施例中的GPRS/4G模块进行了以下调整：
GPRS/4G模块引脚引出的UTXD1和URXD1已经通过电平匹配电路处理，默认电平3.3V，模块提供1个标准USB2.0接口,支持High speed(480Mbps)和Full speed(12Mbps)两种速率，支持suspend和resume，可以工作在HOST模式和DEVICE模式，该USB接口和驱动配合，可以在PC上显示虚拟网卡，电脑可以直接通过GPRS/4G模块访问互联网。同时，GPRS/4G模块提供了符合ISO7816-3标准的SIM卡接口，自动识别3.0V和1.8VSIM卡。在标准模式下，向USIM卡提供3.25MHz的时钟信号；在低功耗模式下，向USIM卡提供1.08MHz的时钟信号；支持时钟关断模式；通过调整波特率参数，支持速度增强型USIM卡；支持DMA发送/接收；支持注销模式下的自动省电模式；在RX模式下，支持自动奇偶校验。模块使用3.8V供电，16脚用于向模块提供3.8V工作电压，外围电路提供了充足的供电能力，供电电压波动小于300mV，过流能力为3A。
由于GPRS/4G模块工作中最大电流为750mA，为保障GPRS/4G模块在拉合闸等电表常见动作中的正常供电，本实施例电能表中设置了如图3所示的GPRS/4G模块供电电路，其在硬件电路上采用12V/400mA供给单片机电路,再采用DC直流稳压模块稳压，输出12V稳定电压，保障电源纹波在50mV以内，然后采用如下降压电路：电源前端采用滤波电容，采用SPX29302T5电源芯片，输出电流为3A,保障大电流输出，后端也采用电容储能和滤波保障电源的稳定性，芯片输出电压可以调节，分压电阻配置后输出4V电压，保证GPRS的正常工作，芯片电压输出也可以控制，芯片有电源使能脚EN方便控制电压是否输出，控制GPRS/4G模块重启。
本发明的GPRS/4G模块在接收来自控制单元的数据时,会不断的检查相邻2个字节的间隔时间。如果间隔时间大于等于某一“时间阈值”，则认为一帧结束，否则一直接收数据直到大于等于打包长度字节。将这一帧数据作为一个TCP或UDP包发向网络端。这里的“时间阈值”即为打包间隔时间。可设置的范围是10ms～60000ms，GPRS/4G模块出厂默认50ms，这个参数可以根据AT命令来设置，令AT+UARTFT＝50。
同时，GPRS/4G模块在接收来自控制模块的数据时，会不断的检查已接收到的字节数。如果已接收到的字节数达到某一“长度阈值”，则认为一帧结束。将这一帧数据作为一个TCP或UDP包发向网络端。这里的“长度阈值”即为打包长度。可设置的范围是1～4096字节，GPRS/4G模块出厂默认1000字节。这个参数可以根据AT命令来设置，令AT+UARTFL＝1000字节。
并入电网后，本实施例中单相GPRS/4G远程费控智能电能表在电网中的工作流程如图4所示。单相GPRS/4G远程费控智能电能表将采集数据通过GPRS/4G信号发送至因特网发送至采集器，在集中器集中后无线传输至电网管理及售电系统中的采集系统，便于电网管理人员进行售电、营销、停限电管理等相关操作。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种单相GPRS/4G远程费控智能电能表，包括集成于PCB板上的控制单元、GPRS/4G模块、电源单元、计量单元和显示单元，其特征在于：所述GPRS/4G模块、计量单元和显示单元均与所述控制单元信号连接，同时，
所述计量单元输入端与电流采样电路、电压采样电路连接，计量单元输出端与所述控制单元信号连接，用于对输入的零线电流、火线电流、电压进行电能计量，转换成电能脉冲；
电源单元从测量电路获取电能并为电能表各模块供电；控制单元将从计量单元获取的电能脉冲进行处理后传输至GPRS/4G模块，通过GPRS/4G模块上传至主站。
2.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：还包括继电器单元，所述继电器单元为磁保继电器，所述磁保继电器的线圈正向连通，反向断开，触点采用永久磁铁保持。
3.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：还包括嵌入式安全控制模块，所述安全芯片双列直插式封装于PCB板上。
4.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述控制单元信号连接。
5.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：所述电源单元包括三个2VA/3绕组，第一绕组输出9V/20mA供给计量单元，一个绕组输出9V/50mA供给RS485电路，一个绕组输出12V/400mA供给单片机电路，整流后的电压直接送给继电器驱动电路。
6.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：所述的GPRS/4G模块包括4G主模块，以及与4G主模块连接的UART/串口电平转换电路、VCAP电路、开关机控制电路、SIM卡接口电路和主天线；UART/串口电平转换电路用于在控制单元和4G主模块之间进行通信电平的转换；开关机控制电路用于接收控制单元下发的开关机控制信号并传输给4G主模块；VCAP电路用于保证4G主模块内部的电压稳定；SIM卡接口电路用于读取SIM的工作信息并传输给4G主模块；4G主模块将获取的控制单元的数据通过主天线以4G通信的方式上传给主站，或者接收主站下发的数据后传输给控制单元。
7.如权利要求6所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：所述SIM卡接口电路上设置ESD保护器件。
8.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：所述GPRS/4G模块连接GPRS/4G模块供电电路，所述GPRS/4G模块供电电路的电压输出具有使能控制。
9.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：所述GPRS/4G模块包括本地设置通讯串口，所述本地设置通讯串口与手持设备或计算机通信连接。
10.如权利要求1所述的单相GPRS/4G远程费控智能电能表，其特征在于：所述控制单元和计量单元间的信号传输线路上设置有光电隔离器，接入所述电源单元的测量电路上串联设置热敏电阻。
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