基于嵌入式的智能抄表管理系統(tǒng)設(shè)計
引 言
隨著社會的不斷發(fā)展進步以及電子信息技術(shù)的不斷完善， 低功耗無線抄表技術(shù)日漸成熟，本設(shè)計提出了一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)分析的民用住宅智能電力管理系統(tǒng)平臺。智能電力管理系統(tǒng)平臺極大地解放了生產(chǎn)力，系統(tǒng)的應(yīng)用可以替代傳統(tǒng)意義上的水，電，氣，暖等計量方式，利用計算機與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使繁重復(fù)雜的工作變得輕松準確，極大地節(jié)省了勞動力。
1 系統(tǒng)總體構(gòu)架
系統(tǒng)主要構(gòu)架包含數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)采集器、GPRS- DTU 通信模塊、終端服務(wù)器和系統(tǒng)各模塊間通信協(xié)議等設(shè)計。
1.1 數(shù)據(jù)集中器設(shè)計
數(shù)據(jù)集中器的設(shè)計主要是將整理采集的數(shù)據(jù)分析處理后，根據(jù)具體情況向用戶以及用電管理部門發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，具體功能如下：
(1) 集中器的機構(gòu)設(shè)計。集中器上行通信信道選用 GPRS 無線通訊，USART通信是下行通信信道，即集中器與電表通過RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸；
(2) 通信鏈路設(shè)計。利用 USART1在集中抄表系統(tǒng)下的通信信道 USART1通過ADM2483芯片實現(xiàn)將TTL電平信號轉(zhuǎn)換為RS485 電平信號；
(3) 通信協(xié)議的制定。通信協(xié)議為集中器與電表通信幀格式。包括目的集中器號、源集中器號、控制碼、數(shù)據(jù)長度、所接電表數(shù)量、數(shù)據(jù)及校驗碼；
(4) 集中器與電表通信幀格式說明。目的集中器為主機， 源集中器為從機，幀起始符號標志一幀信息的開始，結(jié)束符標志一幀的結(jié)束，地址號表示用戶；
(5) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立， 通過 C# 編寫的上位機軟件將GPRS（1）傳送到數(shù)據(jù)進行簡單處理之后存儲到 SQL Server數(shù)據(jù)庫中以備大量數(shù)據(jù)的分析。
1.2 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計
數(shù)據(jù)采集器主要由主控制器，復(fù)位電路，電源管理電路， 鍵盤事件，光電耦合隔離電路及RS-485電路組成。數(shù)據(jù)采集器主要功能為讀取多功能電能表中數(shù)據(jù)，關(guān)鍵部分為RS-485 電路和光電耦合隔離電路的設(shè)計。具體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器的上電復(fù)位和手動復(fù)位往往是同時工作，如果某個 TIL117 的DE 端為“1”，則 485 總線將會被占用，其他分機則無法與集中器通信復(fù)位。所以必須保證系統(tǒng)上電復(fù)位和手動復(fù)位時 TIL117 的DE 端口為“0”，因此系統(tǒng)添加的光電耦合模塊保證了上電復(fù)位和手動復(fù)位時 DE 引腳為“0”，從而很好地解決了上述問題。
1.2.1 電源管理
本系統(tǒng)電源部分涵蓋備份電壓及電壓調(diào)節(jié)器。備用電源用于備份域，即電源引腳 VBAT，一般采用電池或其它電源連接到VBAT引腳。VDD電源保存?zhèn)浞菁拇嫫鞯膬?nèi)容。VBAT 引腳也可以提供實時時鐘供電，保證當主電源被切斷時，RTC 可以繼續(xù)工作。如果外部電池不使用，VBAT必須連接到VDD引腳。電壓調(diào)節(jié)器為STM32提供 1.8 V電源，這時 3.3V的電源系統(tǒng)提供用于STM32 的 1.8 V 電壓。本設(shè)計采用外部提供的 5 V 直流電源，通過 1117-3.3 系列芯片將電壓轉(zhuǎn)換為直流 3.3 V 。
1.2.2 液晶顯示電路
集中器將采集到的數(shù)據(jù)通過 TFT 液晶屏的形式顯示出來。TFT 液晶屏的控制端與微控制器在連接好的情況下，通過 SPI 給定相應(yīng)的命令完成對顯示環(huán)境的初始化配置，其中主要包括對背光亮度、數(shù)據(jù)大小、文字類型等進行相應(yīng)的配置。
1.2.3 485通信模塊
考慮到電路板體積與功耗問題，集中器RS-485 模塊采用ADM2483。ADM2483 是由ADI 推出的一款隔離性 485 芯片，其內(nèi)部集成了一個三通道的磁隔離器和半雙工485 接收器。500V的隔離電壓能力，傳輸速率高達 500k，但此電路需要雙電源供電，具體連接圖如圖 2 所示。
