基于嵌入式的智能抄表管理系统设计

引 言

随着社会的不断发展进步以及电子信息技术的不断完善， 低功耗无线抄表技术日渐成熟，本设计提出了一种基于无线数据传输及数据分析的民用住宅智能电力管理系统平台。智能电力管理系统平台极大地解放了生产力，系统的应用可以替代传统意义上的水，电，气，暖等计量方式，利用计算机与物联网技术使繁重复杂的工作变得轻松准确，极大地节省了劳动力。

1 系统总体构架

系统主要构架包含数据集中器、数据采集器、GPRS- DTU 通信模块、终端服务器和系统各模块间通信协议等设计。

1.1 数据集中器设计

数据集中器的设计主要是将整理采集的数据分析处理后，根据具体情况向用户以及用电管理部门发送相应的数据信息，具体功能如下：

(1) 集中器的机构设计。集中器上行通信信道选用 GPRS 无线通讯，USART通信是下行通信信道，即集中器与电表通过RS485总线进行数据传输；

(2) 通信链路设计。利用 USART1在集中抄表系统下的通信信道 USART1通过ADM2483芯片实现将TTL电平信号转换为RS485 电平信号；

(3) 通信协议的制定。通信协议为集中器与电表通信帧格式。包括目的集中器号、源集中器号、控制码、数据长度、所接电表数量、数据及校验码；

(4) 集中器与电表通信帧格式说明。目的集中器为主机， 源集中器为从机，帧起始符号标志一帧信息的开始，结束符标志一帧的结束，地址号表示用户；

(5) 系统数据库建立， 通过 C# 编写的上位机软件将GPRS（1）传送到数据进行简单处理之后存储到 SQL Server数据库中以备大量数据的分析。

1.2 数据采集器设计

数据采集器主要由主控制器，复位电路，电源管理电路， 键盘事件，光电耦合隔离电路及RS-485电路组成。数据采集器主要功能为读取多功能电能表中数据，关键部分为RS-485 电路和光电耦合隔离电路的设计。具体结构如图 1所示。

系统中数据采集器的上电复位和手动复位往往是同时工作，如果某个 TIL117 的DE 端为“1”，则 485 总线将会被占用，其他分机则无法与集中器通信复位。所以必须保证系统上电复位和手动复位时 TIL117 的DE 端口为“0”，因此系统添加的光电耦合模块保证了上电复位和手动复位时 DE 引脚为“0”，从而很好地解决了上述问题。

1.2.1 电源管理

本系统电源部分涵盖备份电压及电压调节器。备用电源用于备份域，即电源引脚 VBAT，一般采用电池或其它电源连接到VBAT引脚。VDD电源保存备份寄存器的内容。VBAT 引脚也可以提供实时时钟供电，保证当主电源被切断时，RTC 可以继续工作。如果外部电池不使用，VBAT必须连接到VDD引脚。电压调节器为STM32提供 1.8 V电源，这时 3.3V的电源系统提供用于STM32 的 1.8 V 电压。本设计采用外部提供的 5 V 直流电源，通过 1117-3.3 系列芯片将电压转换为直流 3.3 V 。

1.2.2 液晶显示电路

集中器将采集到的数据通过 TFT 液晶屏的形式显示出来。TFT 液晶屏的控制端与微控制器在连接好的情况下，通过 SPI 给定相应的命令完成对显示环境的初始化配置，其中主要包括对背光亮度、数据大小、文字类型等进行相应的配置。

1.2.3 485通信模块

考虑到电路板体积与功耗问题，集中器RS-485 模块采用ADM2483。ADM2483 是由ADI 推出的一款隔离性 485 芯片，其内部集成了一个三通道的磁隔离器和半双工485 接收器。500V的隔离电压能力，传输速率高达 500k，但此电路需要双电源供电，具体连接图如图 2 所示。

2 软件设计

2.1 数据集中器软件设计 

数据集中器是整个系统的核心主控部分，其程序流程的 合理性与鲁棒性直接影响着系统的成功。首先，启动系统并 做一系列的初始化与复位工作，主要包括系统时钟初始化，延 时系统初始化，串口初始化，RS-485 通信模块初始化，液晶 初始化，LED 初始化以及按键事件初始化。初始化完成之后 系统分为两条主线，其一，集中器按键事件 ：RS-485 模块向 数据采集器发出采集电度表数据命令，或数据集中器收到远 端服务器发出的采集数据命令 ；其二，数据集中器收到由数 据采集器传来的数据，数据集中器通过 ADM2483 将信号转 换为 RS 232 信号，数据集中器将数据解码分析后通过 GPRS 模块将数据传输到远端的数据中心。具体流程如图 3 所示。 

2.2 数据采集器软件设计 

2.2.1 RS-485 采集

RS-485 采集软件编程的稳定性是设计承购的关键。通 过发送一个帧格式的通信数据，每个数据包中包含启动代码、 地址码长度码、顺序码、校验码、内容。为了稳定工作，将其 写在 RS 485 总线模式切换时间短的延迟，然后进行数据的发 送和接收。

2.2.2 数据发送方法 

发送数据的具体方法，先设定 &quot ；1，延迟时间 5 ms，然后发送数据，发送数据的延迟结束后，设置 &quot；0。 这可以使总线在状态转换时有稳定的工作状态。RS-485 芯片 将电平转换为 TTL 电平后，主控制器可以直接以 USART 的 方式监听数据或者发送数据。USART 通信配置主要包括系统 始终、I/O 口状态、波特率、停止位、数据位、校验位、终端 优先级等。

2.3 PC 数据中心设计 

PC 数据中心的设计目的在于给用户一个完善的人机交 互接口，实现整个系统管理的智能化与人性化。数据中心采 用 MFC 语言编写，同时调用 SQL_Server 数据库内数据信息。 软件运行与传统人工抄表收费过程相近，同样为先抄表，然 后查询上次抄表信息，根据本次数据统计计算出本月用电量。 然后根据单价计算出用户电费金额。另外，数据中心可以根据 一个给定的计量单元内的用电总量与各用户用电量的关系分析 线路的损坏情况，提供给电力管理部门作为维护与保养的数 据依据，提高了管理效率和资源的合理配置。同时，应用软件 可以将数据分析挖掘的信息以曲线图等方式直观地体现出来， 并且可以为区域内电量需求走势提供强大的数据基础，有利于 智能电力系统的发展。

3 结 语

设计提供了一种新型的智能电力管理系统，经过大量实验证明，本系统相对传统方式对数据采集的实时性与可靠性大为提高，并且系统具有人机交互友好、体积小、成本低等优点，具有广阔的市场潜力，能够带来极大地社会效益与经济效益。