专利名称：基于3g的单相智能抄表网络控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及家用智能电表领域，具体涉及一种基于3G的单相智能抄表网络控制系统。
背景技术：
早在2008，智能电网已经开始成为全球许多国家所重视的项目之一。如今，作为经济刺激方案的重要途径，智能电网及其所带动的智能电表已经为美国、欧洲许多政府部门大力支持。在中国，智能电表已然成为智能电网的基础配备之一，扮演着智能电网发展先行者的角色。我国截至2011年12月15日已经是第五次对智能电表招标放榜，招标总额8个亿。2011年实际的国家对智能电表的招标总量为5970万台。
从全球数据趋势来看，为了有效地掌控电力状况，智能电表在全球各国的部署和建设也正在如火如荼地展开。日前，市场研究机构派克咨询公司(Pike Research)发布了一份名为《智能电表市场预测》的报告，报告中显示，未来10年，全球智能电表安装量将增加约4倍。派克统计称，截止2011年底，全球智能电表安装数量将达到2. 51亿台，预计2015年这一数字将翻一番，上升至5. 35亿台，到2020年将可能达到约10亿台的规模。报告尤其指出，该产业在亚洲市场的将迅猛崛起，特别是在中国。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够促进电能管理行业合理调度和平衡电能的分配与发展，采用多种创新技术，灵活、合理、有效地支持电能管理部门应对中国电网供需不平衡现状给行业带来的挑战的基于3G的单相智能抄表网络控制系统。基于3G的单相智能抄表网络控制系统，其特征在于包括有一个主模块和多个分模块，所述的主模块、分模块均包括有控制模块、信号调理电路、单相电能采集模块，所述的控制模块的主控芯片为单片机，信号调理电路包括有电压信号调理电路、电流信号调理电路，单相电能采集模块包括有电能采集芯片，居民单相电网的电压、电流信号输出端分别接入电压信号调理电路、电流信号调理电路的信号输入端，电压信号调理电路、电流信号调理电路的信号输出端接入单相电能采集模块的电能采集芯片的输入引脚，单相电能采集模块的电能采集芯片的输出引脚接入控制模块的单片机；所述的主模块还包括有通信模块、3G无线传输模块、I2C模块、射频卡读写器模块、实时时钟同步模块、键盘及显示模块，所述的通信模块包括有CAN通信电路、485通信电路、CAN连接线、485连接线，所述的主模块的控制模块的单片机分别与3G无线传输模块、I2C模块、射频卡读写器模块、实时时钟同步模块、键盘及显示模块连接，所述的主模块的控制模块的单片机通过CAN通信电路、CAN连接线、485通信电路、485连接线与各个分模块的控制模块的单片机通信连接。所述的控制模块的单片机采用16位微控制器MC9S12X-S128飞思卡尔单片机。所述的电压信号调理电路包括有电压互感器、抗混叠滤波器一，电流信号调理电路包括有电流互感器、抗混叠滤波器二 ；居民单相电网的电压、电流信号输出端分别接入电压互感器、电流互感器的交流信号输入端，电压互感器跨接电阻Rlo，电阻Rlo的两端分别与抗混叠滤波器一的电阻Rla、Rlb连接，电阻Rla、Rlb之间跨接两个串联的电容Cla、Clb，串联的电容Cla、Clb的两端分别连接有电阻R2a、R2b，电流互感器跨接电阻R3o，电阻R3o的两端分别与抗混叠滤波器二的电阻R3a、R3b连接，电阻R3a、R3b之间跨接两个串联的电容C3a、C3b，串联的电容C3a、C3b的两端分别连接有电阻R4a、R4b。