2 軟件設(shè)計
2.1 數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)集中器是整個系統(tǒng)的核心主控部分，其程序流程的 合理性與魯棒性直接影響著系統(tǒng)的成功。首先，啟動系統(tǒng)并 做一系列的初始化與復(fù)位工作，主要包括系統(tǒng)時鐘初始化，延 時系統(tǒng)初始化，串口初始化，RS-485 通信模塊初始化，液晶 初始化，LED 初始化以及按鍵事件初始化。初始化完成之后 系統(tǒng)分為兩條主線，其一，集中器按鍵事件 ：RS-485 模塊向 數(shù)據(jù)采集器發(fā)出采集電度表數(shù)據(jù)命令，或數(shù)據(jù)集中器收到遠 端服務(wù)器發(fā)出的采集數(shù)據(jù)命令 ；其二，數(shù)據(jù)集中器收到由數(shù) 據(jù)采集器傳來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中器通過 ADM2483 將信號轉(zhuǎn) 換為 RS 232 信號，數(shù)據(jù)集中器將數(shù)據(jù)解碼分析后通過 GPRS 模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端的數(shù)據(jù)中心。具體流程如圖 3 所示。
2.2 數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計
2.2.1 RS-485 采集
RS-485 采集軟件編程的穩(wěn)定性是設(shè)計承購的關(guān)鍵。通 過發(fā)送一個幀格式的通信數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)包中包含啟動代碼、 地址碼長度碼、順序碼、校驗碼、內(nèi)容。為了穩(wěn)定工作，將其 寫在 RS 485 總線模式切換時間短的延遲，然后進行數(shù)據(jù)的發(fā) 送和接收。
2.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送方法
發(fā)送數(shù)據(jù)的具體方法，先設(shè)定 " ；1，延遲時間 5 ms，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲結(jié)束后，設(shè)置 "；0。 這可以使總線在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時有穩(wěn)定的工作狀態(tài)。RS-485 芯片 將電平轉(zhuǎn)換為 TTL 電平后，主控制器可以直接以 USART 的 方式監(jiān)聽數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)。USART 通信配置主要包括系統(tǒng) 始終、I/O 口狀態(tài)、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗位、終端 優(yōu)先級等。
2.3 PC 數(shù)據(jù)中心設(shè)計
PC 數(shù)據(jù)中心的設(shè)計目的在于給用戶一個完善的人機交 互接口，實現(xiàn)整個系統(tǒng)管理的智能化與人性化。數(shù)據(jù)中心采 用 MFC 語言編寫，同時調(diào)用 SQL_Server 數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)信息。 軟件運行與傳統(tǒng)人工抄表收費過程相近，同樣為先抄表，然 后查詢上次抄表信息，根據(jù)本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算出本月用電量。 然后根據(jù)單價計算出用戶電費金額。另外，數(shù)據(jù)中心可以根據(jù) 一個給定的計量單元內(nèi)的用電總量與各用戶用電量的關(guān)系分析 線路的損壞情況，提供給電力管理部門作為維護與保養(yǎng)的數(shù) 據(jù)依據(jù)，提高了管理效率和資源的合理配置。同時，應(yīng)用軟件 可以將數(shù)據(jù)分析挖掘的信息以曲線圖等方式直觀地體現(xiàn)出來， 并且可以為區(qū)域內(nèi)電量需求走勢提供強大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有利于 智能電力系統(tǒng)的發(fā)展。
3 結(jié) 語
設(shè)計提供了一種新型的智能電力管理系統(tǒng)，經(jīng)過大量實驗證明，本系統(tǒng)相對傳統(tǒng)方式對數(shù)據(jù)采集的實時性與可靠性大為提高，并且系統(tǒng)具有人機交互友好、體積小、成本低等優(yōu)點，具有廣闊的市場潛力，能夠帶來極大地社會效益與經(jīng)濟效益。
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