CN210222118U - 一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，通过集成红外接收器与智能电表的红外通信口取得通信并转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块实现该智能电表数据的Internet网络传输。由智能电表、集成红外接收器、无线通信模块、Internet网络、电脑手机或其他网络终端组成。集成红外接收器由内置的红外接收器和信号调制解调器组成，其中，红外接收器由红外光检测器组成；智能电表安装在金属计量箱内，所述集成红外接收器安装或贴在金属计量箱玻璃上与金属计量箱玻璃内的智能电表的红外通信口通信，集成红外接收器将采集到的信号转换调制后传输到无线通信模块装置，无线通信模块装置将信号数据传输到Internet网络实现数据的远程传输和被读取。

Description

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，通过集成红外接收器与智能电表的红外通信口取得通信并转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块实现该智能电表数据的Internet网络传输。

背景技术

现有的智能电表数据监控无外乎二种：一是使用直接通过智能电表的RS232或RS485采集信号后传输带终端或网络；二是使用摄像头监控电表屏幕实现监控。由于关口计量用的智能电度表一般是第三方供电公司的资产一般会被锁在带玻璃观察窗的金属计量箱内，无法直接通过电表的RS232或RS485采集信号数据进行传输和被读取，而通过摄像头监控的数据因受摄像头视线限制不能全方位监控。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，克服了现有的普通智能电度表监控系统的不足。此基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统通过集成红外接收器（如TSSOP183型集成红外接收器）与智能电表的红外通信口取得通信并转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块（如GPRS模块、WIFI模块或其他可接入Internet网络的设备）实现该智能电表数据的Internet网络传输，通过电脑、手机或其他网络终端读取数据。

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统是采取以下技术方案实现：

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统由智能电表、集成红外接收器、无线通信模块、Internet网络、电脑手机或其他网络终端组成。

集成红外接收器由内置的红外接收器和信号调制解调器组成，其中，红外接收器由红外光检测器组成，信号调制解调器内部集成有脉冲编码调制（PWM）模块滤波器、自适应增益放大器、带通滤波器、信号解调器组成。

智能电表安装在金属计量箱内，所述集成红外接收器安装或贴在金属计量箱玻璃上与金属计量箱玻璃内的智能电表的红外通信口通信，集成红外接收器将采集到的信号转换调制后传输到无线通信模块装置，无线通信模块装置将信号数据传输到Internet网络实现数据的远程传输和被读取。

所述集成红外接收器贴在金属计量箱玻璃上与智能电表（电度表）的通信接口通信，也能通过其他支撑物支撑直接与智能电表的通信接口通信。

无线通信模块安装在金属计量箱上，集成红外接收器通过传输线缆与无线通信模块装置相连。

无线通信模块装置采用市售GPRS模块、WIFI模块或其他可接入Internet网络的设备，所述集成红外接收器由内部集成有红外光检测器、脉冲编码调制（PWM）模块滤波器、自适应增益放大器、带通滤波器、信号解调器组成，采用集电极开路（OC）输出方式。

所述智能电表采用市售带红外通信型智能电表。

工作原理为：

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统中集成红外接收器安装在金属计量箱上的玻璃观察窗上，集成红外接收器中的红外接收器与金属计量箱内的智能多功能表的红外通信口取得通信，集成红外接收器中的红外接收器将接收的信号通过集成红外接收器中的信号调制解调器调制，通过脉宽调制或脉时调制解调，转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块实现该智能电表数据的Internet网络传输，通过电脑、手机或其他网络终端读取数据。

本实用新型优点：

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统设计合理，克服了现有的普通智能电度表监控系统的不足。此基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统通过集成红外接收器（如市售TSSOP183型集成红外接收器）与智能电表的红外通信口取得通信并转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块实现该智能电表数据的Internet网络传输，通过电脑、手机或其他网络终端读取数据。

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统能够读取无法通过电度表自带的RS232或RS485信号口监控的第三方供电公司的电度表的数据并传输到Internet实现数据的远程传输和被读取。

可以不用打开金属计量箱即可通过玻璃观察窗读取电表数据并传输到Internet实现数据的远程传输和被读取。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统示意图；

