专利名称：一种基于阶梯电价的预付费用电控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是控制管理系统，具体的是基于红外遥控技术在电力系统中使用的 一种数字化、智能化和网络化的阶梯电价预收费用的控制和管理系统。
背景技术：
目前，能源紧缺和环境污染已成为制约经济社会可持续发展的主要矛盾。对居民 用电实行阶梯电价政策，是许多能源紧缺国家为应对能源价格高涨、抑制能源不合理消耗 而采取的重要措施之一。在我国全面实行居民阶梯电价，主要是考虑建立三个方面的机制 一是合理的电价机制。电压等级越高的用户，供电成本越低；电压等级越低的用户，供电成 本越高。居民用电位于电网供电最终端，电压等级最低，因而其供电成本是最高的。我国居 民用电价格低于工业电价，导致各类用户之间交叉补贴。实行阶梯电价，有利于改善我国电 价结构，促进其逐步趋于合理。二是公平负担的用电机制。居民电价低于供电成本，造成用 电越多的居民用户，享受的补贴越多，用电量越少的居民用户，享受的补贴越少。通过实行 居民阶梯电价政策，可以考虑不同居民承受能力，既保证大多数居民电价保持基本稳定，又 能促使用电量多的居民用户多负担电费，建立合理的公平负担机制。三是促进节能减排的 机制。通过实行居民阶梯电价政策，可以充分发挥价格杠杆的作用，引导用户特别是用电量 多的居民用户调整用电行为，促进合理、节约用电，从而有利于建设资源节约型和环境友好 型社会。
总体而言，划分的档次越多，操作越复杂。在拟定我国阶梯电价政策过程中，意见 主要集中在两档与三档之分。分两档是将居民用电量分为基本生活电量和非基本生活电 量；分三档的第一档为居民基本生活用电量，第二档为正常合理用电量，第三档为满足较高 生活质量的用电量。分两档虽操作相对简单，但两档之间价差较大，第二档居民电费增支压 力较大。
目前，居民用电和供电经营部门计量采用的电能表主要有三类一类是传统的转盘式机械电能表，是目前使用最普遍的一种，弊端是精度不高且难以实现数字 化功能，是面临淘汰的一种电能表。第二类是电子式电能表，是目前使用较先进的一种电能 表，其特点是采用了专用集成电路，提高了计量精度和可靠性，但由于没有CPU，无法实现显 示和预收费等其他功能。第三类是预收费电子电能表，是目前最先进和功能最强的一类，具 有计量精度高、预收费和数字显示功能。主要有IC卡式的和红外通讯式的。但IC卡式的 预收费电子电能表存在一些弊病首先是必须接触式通讯，其次是电表不能完全封闭和IC 容易损坏，更主要的是不适合北方冬季的严寒天气。
从抄表角度而言，虽然是多年研究的问题，但是主要集中在485总线或者是电力 线载波技术，这类产品对于居住相对集中的用户十分有效，所以在我国的城镇地区有着较 好的应用，但是对于农电这样一个庞大的市场却没有根本解决办法。形成这种局面的客观 原因主要有两个方面，一方面农村供电用户居住分散；另外一个方面是农村供电用户经济 承受能力有限，就这两个方面大大地限制了农电用电管理现代化的进程。对于有线抄表产品譬如485总线类，由于居住距离分散所以安装布线十分复杂而且成本很高，适用于小区 集中安装。对于电力线载波产品由于成本较高而且由于我国农电电网电量品质问题还有变 压器带来的带宽问题都制约了这类产品的发展。最近还兴起了直接用短信抄表的产品，但 是对于一个普通农电用户增加200元以上成本显然推广起来不现实。发明内容
本发明的目的是针对目前居民用电和供电经营部门对电费收取存在诸多不适的 问题，可实现阶梯电价预付费控制和远程集抄管理的一种基于红外遥控技术的阶梯电价的 预付费用电控制系统。
解决上述问题所采取的技术方案是一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，包括遥控器、多个预付费的 电子电能表、售电机、无线多跳集中器、上位机；所述的电子电能表、售电机通过遥控器发出 的红外线予以控制；售电机箱体上的接口通过数据线与上位机的通讯接口相连接，上位机 的第一串行接口连接GPRS模块，此GPRS模块与无线多跳集中器相传导，无线多跳集中器通 过无线多跳网络分别与带有NRF905无线通讯模块的多个预付费的电子电能表相传导。
上述遥控器包括装在壳体内的电路控制板，电路控制板上装设有红外线发送接收 芯片和8958A处理器芯片；红外线发送接收芯片的对应输出端与红色LED发光二极管的两 端相连接，电能表的红外发送接收芯片的输出端通过导线与所述电能表的8958A处理器芯 片对应的输入端相连接，8958A处理器芯片的输入端与遥控器上的数字功能按键相连接。
上述预付费的电子电能表，包括装在外壳内的无线通讯模块、电能采集模块、红外 线发送接收芯片、8958A处理器芯片和继电器；电能表的红外发送接收芯片的输出端通过 导线与所述电能表的8958A处理器芯片对应的输入端相连接，电能采集模块的输入端分别 与用户的电流、电压回路相连接，电能采集模块的输出端与8958A处理器芯片的对应输入 端相连接，8958A处理器芯片的相应的输入端通过SPI接口与无线通讯模块的输出端相连 接，8958A处理器芯片的输出端与继电器线圈两端相连接；上述售电机，包括装在箱体里的红外光电耦合器、MAX232接口、红外线发送接收芯片 和8958A处理器芯片；所述红外线发送接收芯片的输入端与红外光电耦合器的输出端相连 接，电能表的红外发送接收芯片的输出端通过导线与所述电能表的8958A处理器芯片对应 的输入端相连接，8958A处理器芯片的输出端通过MAX232接口与上位机的第二串行接口相 连接进行通讯；上述无线多跳集中器包括第二 GPRS模块、C8051F020处理器芯片和无线通 讯模块；所述第二 GPRS模块的通讯端与C8051F020处理器芯片对应的通讯端相连接， C8051F020处理器芯片的SPI 口与无线通讯模块的通讯端相连接；上述上位机采用市售的成品微机，在其嵌入式CPU芯片对应的输出端口连接有第三 GPRS模块，即第三GPRS模块直接与上位机相连接，在其嵌入式CPU芯片装设有管理软件 线损分析和统计、电量使用报表、用电异常分析、电网质量监控等程序。
