【摘要】：該設計解決了IC卡預付費電能表存在的問(wèn)題，同時(shí)繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門(mén)的管理微機通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )對電能表進(jìn)行管理，以防止用戶(hù)竊電；選用射頻卡作為用戶(hù)卡以解決IC卡易被污染和損壞的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】：IC卡預付費電能表；RS485網(wǎng)絡(luò )：射頻卡

0引言

IC卡預付費電能表采用先購電后用電的管理模式，在一定程度上解決了電力部門(mén)收取電費難的問(wèn)題。然而IC卡預付費電能表存在很大的問(wèn)題，首先是由于電力部門(mén)缺乏對IC卡電能表用戶(hù)的監管，當IC卡被破密后，很難發(fā)現和查處，導至國家損失大量的電費；其次IC卡易被污染和損壞等。

本設計的主要目的就是為了解決IC卡預付費電能表的存在的問(wèn)題，同時(shí)繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門(mén)的管理微機通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )對電能表進(jìn)行管理，以防止用戶(hù)竊電；選用射頻卡作為用戶(hù)卡以解決IC卡易被污染和損壞的問(wèn)題。

1電能表管理系統

為了降低成本，管理微機既作為電能表用電管理上位機，同時(shí)還和發(fā)卡機一起完成發(fā)卡任務(wù)。電能表管理系統如圖1所示。

圖1電能表管理系統圖

管理微機與發(fā)卡機通過(guò)COM1來(lái)實(shí)現通信，采用RS232C通信接口標準。管理微機與電能表通過(guò)COM2來(lái)實(shí)現通信，采用RS485通信接口標準。

發(fā)卡機具備射頻卡讀寫(xiě)功能。其主要作用是讀寫(xiě)射頻卡，與管理微機一起實(shí)現用戶(hù)的開(kāi)戶(hù)、交費、注銷(xiāo)、電量查詢(xún)等功能。

2基于射頻識別技術(shù)的電能表其主要的工作原理

1. 用戶(hù)用電前需要先到電力管理部門(mén)購買(mǎi)射頻卡和預交電費，由管理部門(mén)把用戶(hù)的信息及購電量錄入管理微機并由發(fā)卡機寫(xiě)入射頻卡。

2. 當用戶(hù)持有效射頻卡掠過(guò)電能表時(shí)，電能表內的讀寫(xiě)模塊首先對射頻卡進(jìn)行驗證，通過(guò)驗證后讀取射頻卡的信息，當卡內電費充足時(shí)為用戶(hù)供電，同時(shí)把用戶(hù)信息寫(xiě)入EEPROM，且電能表開(kāi)始計量用電量。

3. 電能表采用遞加計量的方式，用電量存儲在EEPROM中，且用電量每增1度存儲器存儲一次。電能計量精度為0.01度。

4. 管理微機采用RS485串行通信接口標準定時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上的各個(gè)電表采集用電數據，用電數據經(jīng)管理微機處理后列出兩個(gè)名單(電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單)向網(wǎng)絡(luò )中的電能表廣播。電能表在確認用戶(hù)卡上了黃名單后聲音與指示燈報警，提醒用戶(hù)及時(shí)充值，但電能表繼續為用戶(hù)供電；電能表在確認用戶(hù)卡上了黑名單后，聲音與指示燈報警，且停止為該用戶(hù)供電，退出該用戶(hù)卡，電能表處于待機狀態(tài)。

5. 用戶(hù)想終止用電，只需將射頻卡再次靠近電能表，電能表再次讀取射頻卡內的信息，把卡內電量減去本次用電量，且把運算結果回寫(xiě)射頻卡內。同時(shí)電能表斷開(kāi)繼電器，停止為該用戶(hù)供電。

6. 電能表在為某用戶(hù)供電過(guò)程中，其它射頻卡則不能刷卡用電，只有在電能表待機時(shí)才能接受另一用戶(hù)卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為lOOmm左右，因此當有卡路過(guò)某電能表時(shí)，卡與電能表距離較遠不會(huì )觸發(fā)電能表。

7. 一張卡可以在不同的電能表中使用，且可以在多個(gè)電能表上同時(shí)使用。

8. 在用電過(guò)程中如出現斷電，通過(guò)備用電池將用戶(hù)本次用電量存入EEPROM中。來(lái)電后，電能表繼續為該用戶(hù)供電。如用戶(hù)不想下次來(lái)電后繼續供電，只需將射頻卡再次靠近電能表，取消供電，來(lái)電后電能表將處于待機狀態(tài)。