所述的单相电能采集模块包括有电能采集芯片、电能脉冲信号显示电路；电压信号调理电路中的电阻R2a、R2b接入单相电能采集模块的 电能采集芯片的VREFA引脚，串联的电容Cla、Clb的两端分别接到电能采集芯片的电压差分输入引脚V3P、V3N,电流信号调理电路中的电阻R4a、R4b接入单相电能采集模块的电能采集芯片的VREFA引脚，串联的电容C3a、C3b的两端分别接到电能采集芯片的电流差分输入引脚V2P、V2N ;电能采集芯片的输出引脚CF1、CF2、CF3分别通过电阻RS、RP、RQ接入电能脉冲信号显示电路的LED指示灯LED-S、LED-P、LED-Q，电能采集芯片的输出弓 I脚 SPICLK、SPIDO、SPIDI、SPICS、IRQ 分别接单片机的 PB3、PB2、PB1、PB0、PB4 引脚。所述的CAN驱动电路的主要芯片为82C250，485通信电路10包括有三个光电耦合器、电平转换芯片、四个瞬态抑制二极管和两个负温度系数热敏电阻，三个光电耦合器分别为IS011、IS012、IS013,电平转换芯片为65LN184，四个瞬态抑制二极管分别为TVSD1、TVSD2、TVSD3、TVSD4，两个负温度系数热敏电阻分别为RBUSA、RBUSB0所述的3G无线传输模块与控制模块之间设有接口电路；所述的接口电路包括有芯片MAX232和电脑DB9插头，单片机的串口 I接入MAX232的TlIN引脚，转换成RS-232数据后从TlOUT送到电脑DB9插头，电脑DB9插头的RS-232数据从RlIN输入转换成TTL/CM0S数据后从RlOUT输出并接入3G无线传输模块的信号输入端。所述的射频卡读写器模块的电路主要由FM1702SL及其外围电路组成，FM1702SL的引脚 MISO、SCK、MOSI、NSS、RSTPD 分别和单片机的 PAO、PA I、PA2、PA3、PA4 相连，FM 170 2 SL的射频信号发射阻抗匹配电路由L3、L4、C11、C12、C13、C14、C15、C16组成天线由L5、L6做成印刷版环形电路构成。与已有技术相比，本发明的有益效果在于
本发明所具有的具体技术优势有如下几个方面
I)针对目前单相居民用电的智能电表网络化水平低，智能化不高以及结构复杂等问题，本发明研究融合微电子、计算机、通信等技术将电参数检测、脱扣机构、保护、通信、界面等所有功能进行模块化集成，充分利用目前最先进的技术加强电表的网络通信功能，改善用电管理水平，最大程度的方便用户购电、分时段消费等使用。2)可以实现网络内每块电表的IC卡预付费、数据采集和远近程控制功能，采用FM1702SL芯片的非接触IC卡，用于采集网络系统内的每块智能电表的数据，同时可在每块电表上实现刷卡预付费功能和欠费控制功能，同时通过3G网络全天候地将采集到的数据上传到用电管理部门的数据中心进行汇总、分析、处理。3)完善的网络通信冗余功能，一般的智能表网络设计采用RS485通信协议。而本发明主要通信采用CAN通信协议。CAN(ControIIer Area Network)属于现场总线的范畴是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在多方面具有明显的优越性。本发明仍然保留485通信网络，两者互为备用，极大地提高了网络系统的可靠性，因为电表网络涉及到广大居民的实际利益，保证网络电表的通信畅通是极其必要的。4)采用3G高速数据远传技术，实时地将用户的用电记录、用电时间、预付费金额、剩余电量、剩余金额的等数据及时上传到用电管理部门以便于控制与决策。目前有使用电力载波进行数据抄表的系统，但由于电力载波线路的固有缺陷，难以做到数据的高准确率。如遇雷雨或极端灾害天气就很难保证通信的畅通与准确，且通信距离也受极大限制，远距离传输必须要加中继。而3G通信是基于专业的通信运营商且有完善的通信保障体系可以实现高速实时无扰动的远程抄表系统，并且通信不受距离的限制，使用专门开发的3G模块，只要在通信部门信号能够覆盖的地方都能实现3G通信。5)本发明不采用目前智能表的每块电表都有读卡器的设计，而采用每个局域网只 有主模块中有一个射频卡读写器，每个智能卡用户只要在主模块读卡器上进行刷卡即可，智能表网络系统将自动区分每个智能卡用户，在验证好用户信息及密码后会自动将用户的资料存储在对应的用户电表中。另外该智能电表还可以使用窃电报警功能，如果用户需要还可以将用户剩余电量、欠费提醒等信息通过3G发送到用户手机上(当然用户需提供接受手机号码给用电管理部门)。
