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

一、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)現和査處，導至居民損失大量的電費；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。

二、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)C0M1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。

三、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)用電前須先到電力管理部門(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，逋過(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.電能表釆用遞加計量的方式,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100mm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)。

四、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

五、軟件模塊的構成

5.1 軟件模塊的劃分

   軟件釆用模塊化設計，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

5.2 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)INTO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)行一次黑黃名簞驗證，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

5.3 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，須有一個(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、減值操作之前還須經(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。本設計釆用基于Keil C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6.操作流程

六、 安科瑞預付費管理系統及現場(chǎng)硬件選型

6.1 遠程預付費控制系統

   本系統分為五大模塊，分別是操作員登陸模塊、系統配置模塊、租戶(hù)（商鋪）管理模塊、售電管理模塊、報表中心模塊，系統大致運行和操作流程如下：

   本系統所有的報表及記錄查詢(xún)，都支持excel格式導出的功能。

（a）登陸管理：管理操作員賬戶(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

（b）系統設置：對建筑、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

（c）租戶(hù)管理：對用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、抄表導出及記錄查詢(xún)等操作；

（d）售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

（e）報表中心：提供售電財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢(xún)。

6.2 應用場(chǎng)所

（一）分布式商業(yè)

（二）連鎖門(mén)店

（三）物業(yè)管理企業(yè)

（四）分布式企業(yè)

（五）多分支院校

（六）智慧社區

6.3 平臺結構 

遠程閥控集抄系統整體架構

6.4 設備選型

    注：預付費儀表、電流互感器等應根據現場(chǎng)回路電流大小等選擇配置，安裝、接線(xiàn)等由甲方負責。

七、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。

參考文獻

[1]趙光強，田擁軍，預付費多用戶(hù)電能管理系統的設計

[2]田擁軍，曾健平，基于射頻識別技術(shù)的多用戶(hù)電能表的設計

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版

[4]安科瑞用戶(hù)測電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版