3電能表系統硬件構成

電能表硬件結構如圖2所示，整個(gè)系統由七大部分組成：射頻卡讀寫(xiě)模塊、電能計量模塊、存儲器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報警等。系統采用模塊化設計思想，以MCU為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個(gè)統一的系統。以下各節是系統各部分的具體設計方案。

圖2系統結構方框圖

4軟件模塊的構成

4.1軟件模塊的劃分

軟件采用模塊化設計，共劃分為五大模塊(如圖3)，分別為與管理微機的通訊模塊、電能計量模塊、聲光報警模塊、射頻卡讀寫(xiě)模塊以及黑黃名單的驗證模塊。為了實(shí)現每個(gè)大模塊的功能，又把每個(gè)大模塊劃分為若干個(gè)相應的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統的初始化、中斷管理和監視以及各功能模塊的調用等。

圖3軟件模塊結構圖

4.2主程序設計

設定MCU內部RAM的78H作為黑、黃名單標志單元，當78H數據為#FFH時(shí)，指示用戶(hù)卡已上黑名單；當78H數據為#FEH時(shí)，指示用戶(hù)卡已上黃名單；為其它數據則表明用戶(hù)卡未上黑(黃)名單。在進(jìn)行黑、黃名單驗證時(shí)，程序根據驗證結果對RAM的78H寫(xiě)入對應的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無(wú)刷卡標志單元，如電表當前已有用戶(hù)卡在消費，79H的內容為#FFH；當無(wú)用戶(hù)卡在消費(電表處于待機狀態(tài))時(shí)，79H的內容為#00H；當正在消費的用戶(hù)卡第二次刷卡后，79H的內容為#FEH，此時(shí)主程序檢測到這一狀態(tài)后，斷開(kāi)用戶(hù)供電，計算本次用電后用戶(hù)的電費余額，且將余額回寫(xiě)射頻卡。

主程序流程圖如圖4，系統上電時(shí)進(jìn)行系統初始化，開(kāi)放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當無(wú)刷卡中斷時(shí)，則不斷循環(huán)檢測卡片標志單元79H。當刷卡時(shí)，射頻接口模塊通過(guò)INT0請求中斷，MCU響應中斷請求，調用讀卡子程序，此時(shí)分為兩種情況：1、如電能表處于待機狀態(tài)，則接收刷卡，讀出卡內信息，同時(shí)，置RAM中79H的值為#FFH，然后返回主程序。主程序調用黑黃名單驗證子程序，如用戶(hù)卡已上電量不足的黑名單則報警同時(shí)返回主程序；當用戶(hù)卡上電量小于10度的黃名單時(shí)報警但繼續為該用戶(hù)供電，直到電費全部用完后停止供電；當用戶(hù)卡不上黑黃名單時(shí)，則正常為該用戶(hù)供電，同時(shí)調用電能計量程序。2、如電能表處于非待機狀態(tài)，說(shuō)明電能表正在為一用戶(hù)卡供電，此時(shí)首先判斷本次的刷卡卡號與正在用電的用戶(hù)卡號是否相同，如相同則為該用戶(hù)的二次刷卡，射頻接口程序把RAM的79H置#00H，然后返回主程序。主程序在檢測出79H的數據為#00H后，判斷為是用戶(hù)取消供電，主程序調用電量核算程序，把該用戶(hù)的卡內余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調用寫(xiě)卡子程序把新的電量余額回寫(xiě)卡內；如本次刷卡卡號與正在用電的用戶(hù)卡號不同，則本次刷卡無(wú)效。

電能表在執行電能計量程序的過(guò)程中，也能響應中斷程序。在每次執行了黑黃名單接收程序后，進(jìn)行一次黑黃名單驗證，根據驗證結果對RAM的78H寫(xiě)入對應的值，然后返回電能計量程序。計量程序檢測78H的值，如為#FFH表明用戶(hù)卡已上新的黑名單，調用報警程序，然后切斷用戶(hù)供電，返回主程序。

圖4主程序流程圖

4.3電能計量程序設計

電能計量子程序流程圖如圖5所示。電能計量采用遞加的方式，單片機的P3.4(TO)端輸入用電計量脈沖，計滿(mǎn)3200個(gè)脈沖為一度電，用電量加1，數碼顯示加1。用電量存儲在EEPROM中，每增1度電則電量重新存儲一次，管理微機定時(shí)從各個(gè)電表的EEPROM中采集用電數據。