图I为本发明的整体结构示意图。图2为本发明的电压信号调理电路的电路图。图3为本发明的电流信号调理电路的电路图。图4为本发明的单相电能采集模块的电路图。图5为本发明的CAN通信电路的电路图。图6为本发明的485通信电路的电路图。图7为本发明的3G无线传输模块与控制模块之间的接口电路的电路图。图8为本发明的FM1702SL射频卡读写器模块的电路图。
具体实施例方式为了进一步了解本发明的内容、特点以及功效，现配合附图详细对本发明进行如下说明
如图I所示，基于3G的单相智能抄表网络控制系统，包括有一个主模块和多个分模块，主模块、分模块均包括有控制模块I、信号调理电路2、单相电能采集模块3，控制模块I的主控芯片为单片机，信号调理电路2包括有电压信号调理电路、电流信号调理电路，单相电能采集模块3包括有电能采集芯片，居民单相电网的电压、电流信号输出端分别接入电压信号调理电路、电流信号调理电路的信号输入端，电压信号调理电路、电流信号调理电路的信号输出端接入单相电能采集模块3的电能采集芯片的输入引脚，单相电能采集模块3的电能采集芯片的输出引脚接入控制模块I的单片机；主模块还包括有通信模块、3G无线传输模块4、I2C模块5、射频卡读写器模块6、实时时钟同步模块7、键盘及显示模块8，通信模块包括有CAN通信电路9、485通信电路10、CAN连接线11、485连接线12，主模块的控制模块I的单片机分别与3G无线传输模块4、I2C模块5、射频卡读写器模块6、实时时钟同步模块7、键盘及显示模块8连接，主模块的控制模块I的单片机通过CAN通信电路9、CAN连接线11、485通信电路10、485连接线12与各个分模块的控制模块的单片机通信连接。控制模块I的单片机采用16位微控制器MC9S12X-S128飞思卡尔单片机。如图2、3所示，电压信号调理电路包括有电压互感器、抗混叠滤波器一，电流信号调理电路包括有电流互感器、抗混叠滤波器二 ；居民单相电网的电压、电流信号输出端分别接入电压互感器、电流互感器的交流信号输入端，电压互感器跨接电阻Rlo，电阻Rlo的两端分别与抗混叠滤波器一的电阻Rla、Rlb连接，电阻Rla、Rlb之间跨接两个串联的电容Cla、Clb，串联的电容Cla、Clb的两端分别连接有电阻R2a、R2b，电流互感器跨接电阻R3o，电阻R3o的两端分别与抗混叠滤波器二的电阻R3a、R3b连接，电阻R3a、R3b之间跨接两个串联的电容C3a、C3b，串联的电容C3a、C3b的两端分别连接有电阻R4a、R4b。如图4所示，单相电能采集模块3包括有电能采集芯片、电能脉冲信号显示电路； 电压信号调理电路中的电阻R2a、R2b接入单相电能采集模块的电能采集芯片的VREFA引脚，串联的电容Cla、Clb的两端分别接到电能采集芯片的电压差分输入引脚V3P、V3N，电流信号调理电路中的电阻R4a、R4b接入单相电能采集模块的电能采集芯片的VREFA引脚，串联的电容C3a、C3b的两端分别接到电能采集芯片的电流差分输入引脚V2P、V2N ;电能采集芯片的输出引脚CF1、CF2、CF3分别通过电阻RS、RP、RQ接入电能脉冲信号显示电路的LED指示灯 LED-S、LED-P, LED-Q,电能采集芯片的输出引脚 SPICLK、SPIDO、SPIDI、SPICS、IRQ分别接单片机的PB3、PB2、PB I、PBO、PB4引脚。