摘要：該設計解決了IC卡預付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式.電力部門的管理微機通過RS485網絡對電能表進行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。
   關鍵詞：IC卡預付費電能表；RS485網絡；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收取電費難的問題。然而IC卡預付費電能表存在很大的問題，首先是由于電力部門缺乏對IC卡電能表用戶的監管，當IC卡被破密后,很難發現和査處，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題,同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機通過RS485網絡對電能表進行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。
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，同時還和發卡機一起完成發卡任務。電能表管理系統如圖1所示。
 
圖1 電能表管理系統圖
   管理微機與發卡機通過C0M1來實現通信，采用RS232C通信接口標準。管理微機與電能表通過COM2來實現通信,采用RS485通信接口標準。
   發卡機具備射頻卡讀寫功能,其主要作用是讀寫射頻卡,與管理微機一起實現用戶的開戶、交費、注銷、電量查詢等功能。
三、基于射頻識別技術的電能表其主要的工作原理
          1.用戶用電前須先到電力管理部門購買射頻卡和預交電費，由管理部門把用戶的信息及購電量錄入管理微機并由發卡機寫入射頻卡。
          2.當用戶持有效射頻卡掠過電能表時，電能表內的讀寫模塊首先對射頻卡進行驗證，逋過驗證后讀取射頻卡的信息，當卡內電費充足時為用戶供電,同時把用戶信息寫入EEPROM,且電能表開始計量用電量。
          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向網絡上的各個電表采集用電數據，用電數據經管理微機處理后列出兩個名單（電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單）向網絡中的電能表廣播。電能表在確認用戶卡上了黃名單后聲音與指示燈報警，提醒用戶及時充值，但電能表繼續為用戶供電；電能表在確認用戶卡上了黑名單后，聲音與指示燈報警，且停止 為該用戶供電，退出該用戶卡,電能表處于待機狀態。
          5.用戶想終止用電,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，且把運算結果回寫射頻卡內。同時電能表斷開繼電器，停止為該用戶供電。
          6.電能表在為某用戶供電過程中，其它射頻卡則不能刷卡用電，只有在電能表待機時才能接受另一用戶卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為100mm左右，因此當有卡路過某電能表時，卡與電能表距離較遠不會觸發電能表。
          7.一張卡可以在不同的電能表中使用,且可以在多個電能表上同時使用。
          8.在用電過程中如出現斷電，通過備用電池將用戶本次用電量存入EEPROM中。來電后，電能表繼續為該用戶供電。如用戶不想下次來電后繼續供電，只需將射頻卡再次靠近電能表，取消供電,來電后電能表將處于待機狀態。
四、電能表系統硬件構成
   電能表硬件結構如圖2所示，整個系統由七大部分組成：射頻卡讀寫模塊、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、射頻卡讀寫模塊以及黑黃名單的驗證模塊。為了實現每個大模塊的功能，又把每個大模塊劃分為若干個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，指示用戶卡已上黑名單；當78H數據為#FEH時，指示用戶卡已上黃名單；為其它數據則表明用戶卡未上黑（黃）名單。在進行黑、黃名單驗證時，程序根據驗 證結果對RAM的78H寫入對應的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無刷卡標志單元，如電表當前已有用戶卡在消費，79H的內容為#FFH;當無用戶卡在消費（電表處于待機狀態）時,79H的內容為#00H;當正在消費的用戶卡第二次刷卡后，79H的內容為#FEH,此時主程序檢測到這一狀態后，斷開用戶供電，計算本次用電后用戶的電費余額，且將余額回寫射頻卡。
   主程序流程圖如圖4,系統上電時進行系統初始化，開放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當無刷卡中斷時,則不斷循環檢測卡片標志單元79H。
   當刷卡時，射頻接口模塊通過INTO請求中斷，MCU響應中斷請求，調用讀卡子程序，此時分為兩種情況:
1、如電能表處于待機狀態，則接收刷卡，讀出卡內信息，同時，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，如用戶卡已上電量不足的黑名單則報警同時返回主程序；當用戶卡上電量小于10度的黃名單時報警但繼續為該用戶供電，直到電費全部用完后停止供電；當用戶卡不上黑黃名單時，則正常為該用戶供電，同時調用電能計量程序。
2、如電能表處于非待機狀態，說明電能表正在為一用戶卡供電，此時首先判斷本次的刷卡卡號與正在用電的用戶卡號是否相同，如相同則為該用戶的二次刷卡，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，判斷為是用戶取消供電，主程序調用電量核算程序，把該用戶的卡內余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調用寫卡子程序把新的電量余額回寫卡內；如本次刷卡卡號與正在用電的用戶卡號不同，則本次刷卡無效。
   電能表在執行電能計量程序的過程中，也能響應中斷程序。在每次執行了黑黃名單接收程序后，進行一次黑黃名簞驗證，根據驗證結果對RAM的78H寫入對應的值，然后返回電能計量程序。計量程序檢測78H的值，如為#FFH表明用戶卡已上新的黑名單，調用報警程序，然后切斷用戶供電，返回主程序。


圖4 主程序流程圖
5.3 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（T0）端輸入用電計量脈沖，計滿3200個脈沖為一度電，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，管理微機定時從各個電表的EEPROM中采集用電數據。
5.4 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用戶卡片上，單片機對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，須有一個程序序列來完成，其中有對MFRC500硬件內核寄存器的設置以及判斷。在進行讀寫數據或增、減值操作之前還須經過復位應答、防碰撞、選卡及認證過程。操作流程圖如圖6所示。本設計釆用基于Keil C的C語言進行編程，調用Philips公司提供的基本庫函數來實現各種功能。
 圖5.電能計量程序
 
圖6.操作流程
 
5.5 軟件調試及仿真
   本設計釆用Keil uVision2調試單片機軟件，管理微機的管理數據庫采用SQL server 2000編寫。通過幾次軟件修改與電路調試現已實驗成功，電度表能達到設計所預期的功能，包括多張用戶射頻卡的讀寫，與主機的通訊，電能計量、顯示、存儲等。
六、 安科瑞預付費管理系統及現場硬件選型
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（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，都支持excel格式導出的功能。
（a）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統日志等功能；
（b）系統設置：對建筑、儀表及默認參數進行配置；
（c）租戶管理：對用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、抄表導出及記錄查詢等操作；
（d）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；
（e）報表中心：提供售電財務報表、用能報表、報警報表等查詢。
 
6.2 應用場所
（一）分布式商業
（二）連鎖門店
（三）物業管理企業
（四）分布式企業
（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回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負責。
6.5、業務模式
   用戶自建平臺，可建在用戶數據中心或監控中心等，硬件客戶可以參照我方推薦系統設備配置參數采購或者申請阿里云服務器。
   安科瑞指導客戶完成平臺的建設和運管隊伍的培訓，如果客戶沒有技術力量維護，也可以選擇由安科瑞有償維護。
   成本要求嚴格的，可選擇托管在安科瑞平臺，客戶可管理自己的數據，不可獲取其他客戶數據。
七、結束語
   本設計解決了IC卡預付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。本設計形成產品后市場前景廣闊,對于我國電力市場的規劃管理將起到積極的作用。
 
參考文獻
 
[1]趙光強，田擁軍，預付費多用戶電能管理系統的設計
[2]田擁軍，曾健平，基于射頻識別技術的多用戶電能表的設計
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版
[4]安科瑞用戶測電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版