4.4射頻接口程序

MFRC500能執行有限的一些指令，并將這些指令傳輸到MIFARE1用戶(hù)卡片上，單片機對MFRC500的某一指令操作不是簡(jiǎn)單的一條指令所能完成的，需要有一個(gè)程序序列來(lái)完成，其中有對MFRC500硬件內核寄存器的設置以及判斷。在進(jìn)行讀寫(xiě)數據或增、減值操作之前還需要經(jīng)過(guò)復位應答、防碰撞、選卡及認證過(guò)程。操作流程圖如圖6所示。本設計采用基于KeilC的C語(yǔ)言進(jìn)行編程，調用Philips公司提供的基本庫函數來(lái)實(shí)現各種功能。

圖5電能計量程序圖圖6操作流程

4.5軟件調試及仿真

本設計采用KeiluVision2調試單片機軟件，管理微機的管理數據庫采用SQLserver2000編寫(xiě)。通過(guò)幾次軟件修改與電路調試現已實(shí)驗成功，電度表能達到設計所預期的功能，包括多張用戶(hù)射頻卡的讀寫(xiě)，與主機的通訊，電能計量、顯示、存儲等。

5預付費遠程電能管理系統結構

預付費遠程電能管理系統使用安科瑞智能管理軟件，通過(guò)用戶(hù)安裝的通訊設備與智能電能表進(jìn)行通訊，實(shí)現對多用戶(hù)智能電能表的抄表、控制、管理。其組成結構如圖2所示：

圖7預付費遠程電能管理系統結構圖

5.1管理層

管理層是系統的*上層部分，通過(guò)對現場(chǎng)所采集的各項數據進(jìn)行分析、計算和處理，將*終得到的結論以圖形、聲音等方式展示出來(lái)，使管理人員隨時(shí)掌握現場(chǎng)的運行情況。主要包括系統軟件和配套的硬件設施，如服務(wù)器、射頻讀卡器。

5.2通訊層

通訊管理層是系統間數據傳輸的橋梁，主要作用是集中處理485總線(xiàn)上的所有儀表信息，完成遠程抄表和數據上傳的功能，以及處理服務(wù)器端的各類(lèi)遙控執行指令。主要設備有通訊適配器、網(wǎng)絡(luò )適配器、物聯(lián)網(wǎng)模塊。

5.3設備層

設備層是數據測量的基礎，是構建系統的必要元素，主要包括系統網(wǎng)絡(luò )中用于測量用電信息的各類(lèi)之智能電表。

6預付費遠程電能管理系統技術(shù)特點(diǎn)

智能網(wǎng)絡(luò )電表采用國際超大規模集成電路及SMT工藝制造，集成化程度高，體積小，功耗低、精度高；

系統網(wǎng)絡(luò )通訊使用防雷電路，內部強電與弱電采用鍍鋅屏蔽板進(jìn)行隔離，對通訊電路與其他電路分離處理，使之具備更強的抗干擾能力；

智能網(wǎng)路電表內部采用多CPU結構，一個(gè)主管計量，一個(gè)主管通訊、顯示和指示，一個(gè)負責檢測狀態(tài)，各CPU相互獨立工作，互不影響；

過(guò)載保護(限流)功能：當用戶(hù)使用的負載超過(guò)規定負載時(shí)，系統將啟動(dòng)過(guò)載保護，自動(dòng)切斷該用戶(hù)電源供電；

控制功能：系統可以對用戶(hù)進(jìn)行遠程通斷電控制；斷電自動(dòng)回復功能：在規定的斷電次數內，用戶(hù)觸發(fā)過(guò)載保護后，待負載降至允許范圍內系統將自動(dòng)恢復供電；系統可依據實(shí)際需求對單三相戶(hù)數進(jìn)行設置，但不能超過(guò)電表已配置回路數；

數據安全：系統網(wǎng)絡(luò )使用加密算法對各項數據進(jìn)行加密處理，保證信息安全。

7預付費遠程電能管理系統功能特點(diǎn)

本系統采用DD/TSY1352型智能電表，具備體積小、精度高、管理功能強大等特點(diǎn)，可以實(shí)現對用戶(hù)用電的精確管理，包括預付費、惡性負載識別、定時(shí)斷送電、電價(jià)調整、用戶(hù)用電狀態(tài)監控、在線(xiàn)控制、透支用電、數據統計查詢(xún)分析等智能管理功能，可以對項目的能耗情況及實(shí)時(shí)能耗量進(jìn)行有效的監控及管理。

