无线抄表检测系统的设计与实现

1 引言
    目前我国主要是依靠人工抄表收费，但存在入户难、企业管理费用开支高、效率低等诸多问题，已不能适应社会发展要求．智能化网络自动抄表系统成为必然趋势。而自动抄表技术的关键是改造传统的电表电量计量，即传统电表的电量检测与控制是实现自动抄表的核心。实现方法众多，如数字电表、基于IC卡电表等，但我国许多用户还是采用传统的磁电式电表。因此改造该电表是首要问题。传统的磁电式电表检测是利用红外检测、光电检测等方法，然后利用无线或红外发送方式传送到计算机或掌上机，以实现自动抄表。这里提出的无线抄表检测系统是基于掌上无线近距离抄表系统，检测电能表的转数，通过串行通讯口传送数据到掌上抄表器．从而控制断／送电。

2 无线抄表系统结构组成
    无线抄表检测系统由电表检测单元、掌上抄表器、管理计算机等3部分组成，如图1所示。

2．1 电表检测单元
    使用光电头改造传统的感应式电能表，以检测每个用户电能表的转数。每片单片机控制8个用户的电表信息。每个电能表经一路继电器控制断，送电功能，采用X24C45型EEPROM兼看门狗电路来保存每个电能表内的转数数据，并利用PTR2000型无线收发器收发信息。
2．2 掌上抄表器
    掌上抄表器使用功耗低、工作可靠的AT24C512型串行EEPROM存储器；通过并行输出的128×64点阵LCD显示器作为人机界面，显示抄表提示等信息；通过DS1302器件获得抄表时间等信息；选用MAX813型电压检测器检测电池供电电压，同时该器件还具有看门狗的功能；利用PTR2000型无线收发器实现掌上抄表器与电表检测单元的通讯；并利用MAX232将掌上抄表器的用户抄表信息传送到管理计算机，从而实现用户信息的计算机管理。
2．3 管理计算机
    管理计算机是系统管理级，采用通用的微型计算，操作系统Win98以上。开发环境VB6．0和SQL2000，标准的Win-dows操作界面，使用方便。具有与掌上抄表器通讯、存储数据、查询打印电量电费、营业缴费等功能。

3 电表检测模块硬件电路设计
    光电采集的电信号通过微控制器单片机处理、存储数据，当接收到掌上机发送数据命令时，通过无线收发模块PTR2000将数据发送到掌上机，单片机的P2端口连接继电器向用户断／送电，当用户欠／补交电费时，通过掌上机的断／送按钮发出命令，使单片机接收到继电器动作命令，从而控制用户断／送电。而电表端检测部分硬件电路包括：光电检测、非易失性存储器X24C45、无线收发等模块。
3．1 光电检测模块
    光电检测模块是准确测量用户电表表盘转数。常用检测方法：红外线对射式和反射式。而采用红外线对射式方法实现该系统设计较复杂，需将用户电表的表盘打孔。但采用红外线反射式方法较简单。只需在用户的表盘上做明显标记。因此该系统检测选用RPR220型反射式红外线识别传感器。在用户的电表表盘的某处用暗色油漆做标记，采用RPR220识别无、有标记处，通过电压比较器比较输出高低电平信号，当检测到有标记时，比较器输出高电平，发光二极管不发光；当检测到无标记时，比较器输出低电平，发光二极管发光。图2为光电检测部分电路原理。

3．2 存储器模块
    由于该系统检测模块需要储存大量数据，并具有掉电自动保存数据功能，X24C45是按16x16方式组织的SRAM和EEPROM位对位构成的串行256位NOVRAM(非易失性SRAM)，另外，X24C45具有上电时自动调出，掉电时自动存储(Autostore)数据的功能，所以这里采用X24C45实现数据存储功能。上电后，SRAM和EEPROM的数据互相传送。对SRAM操作，读写次数无任何限制。一旦电源电压降至4．3 V以下，数据便自动从SRAM保存到EEPROM中。为保证数据能够可靠存入EEPROM，电源电压不能下降太快，其典型时间为5 ms，带有电容的系统中一般都能够满足。EEPROM具有1 000 000次的存储寿命，数据可保存100年以上。
    X24C45的读写操作都是针对SRAM的，因而其读写次数无限制。X24C45内部有8位指令寄存器，单片机通过SK和DI进行访问。在整个数据操作期间，CE必须保持高电平。图3为X24C45与AT89C51单片机的接口电路。

3．3 无线收发模块
    该系统选用PTR2000作为无线收发模块。该器件是基于nRF401器件的无线数据收发模块，利用串口传输数据。无线数据收发模块是单片机测控系统的一个特殊执行模块。单片机间的无线数据传输过程：单片机处理需要发送的数据，利用串口将数据传输到无线数据传输模块的发送端，串行信号经调制后发送到接收端，单片机利用串口读取接收端数据，完成无线数据的传输。
3．4 看门狗模块
    看门狗电路是对用电系统突然掉电或欠电压保护的装置。该系统选用基于PC817C和LM7805的用电系统的掉电保护装置，保存每个电能表的转数数据。该装置在用电系统出现低电压尺寸，是由于LM7805稳压范围较小，不可能继续稳定在5 V，所以此时CPU不能接收用电系统欠电压的低信号，导致数据丢失。而MAX813的掉电保护装置不会出现上述现象，采用LM2576代替LM7805将得到更宽泛的工作电压范围，同时也能输出更稳定的电压，使MCU有足够时间保存数据，这样可避免MCU因接收不到电压偏低信号而导致数据丢失。

4 电表检测模块软件设计
    电表端检测部分所设计包括：主程序、数据信号采集、无线收发(中断方式)，数据存储等部分，因此需统筹设计无线收发电路(中断方式)、存储器电路。数据信号采集部分软件设计将采集的信号通过单片机处理将数据保存到存储器X24C45中，通过无线收发模块PTR2000接收掌上机发送的命令，单片机执行相应操作，将存储的数据发送给掌上机系统或控制用户的断／送电。同时启动看门狗电路，防止突然掉电使数据丢失。图4为电表检测模块的主程序流程。

5 结束语
    无线掌上抄表系统是以单片机为控制器，以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠的特点应用于该系统。解决了目前传统抄表中的入户难、企业管理费用开支高、查表收费人员工作条件差、效率低、劳动强度大等问题。自动抄表系统是我国抄表行业的必然发展趋势。