如图5、6所示，CAN通信电路9包括有单片机内置的CAN控制器和CAN驱动电路，CAN驱动电路的主要芯片为82C250，485通信电路10包括有三个光电耦合器、电平转换芯片、四个瞬态抑制二极管和两个负温度系数热敏电阻，三个光电耦合器分别为IS011、IS012、IS013，电平转换芯片为65LN184，四个瞬态抑制二极管分别为TVSD1、TVSD2、TVSD3、TVSD4，两个负温度系数热敏电阻分别为RBUSA、RBUSB0如图7所示，3G无线传输模块4与主模块的控制模块I之间设有接口电路；接口电路包括有芯片MAX232和电脑DB9插头，单片机的串口 I接入MAX232的TlIN引脚，转换成RS-232数据后从TlOUT送到电脑DB9插头，电脑DB9插头的RS-232数据从RlIN输入转换成TTL/CM0S数据后从RlOUT输出并接入3G无线传输模块的信号输入端。如图8所示，射频卡读写器模块6的电路主要由FM1702SL及其外围电路组成，FM1702SL 的引脚 MISO、SCK、MOSI, NSS、RSTPD 分别和单片机的 PAO、PAU PA2、PA3、PA4 相连，FM1702SL的射频信号发射阻抗匹配电路由L3、L4、Cll、C12、C13、C14、C15、C16组成天线由L5、L6做成印刷版环形电路构成。本发明采用主/从结构，由单相智能电表主模块和若干智能电表分模块组成,分模块和主模块之间通过CAN和485总线进行数据传输。电表主模块采集单相电压、电流实时值、有功及无功功率以及功率因数等参数，附加上实时用电时段等信息，再通过智能电表的3G模块接口将用户的用电信息及时段信息无线发送给用电主管部门，各个用户分装的智能电表按单元或楼层甚至整栋楼住户互相通过CAN局域网总线相互连接，有主模块的智能电表统一发送，为了保证智能电表CAN局域网络的可靠性，对该网络有增加了 485通信联网功能，一旦CAN网络出现故障，可以自动启用485通信网络以保证局域网络通信的可靠性，两
者可以互为备用。
权利要求
1.一种基于3G的单相智能抄表网络控制系统,其特征在于包括有一个主模块和多个分模块，所述的主模块、分模块均包括有控制模块、信号调理电路、単相电能采集模块，所述的控制模块的主控芯片为高性能非思卡尔单片机，信号调理电路包括有电压信号调理电路、电流信号调理电路，単相电能采集模块包括有电能采集芯片，居民単相电网的电压、电流信号输出端分别接入电压信号调理电路、电流信号调理电路的信号输入端，电压信号调理电路、电流信号调理电路的信号输出端接入単相电能采集模块的电能采集芯片的输入引脚，単相电能采集模块的电能采集芯片的输出引脚接入控制模块的单片机；所述的主模块还包括有通信模块、3G无线传输模块、I2C模块、射频卡读写器模块、实时时钟同步模块、键盘及显示模块，所述的通信模块包括有CAN通信电路、485通信电路、CAN连接线、485连接线，所述的主模块的控制模块的单片机分别与3G无线传输模块、I2C模块、射频卡读写器模块、实时时钟同步模块、键盘及显示模块连接，所述的主模块的控制模块的单片机通过CAN通信电路、CAN连接线、485通信电路、485连接线与各个分模块的控制模块的单片机通信连接。
2.根据权利要求I所述的基于3G的単相智能抄表网络控制系统，其特征在于所述的 控制模块的单片机采用16位微控制器MC9S12X-S128飞思卡尔单片机。
3.根据权利要求I所述的基于3G的単相智能抄表网络控制系统，其特征在于所述的电压信号调理电路包括有电压互感器、抗混叠滤波器一，电流信号调理电路包括有电流互感器、抗混叠滤波器ニ ；居民単相电网的电压、电流信号输出端分别接入电压互感器、电流互感器的交流信号输入端，电压互感器跨接电阻Rlo，电阻Rlo的两端分别与抗混叠滤波器一的电阻Rla、Rlb连接，电阻Rla、Rlb之间跨接两个串联的电容Cla、Clb，串联的电容Cla、Clb的两端分别连接有电阻R2a、R2b，电流互感器跨接电阻R3o，电阻R3o的两端分别与抗混叠滤波器ニ的电阻R3a、R3b连接，电阻R3a、R3b之间跨接两个串联的电容C3a、C3b，串联的电容C3a、C3b的两端分别连接有电阻R4a、R4b。