產(chǎn)品遠傳遠控，節省人力，實(shí)現強大管理功能，可通過(guò)多種方式方便組網(wǎng)，如RS485專(zhuān)線(xiàn)、電話(huà)網(wǎng)絡(luò )、以太網(wǎng)、光纖、無(wú)線(xiàn)、GPRS等；組網(wǎng)后，管理方只需要一個(gè)人，就可以通過(guò)電腦對所有用戶(hù)的用電情況進(jìn)行監測及管理，避免了大量工作人員現場(chǎng)抄表或插卡售電，節省的大量的人力及精力，特別適合用戶(hù)數量眾多的大型商業(yè)、寫(xiě)字樓的用電管理；

系統具備分級授權的功能，各軟件操作人員由自己的賬號及權限，各司其責，提高工作效率，系統會(huì )自動(dòng)記錄每個(gè)操作員登陸后進(jìn)行的操作，防止工作人員；

系統采用無(wú)卡式售電，用戶(hù)買(mǎi)的電，直接充值到用戶(hù)電表上，不需要在買(mǎi)電后再跑回去插卡，使用方便；將電純粹作為一種商品對待，可買(mǎi)可退，可批量售電，可預置，可清零，可打印單據；

系統具備智能用電管理功能，可以在線(xiàn)控制每個(gè)房間或整棟建筑的通電斷電，方便處理突發(fā)事件或進(jìn)行設備檢修；可以限制每個(gè)用戶(hù)使用的*大負荷，保障主電網(wǎng)供電穩定；

系統具備惡性負載識別功能。系統將熱得快、電茶壺、電吹風(fēng)等容易引起火災等安全隱患的用電設備定義為惡性負載，可以自動(dòng)識別此類(lèi)惡性負載，并選擇禁止使用或允許使用。系統通過(guò)多種參數對負載類(lèi)型進(jìn)行識別，識別精確度高，且可以識別市面上流通的智能插座等改變惡性負載設備電氣特性的產(chǎn)品，杜絕用戶(hù)通過(guò)智能插座使用惡性負載。

系統具備定時(shí)功能，每天都可以設置八個(gè)時(shí)間段，到時(shí)間段自動(dòng)執行通電或斷電操作，方便了商戶(hù)的用電管理，避免了工作人員挨個(gè)拉閘的繁瑣操作。

系統具備同一房間多個(gè)回路計量、分路管理功能。照明、插座、空調等可以各設一個(gè)回路，每個(gè)回路可以執行獨立的通斷電狀態(tài)及管理設置，統一計費。

系統可以實(shí)時(shí)查詢(xún)用戶(hù)的用電狀態(tài)、斷電記錄等，包括用戶(hù)當前工作狀態(tài)及功率、功率因數等，*近10次斷電時(shí)間及原因；便于管理方實(shí)時(shí)掌握用戶(hù)用電情況，同時(shí)用戶(hù)對用電有疑義時(shí)可以方便地調出記錄；

系統具備低電量報警功能，當用戶(hù)電量低于預警值時(shí)，電表顯示窗上會(huì )不停閃爍，并可以選擇是否斷電一分鐘進(jìn)行報警；同時(shí)操作員可以通過(guò)軟件打印處報表張貼出來(lái)，提醒用戶(hù)買(mǎi)電；若項目配備了短信或語(yǔ)音模塊、液晶可視查詢(xún)終端、LED大屏幕等輔助設備，還可以通過(guò)這些輔助設備進(jìn)行自動(dòng)報警，如給客戶(hù)發(fā)低電量提醒短信等；

系統具備統計查詢(xún)功能，系統的所有管理操作以及用戶(hù)的所有用電信息都可以進(jìn)行統計分析，系統自動(dòng)計算并生成報表，例如售電記錄、用戶(hù)用電量記錄等，為管理方提供直觀(guān)而詳盡管理依據，可以隨時(shí)看到電費收支情況，及時(shí)調整用電策略；

系統具備水電氣暖多能耗管理功能，通過(guò)一套系統及相應基表，就可以對整個(gè)項目的用電、用水等能耗進(jìn)行綜合管理；系統具備卡片式管理功能，每個(gè)用戶(hù)一張感應卡（可兼容

其他廠(chǎng)家一卡通），通過(guò)卡片隨時(shí)查詢(xún)自己的用電信息，在通訊網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)也可以通過(guò)卡片實(shí)現買(mǎi)電、恢復供電等應急功能。

產(chǎn)品采用標準的接口以及通訊協(xié)議，可以通過(guò)RS485接口、交互式數據庫或TCP/IP接口等，與一卡通、消防、門(mén)禁、樓宇自控、財務(wù)等其他系統進(jìn)行數據的共享，實(shí)現集團綜合管理，更好地體現管理的智能化、一體化；集團各部門(mén)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合管理集團用電，只要有互聯(lián)網(wǎng)信號的地方，就可以通過(guò)相應權限的賬號進(jìn)入能耗管理系統進(jìn)行管理。