图2是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统的结构示意图；

图3是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统的红外通信原理示意图；

图4是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统的红外通信接口电路示意图；

图5是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统的红外通信中字节传输与接收中断间隔时间示意图；

图6是一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统的红外通信中UART接收中断处理程序框图。

图中：1、集成红外接收器； 2、无线通信模块； 3、线缆； 4、智能电表； 5、红外通信接口；6、金属计量箱。

具体实施方式

参照附图1-6，一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统由智能电表、集成红外接收器、无线通信模块、Internet网络、电脑手机或其他网络终端组成。

集成红外接收器由内置的红外接收器和信号调制解调器组成，其中，红外接收器由红外光检测器组成，信号调制解调器内部集成有脉冲编码调制（PWM）模块滤波器、自适应增益放大器、带通滤波器、信号解调器组成。

智能电表4安装在金属计量箱6内，所述集成红外接收器1安装或贴在金属计量箱6玻璃上与金属计量箱6玻璃内的智能电表的红外通信口通信，集成红外接收器1将采集到的信号转换调制后传输到无线通信模块装置2，无线通信模块装置2将信号数据传输到Internet网络实现数据的远程传输和被读取。

所述集成红外接收器1贴在金属计量箱6玻璃上与智能电表（电度表）的通信接口通信，也能通过其他支撑物支撑直接与智能电表的通信接口通信。

无线通信模块2安装在金属计量箱6上，集成红外接收器通过传输线缆与无线通信模块装置相连。

无线通信模块装置2采用市售GPRS模块、WIFI模块或其他可接入Internet网络的设备

所述智能电表4采用市售带红外通信功能型智能电表。

所述集成红外接收器1由内部集成有红外光检测器、脉冲编码调制（PWM）模块滤波器、自适应增益放大器、带通滤波器、信号解调器组成，采用集电极开路（OC）输出方式。

集成红外接收器1当检测到指定频率的红外光信号时，输出信号为低电平，表示数据“0”，否则输出三极管截止，表示输出数据等于“1”红外通信的载波信号由红外发射二极管产生。当传输数据“1”时，只需使发射管截止而不发射红外光，即可。当传输数据“0”时，就必须按照调制频率Fm (对应周期为Tm=1/Fm )的要求，控制发射管导通Tm/2时间然后截止Tm/2时间，并循环变化直至数据“0”传输结束。图3表示调制频率为38kHz时，红外发射管工作状态、红外载波信号以及接收器输出数据的变化过程。

由于数据“1”对应于发射管的截止，为实现红外通信的发送功能，关键是实现载波信号以保证数据“0”的正确传输。载波信号的获得常用软件调制方法。软件调制就是由CPU程序直接控制发射管的导通和截止。若当前传输速率对应于位时间长度等于Tb载波信号周期为Tm，则从红外通信发送引脚IR上发送一位数据“0”的过程如下：

(1)位时间计时器t 清零；(2)调制时间计时器Tm清零，IR引脚数值取反；(3)若t≥T 则结束，否则转第(4)步；(4)若t ≥T ／2则转第(2)步，否则等待。上述方法的优点是硬件简单，硬件成本低廉。缺点是占用CPU的时间，增大CPU的负担，从而降低了仪表的整体性能。为了改进上述缺点，我们应用单片机CPU内置的脉宽调制(PWM)模块以及通用异步串行接口模块(UART)，设计硬件PWM调制的红外通信接口。所谓脉宽调制(PWM)信号，就是频率可调、占空比可调的矩形波，若使其频率等于红外通信调制频率，就可作为红外通信的调制信号。实际接口电路如图4所示。其中Rx与Tx分别是单片机异步串行接口模块的接收引脚和发送引脚，PWM1是CPU内置的脉宽调制模块输出引脚。图中的引脚编号对应于单片机PIC16F77。

集成红外接收器1采用集成红外接收器（如TSSOP1838集成红外接收器），用来实现红外信号的接收和数据解调，它把接收到的数据“0”或“1”以同相方式传送到异步通信接口模块，从而以全硬件方式，在数据接收功能上实现物理层与链路层的接口。TSSOP1838集成红外接收器支持的调制频率为38kHz，因此设定PWM1调制频率为38kHz，占空比=1：1，当传输数据“0”时，串行输出TX为低电平，Q2导通，红外发射管IR1依据PWM1的调制频率导通或截止，从而产生38kHz调制载波红外光信号，实现数据“0”的编码和同相传送。

由于接收器支持的载波频率只有38kHz，同时要求每个数据“0”所占时间要大于6个载波周期，因此该电路的传输速率<38k／6=6．3kbps，规范化后最高传输速率为4800bps，它高于规约指定传输速率1200bps。