4.根据权利要求I或2或3所述的基于3G的単相智能抄表网络控制系统，其特征在于所述的单相电能采集模块包括有电能采集芯片、电能脉冲信号显示电路；电压信号调理电路中的电阻R2a、R2b接入单相电能采集模块的电能采集芯片的VREFA引脚，串联的电容Cla、Clb的两端分别接到电能采集芯片的电压差分输入引脚V3P、V3N,电流信号调理电路中的电阻R4a、R4b接入单相电能采集模块的电能采集芯片的VREFA引脚，串联的电容C3a、C3b的两端分别接到电能采集芯片的电流差分输入引脚V2P、V2N ;电能采集芯片的输出引脚CFl、CF2、CF3分别通过电阻RS、RP、RQ接入电能脉冲信号显示电路的LED指示灯LED-S、LED-P、LED-Q，电能采集芯片的输出弓 I脚 SPICLK、SPIDO、SPIDI、SPICS、IRQ 分别接单片机的 PB3、PB2、PB1、PB0、PB4 引脚。
5.根据权利要求I所述的基于3G的単相智能抄表网络控制系统，其特征在于所述的CAN驱动电路的主要芯片为82C250，485通信电路包括有三个光电耦合器、电平转换芯片、四个瞬态抑制ニ极管和两个负温度系数热敏电阻，三个光电耦合器分别为IS011、IS012、IS013，电平转换芯片为65LN184，四个瞬态抑制ニ极管分别为TVSD1、TVSD2、TVSD3、TVSD4，两个负温度系数热敏电阻分别为RBUSA、RBUSB0
6.根据权利要求I或2所述的基于3G的単相智能抄表网络控制系统，其特征在于所述的3G无线传输模块与控制模块之间设有接ロ电路；所述的接ロ电路包括有芯片MAX232和电脑DB9插头，单片机的串ロ I接入MAX232的TlIN引脚，转换成RS-232数据后从TlOUT送到电脑DB9插头，电脑DB9插头的RS-232数据从RlIN输入转换成TTL/CM0S数据后从RlOUT输出并接入3G无线传输模块的信号输入端。
7.根据权利要求I或2所述的基于3G的単相智能抄表网络控制系统设计，其特征在于所述的射频卡读写器模块的电路主要由FM1702SL及其外围电路组成，FM1702SL的引脚MISO、SCK、MOSI、NSS、RSTPD 分别和单片机的 PAO、PA1、PA2、PA3、PA4 相连，FM1702SL 的射频信号发射阻抗匹配电路由L3、L4、C11、C12、C13、C14、C15、C16组成天线由L5、L6做成印刷版环形电路构成。
全文摘要
本发明公开了一种基于3G的单相智能抄表网络控制系统，包括有一个主模块和多个分模块，主模块、分模块均包括有控制模块、信号调理电路、单相电能采集模块，控制模块的主控芯片为单片机，居民单相电网的电压、电流信号分别接入信号调理电路，信号调理电路的信号输出端接入单相电能采集模块的电能采集芯片的输入引脚，单相电能采集模块的电能采集芯片的输出引脚接入控制模块的单片机；主模块还包括有与单片机连接的通信模块、3G无线传输模块、I2C模块、射频卡读写器模块、实时时钟同步模块、键盘及显示模块，主模块通过通信模块的CAN通信电路、485通信电路与各个分模块通信连接。本发明了具有电表网络集成、3G无线抄表、IC卡智能管理与消费等功能。
文档编号G08C17/02GK102737488SQ20121013744
公开日2012年10月17日 申请日期2012年5月5日 优先权日2012年5月5日
发明者方向红, 李善田, 许广彬 申请人:方向红, 李善田, 淮南联合大学, 许广彬