“无线采集+电力线传输”构建新型自动抄表系统

目前居民家中的计费表已由过去单个电表发展到电表、水表、煤气表等多表使用。事实证明，传统的人工抄表不能保证数据的准确性和适时性，而且会造成人力物力大量浪费，同时存在安全隐患，给居民带来很多不便。传统人工抄表方式逐步被自动抄表方式取代是现代化能源管理的发展趋势。为了满足居民对物业管理服务质量的要求，同时也有利于物业管理部门进行科学管理，研制了一套包括水、电、煤气“三表”在内的远程自动抄表系统。与现有的众多智能抄表系统相比，本设计方案具有如下独到的优点：免去在住户单元楼内和室内布置数据采集专用通信线路的麻烦，降低了成本，而且无线传输中干扰也比有线传输要少，即在一定程度上提高了前端数据采集、传输的可靠性；有效利用了丰富的现有电力线网络资源，符合创建节约型社会的要求，具有很重要的现实意义。

1 系统结构和功能

本系统的结构原理图如图1所示。整个系统由上位机模块、单元机模块和户从机模块组成。上位机安装在物业管理中心控制机房，单元机安装在各栋楼的各单元，户从机和各计费表安装在每个用户室内。

上位机模块由上位机(中心控制PC机)和三相电力线Modem组成，两者间通过RS232接口通信，必要时可在PC机上接打印机、传真机等外部数据处理设备。上位机主要负责向下位机发送查表命令和切断或闭合某收费表电源的控制命令。单元机模块由单片机AT89C51、对应的单相电力线Modem和PTR2000(无线收发数传Modem)组成，负责上位机与选通的户从机之间的通信。户从机模块由单片机AT89C2051、PTR2000、水表、电表、煤气表以及与这“三表”分别相对应的三个8位计数器组成，执行上位机的命令(抄表或控制某表电源)，并将执行结果反馈给上位机。

2 部分芯片简介

2.1 无线收发数传模块PTR2000

PTR2000是接收、发射合一的无线通信模块，工作频率433 MHz，FSK调制，抗干扰能力强；DDS+PLL频率合成技术，频率稳定；最大发射功率+10 dBm；灵敏度高达-105 dBm；使用无需申请许可证；2.7 V低工作电压，功耗小；工作速率最高达20 kb／s；体积小；可直接连CPU串口使用，可接计算机RS 232接口，编程方便；标准DIP引脚间距，适合嵌入式设备；开阔地通信距离达100m以上。

2.2 载波芯片

101(3)系列嵌入式电力线Modem(PLCModem)是工业级产品，专门应用在三相四线的电力线上进行数据传输的场合。分为单相型(PLCl01s-12，PLC101s-12A)和三相型(PLC103s-12)两种。各型号的尺寸都十分细小，方便容人客户现有通讯或控制系统。同用户设备连接的串行接口符合RS 232标准，波特率和电力线上的波特率相同：600／1 200 b／s，可选择标准电平和TTL电平。接到电力线上不需任何额外耦合电路和器件。提供双向半工通信功能，可在50 Hz或60 Hz及高达250V相对地的电力线上实现局域通信。它与用户设备或系统间通信协议无关，电力线到用户设备间是透明信道，因此多个嵌入式PLC Modem可连接在同一电力线上，不互相影响。采用特别的FSK调制技术，同时载波频率和数据传输速度适当结合，可确保不受噪音干扰及提供可靠通讯功能。

3 单片机多机通信技术

3.1 单片机多机通信原理

51单片机串行口的方式2和方式3通过利用多机通信控制位SM2可具有多机通信功能。当从机SM2=1时，从机只接收主机发出的地址帧(第9位为1)，对数据帧(第9位为0)不予理睬；而当SM2=0时，可以接收主机发送的所有信息。由此可实现一台PC主机和若干个单片机从机构成总线式的多机分布式系统。但PC机和单片机之间在连接过程中应该加入由8250和MAX232组成的通信控制和电平转换电路。

3.2 通信协议

多机通信是一个复杂过程，必须有通信协议来保证可操作性和操作秩序。本系统通信规约如下：上位机下传1个地址(哪栋哪单元)，2个数据(对哪户进行何种操作)。栋地址、单元地址、户地址格式如下：

D4=0：送数；D4=1：欠费；D5=0：单户；D5=1：12户；D6：无效位，取0；D7=1：户地址及操作方式(单户、12户、欠费、送数)，供单元机判断并执行相应处理。

户操作命令格式：

D0：气表(0不进行操作，1进行操作，下同)；D1：电表；D2：水表；D3=0：关断开关(由D2D1D0确定，下同)；D3=1：闭合开关；D4=0：不欠费；D4=1：欠费；D5=0：不查数；D5=1：查数；D5=0，D4=0：出错；D6：无效位，取0；D7=0：该字节专供户从机。

4 系统硬件电路设计

4.1 嵌入式PLC Modem的连接方式

多个接在不同相位的PLCl01s-12(单相型)与一个PLC103s-12(三相型)连接时采用负载三相四线制“Y”型接法。三相端用户设备可以透过PLC103s-12，和PLCl01s-12与接在电力线上任何一相的设备通讯，但其他用户设备除了和三相端设备通讯外，只能和接在同一相的设备通讯。注意：用户设备和嵌入式PLCModem的数据传输速率必须一致；每帧数据(含帧头、帧尾和校验)长度不大于1 kb，如大于1 kb作分帧处理。PC机串口与PLC103s-12在连接过程中须经过MAX232进行电平转换。

4.2 单片机AT89C51与PLC101s-12及PTR2000的连接

单片机AT89C51与PLC101s-12及PTR2000的连接如图2所示。

芯片间均通过串口通讯，所以用SP2328多串口扩展芯片对单片机串口进行扩展。该芯片母串口(串口3)的波特率是子串口(串口0、串口1、串口2)的4倍。三个子串口处于对等的地位，完全一样。

PTR2000的工作频道(433.92 MHz／434.33 MHz)和工作状态(接收、发射、待机)由三个引脚TXEN，CS和PWR的电平输人状态共同决定。本方案中引脚TXEN，CS和PWR分别与单片机的三个引脚对应相连，可以通过单片机编程来控制PTR2000的工作。

由于嵌入式PLC Modem的稳定传输波特率为1 200 b／s，应当通过软件编程设定单片机的串口波特率为4 800 b／s。

5 系统软件设计

上位机软件部分包括通信、数据处理和结果显示三部分，采用VB 6.0编写，除了发送查表和表电源开关控制命令外，还不定期发送对某户某表进行抽样检查的命令，以确定该表是否正常工作。单元机和户从机软件部分采用C51语言编写，均处于查询工作方式。

6 结语

方案中所用无线收发数传模块PTR2000和嵌入式PLC Modem都采用了特别的FSK调制技术，属工业现场控制级产品，抗干扰能力极强，可确保数据采集和传输稳定可靠地进行，且使用方便。之所以采用电力线网络进行远程通信是因为它具有其他通信方式难以比拟的优点：不需另外布线，可以根据已有电力线网络进行通信；线路遍布建筑物的各个角落；便于与其他智能家电设备集成，实现现代化家庭网络。

该系统工作稳定、可控性强、价格便宜、方便实用。经实测证明：可以实现每单元8层楼以下用户数据采集和室外500 m以上有效数据远程传输。同时具备远程抄表和对计费表电源开关的远程切断、闭合功能，不但适用于现代化新兴居民小区的自动化管理，更适合于旧区的现代化管理系统改造。