红外通信软件设计多功能电能表通信功能包括DL/T-645规约应用层服务和链路层服务。应用层接收程序根据链路层接收到的信息帧指定的控制码c以及数据标识DI1D10的数值，执行相应的动作、接收或发送规定的数据；应用层发送程序负责按照链路层信息帧结构对所发送数据打包送入发送缓冲区中，然后调用链路层发送服务程序把数据发送到通信介质中。对于不同的产品以及不同的省份，应用层的具体服务可能不相同。链路层实现信息帧发送和接收的服务都是统一的，是基于异步字节传输的，实际包含字节数据收发、帧数据收发两个层次。链路层服务是电能表通信的核心功能。对于链路层字节数据收发，主要由异步串行通信UART硬件模块完成。初始化设置UART为9位、异步传输方式，传输速率为1200bps。当发送一个字节数据时，所有UART硬件都能完成起始位、停止位的自动添加，并按传输速率自动实现位定时，按位把一个完整的异步字节数据帧从Tx引脚发送到物理层。但是有些CPU不能实现偶校验位的自动计算与自动添加，MICROCHIP的16系列就是这样。因此软件先把字节数据写入到8位发送寄存器TXREG中，再计算偶校验位并写入发送器的TXD9位，最后通过置TXEN位为1启动传送。接收一个字节时，硬件UART自动判断起始位、停止位，把前8位数据送到接收寄存器RCREG中，把第9位数据(偶校验位)写到RXD9位，并把接收时的错误状态—帧错误、覆盖错误写入到错误标志位FERR、OERR中，最后通过RCIF向CPU提出中断请求。软件在中断服务程序中检测错误标志位是否置位、校验偶校验位是否正确，以确定是否接收该字节数据。需要注意的是，红外通信的载波信号在空间不能叠加，因此多功能表的数据发送与接收不能同时进行，属于半双工通信方式。这要求在发送数据的同时，必须关闭本机的接收功能，即关闭UART的接收中断；而在接收状态下，必须关闭发送功能，这可通过强制PWM1为低电平，使Q1截止而获得保证。DL/T-645规约采用半双工主从通信方式，多功能电能表作为通信的从站，只有当收到主站来的命令后，向主站发送响应数据时才处于发送方式，其余情况都是处于接收状态。发送信息帧时，首先对数据域进行二进制加33H处理，然后计算校验和，再按起始符、地址域、数据域、校验域、结束符顺序组织成标准帧，并送入发送缓冲区中。最后调用字节发送程序通过红外接口把信息发送出去。如图5，DL/T-645规约规定，字节传输间隔时间为：10ms<T2<500ms。如果间隔时间太长，接收设备会当作通信超时故障处理，间隔时间太短，接收设备可能来不及处理，也不能实现正确通信。

帧发送的起始时刻是可预期的、确定的，而帧接收的起点是不可预期的、随机的，要采用中断方式接收数据。DL/T-645规约基于异步传输通信，帧接收是基于字节接收中断，在其中断服务程序中实现的。字节接收由CPU的UART模块自动完成，不需要软件干预，UART接收中断发生在一个字节数据接收完成。图5中， 是一个字节传送时间，当传输速率为1200bps时，T。=9．17ms。UART接收中断间隔时间Ti等于T1+T2，要求帧接收处理程序能够在时间内完成任务，才能满足接收实时性要求。当CPU的晶振频率=4MHz时，在10ms内PIC16F77可执行10000条指令，有足够时间实现对DL/T-645规约的链路层协议解析处理，可以保证接收数据的实时性。分析DL/T-645规约帧结构，将其分为2个部分，帧信息头68H、A0、A1、A2、A3、A4、A5、68H、C、L共9个字节是固定的，数据域的内容为可变的。每个帧接收起始于收到68H，接着进入固定信息头的接收阶段，然后进入可变数据以及帧校验码cs和帧结束符16H的接收阶段。设置帧开始标志s—FLG、数据域标志D—FLG、帧结束标志E—FLG来表示帧接收过程的不同阶段，如表1示。

表1 各个接收阶段标志

图6给出帧接收处理的终端服务程序。设置字节间隔定时器，初始值：0，每次正确接收一个字节数据后清零，不接收数据或接收数据错误时，其值自动增加。主程序中监测该数值，当其值计时到800ms(实际中可放大到1 s)时，认为接收过程超时，应清除S—FLG、D—FLG、E— FLG，放弃此次接收，恢复到初始状态，准备接收下一个帧。