8安科瑞Acrelcloud-3200預付費水電云平臺應用方案

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預付費電能表及DTSY-1352三相電子式預付費電能表配套的售電管理系統。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。主要完成電能表/水表參數設置，商戶(hù)售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現物業(yè)公司遠程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)監控，具有良好的人機界面，能夠有效的統計和管理數據。安裝方便，是用電管理部門(mén)、商業(yè)廣場(chǎng)和物業(yè)小區，提高用電用水管理水平，解決收費難問(wèn)題的理想產(chǎn)品。

8.1應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、商業(yè)廣場(chǎng)、公寓酒店、物業(yè)小區、寫(xiě)字樓、物流倉儲、高校、連鎖超市、智慧園區、農貿市場(chǎng)等場(chǎng)所。

8.2系統結構

8.3系統功能

8.3.1房間監控

清晰簡(jiǎn)潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線(xiàn)失連情況，費用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對房間當前實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查看，并可了解當天用電量和使用金額情況，可對房間內的電表進(jìn)行各種遠程控制操作，比如開(kāi)戶(hù)、電價(jià)設置，售電、退電、報警金額設置、分合閘操作等等。

8.3.2電戶(hù)開(kāi)表

系統針對商鋪開(kāi)戶(hù)不僅支持一戶(hù)一表，也支持一戶(hù)掛多表的需要;支持自定義電價(jià)方案，單一電價(jià)、尖峰平谷電價(jià)、階梯電價(jià)等:支持預先設置開(kāi)戶(hù)信息后期一鍵開(kāi)戶(hù);支持設置電表合額告警默認三級告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機短信，APP推送，郵件、語(yǔ)音外呼、公眾號推送等。

8.3.3充電繳費

可以對已開(kāi)戶(hù)的電表進(jìn)行遠程充值，電費實(shí)時(shí)下發(fā)到電表。電表會(huì )根據電度走字實(shí)時(shí)扣除電費同時(shí)系統也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統賬戶(hù)，到賬快速穩定。

8.3.4財務(wù)管理

訂單總覽，包含系統里所有水電充值退費記錄，以及物業(yè)費扣費流水記錄。收入概況，可以從日，月，年，時(shí)間跨度等不同維度統計水電費收入情況，收入組成。

8.3.5報表

系統還提供了多個(gè)報表以供查詢(xún)。用電綜合報表，幫助財務(wù)統計每個(gè)月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費，能耗同比分析，可以比較每個(gè)月份與去年同期相比的用能差距。能耗日月年報表，按日，月，年三個(gè)不同維度查詢(xún)電表每個(gè)階段的用能情況。

8.3.6批量操作

為了方便用戶(hù)對大量?jì)x表進(jìn)行管理和設置，可以在系統中新建批量操作任務(wù)，比如設置電價(jià)、電表控制、儀表設置、充值等，批量任務(wù)可以立即執行，也可以定時(shí)執行。

8.3.7自定義收費方案

為了靈活應對用戶(hù)多種多樣的收費方案，比如物業(yè)費，房租，服務(wù)費等，系統支持用戶(hù)自定義收費項目。收費方式可設置直接從賬戶(hù)扣除或者生成催繳賬單，可設置周期性收費或者一次性收費，可以按固定金額收費或者按房間面積換算等等。

8.3.8公共區域用電分攤

某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統每個(gè)月自動(dòng)將主表的用電按比例換算成電費從子表中扣除，這樣可以剩余人工統計的麻煩。公攤方式多樣，可以根據比例公攤，按房間面積公攤，按用量公排，收費方式有直接扣費或者生成維費賬單。

8.3.9后付費模式

按日期生成后付費用戶(hù)周期用電費用，對數據進(jìn)行確認后生成繳費賬單方便追蹤客戶(hù)繳費情況可導出繳費賬單以及欠費賬單通知客戶(hù)。

8.3.10公眾號在線(xiàn)支付

 用戶(hù)可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢(xún)電表使用情況以及繳費。

8.4系統硬件配置

9結束語(yǔ)

本設計解決了IC卡預付費電能表存在的問(wèn)題，同時(shí)繼承了先購電后用電的管理模式。本設計形成產(chǎn)品后市場(chǎng)前景廣闊，對于我國電力市場(chǎng)的規劃管理將起到積極的作用。

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