所述集成红外接收器1和无线通信模块2皆通过线缆3取得工作电源。

所述的基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统中集成红外接收器1和无线通信模块装置2组合，应用。

所述的集成红外接收器1为市售带红外通信采集和信号调制解调功能的装置，如TSSOP1838集成红外接收器。

工作原理：

一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统中集成红外接收器1安装在金属计量箱6上的玻璃观察窗上，集成红外接收器中的红外接收器与金属计量箱内的智能多功能表的红外通信口5取得通信，集成红外接收器1中的红外接收器将接收的信号通过集成红外接收器中的信号调制解调器调制，通过脉宽调制或脉时调制解调，转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块2实现该智能电表数据的Internet网络传输，通过电脑、手机或其他网络终端读取数据。

Claims (10)

1.一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，由智能电表、集成红外接收器、无线通信模块、Internet网络、电脑手机或网络终端组成；

集成红外接收器由内置的红外接收器和信号调制解调器组成，其中，红外接收器由红外光检测器组成，信号调制解调器内部集成有脉冲编码调制模块滤波器、自适应增益放大器、带通滤波器、信号解调器组成；

智能电表安装在金属计量箱内，所述集成红外接收器安装或贴在金属计量箱玻璃上与金属计量箱玻璃内的智能电表的红外通信口通信，集成红外接收器将采集到的信号转换调制后传输到无线通信模块装置，无线通信模块装置将信号数据传输到Internet网络实现数据的远程传输和被读取。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，所述集成红外接收器贴在金属计量箱玻璃上与智能电表的通信接口通信，也能通过支撑物支撑直接与智能电表的通信接口通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，无线通信模块安装在金属计量箱上，集成红外接收器通过传输线缆与无线通信模块装置相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，无线通信模块装置采用GPRS模块、WIFI模块或可接入Internet网络的设备。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，所述智能电表采用带红外通信型智能电表。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统中集成红外接收器安装在金属计量箱上的玻璃观察窗上，集成红外接收器中的红外接收器与金属计量箱内的智能多功能表的红外通信口取得通信，集成红外接收器中的红外接收器将接收的信号通过集成红外接收器中的信号调制解调器调制，通过脉宽调制或脉时调制解调，转换成RS232信号或RS485信号，再通过无线通信模块实现该智能电表数据的Internet网络传输，通过电脑、手机或网络终端读取数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，所述集成红外接收器由内部集成有红外光检测器、脉冲编码调制模块滤波器、自适应增益放大器、带通滤波器、信号解调器组成，采用集电极开路输出方式。

8.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，集成红外接收器当检测到指定频率的红外光信号时，输出信号为低电平，表示数据“0”，否则输出三极管截止，表示输出数据等于“1”，红外通信的载波信号由红外发射二极管产生，当传输数据“1”时，只需使发射管截止而不发射红外光，即可；当传输数据“0”时，就必须按照调制频率Fm ，对应周期为Tm=1/Fm 的要求，控制发射管导通Tm/2时间然后截止Tm/2时间，并循环变化直至数据“0”传输结束。

9.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，集成红外接收器用来实现红外信号的接收和数据解调，它把接收到的数据“0”或“1”以同相方式传送到异步通信接口模块，从而以全硬件方式，在数据接收功能上实现物理层与链路层的接口；

集成红外接收器采用TSSOP1838集成红外接收器，TSSOP1838集成红外接收器支持的调制频率为38kHz，因此设定PWM1调制频率为38kHz，占空比=1：1，当传输数据“0”时，串行输出TX为低电平，Q2导通，红外发射管IR1依据PWM1的调制频率导通或截止，从而产生38kHz调制载波红外光信号，实现数据“0”的编码和同相传送；

由于接收器支持的载波频率只有38kHz，同时要求每个数据“0”所占时间要大于6个载波周期，因此该电路的传输速率<38k／6=6．3kbps，规范化后最高传输速率为4800bps，它高于规约指定传输速率1200bps。

10.根据权利要求1所述的一种基于红外调制转换与无线通信的电表监控系统，其特征在于，所述集成红外接收器和无线通信模块皆通过线缆取得工作电源；集成红外接收器和无线通信模块装置组合。

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