本发明的工作原理及操作程序红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都 已比较成熟，是由基于红外线通讯技术的售电机、遥控器、用电中心管理的上位机、GPRS模块、无线多跳集中器、无线通讯模块和预付费的电子电能表构成。
本发明中用户的预付费的电子电能表均装设有无线通讯模块，无线通讯模块采用了 SM8958A处理器芯片；无线通讯部分采用了 NRF905无线通讯芯片，它和处理器间通过 SPI通讯进行编程配置及数据信息的传输。NRF905无线通讯芯片，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成，硬件编码解码，ShockBurst工作模式自动产生前导码和CRC，很容易通过SPI接口进行编程配置。无线通讯模块还有一个控制输出部分，根据系统功能要求来控制继电器的吸合来达到通断电路的目的，即未预付费灯及其它用电器不会燃亮。虽然单个电表通讯距离有限，仅仅为一公里，但是每一个预付费的电子电能表都具有路由的功能，能够转发通讯协议包，这样一来在每一个村仅仅设置一个具有GPRS通讯和433MHZ无线通讯的无线多跳集中模块即可，不同位置的电表通过电表之间多跳路由就可以转发到无线多跳集中模块上，最终将用电数据传输到用电管理中心或将控制指令信息传输给用户电子电能表。
装设有通用用电管理软件的中心管理上位机通过串行接口与售电机通讯，将预售电量写入售电机；售电机通过红外线通讯将预存电量写入遥控器的存储器内；NRF905无线通讯模块通过433MHZ的无线通讯传输将控制中心的指令以及将区域内的所有用户的用电信息汇总给无线多跳集中器，无线多跳集中器和GPRS模块通过成熟的GPRS网络进行通讯， 而GPRS模块与中心管理上位机通过串行接口连接，最终将用户用电信息汇总传输给用电中心管理上位机或将中心管理上位机的命令传输出去，如设置增加预付费功能、保密防窃功能、抄表数据回传、更改费率或时段设置……等功能。
一个村落或者一个区域通过无线多跳网络的传输将用户用电数据传输给远端控制中心的GPRS模块，用电中心上位计算机通过串行接口从控制中心的GPRS模块读取用户用电信息，存储并且处理。控制中心也可以通过串行接口将控制指令传输给控制中心的 GPRS模块，GPRS模块通过GPRS网络将指令传输给指定区域的无线多跳集中器，无线多跳集中器根据路由表将指令传输给用户的电表。用电中心管理上位机的管理软件可以根据用户的需求提供许多增值服务，这些服务包括线损分析和统计、电量使用报表、用电异常分析、电网质量监控等等。利用这些增值服务，电力用户可以在运营过程中提高服务质量，减少损失，增加收益。
采用的GPRS模块是具备GSM/GPRS900/1800/00MHz功能的SM300C，它以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，它们通过异步串行接口进行编程配置及用电数据信息的传输计算和发送，与之相配套的SIM300C GPRS模块也具 有很强大的数据通讯功能，加上移动的GPRS服务方便快捷，使得用其传输数据具有现实可能性。
利用当今功能完善的GPRS全球无线通讯网及功能强大的GPRS通讯模块，无线多跳集中器可以实现用电数据的远程传输。无线多跳集中器具有433MHZ的无线通讯模块和 GPRS无线通讯模块，通过433MHZ的无线通讯模块，无线多跳集中器负责某个区域范围内的所有用户的电子电能表的无线多跳路由管理，增加或减少通讯节点以及无线多跳路由路径的具体分配管理，并且可以将控制中心的指令传输给各用户的电子电能表；同时借助当今功能完善的GPRS全球无线通讯网及功能强大的GPRS通讯模块，无线多跳集中器还负责把这个区域内多跳网络汇总的所有用户的用电管理信息转发给控制中心，以便控制中心了解掌握以及管理用户的用电情况，由于GPRS已经相当成熟，稳定，与之相配套的GPRS模块也 具有很强大的数据通讯功能，使得用其传输数据具有现实可靠性。
操作步骤1、购电时，控制中心计算机将电量通过售电机将电量写入遥控器，带有电量信息的遥 控器上的LED红灯会每隔一秒闪烁一次，用户只要将遥控器对着自家的无线预付费电子电 能表按写入键，电量就写入到自家的电能表中；没有电量的遥控器上的红灯将会熄灭；假 如用户忘记携带遥控器或者遥控器坏掉，控制中心可以将电量通过GPRS网络和无线多跳 网络传输到用户家区域内的无线多跳集中器中，无线多跳集中器根据路由表将电量写入用 户家电能表。
2、进行抄表时，控制中心将抄表命令通过GPRS模块传输到用户区域内的无线多 跳集中器，无线多跳集中器根据路由表通过无线多跳网络将命令传输给区域内每个用户家的无线预付费电子电能表。假如某用户家的表损坏，无线多跳集中 器会及时跟新路由表不影响其他用户信息的传输，同时无线多跳集中器会将表损信息通过 GPRS网络传输给控制中心计算机，通知工作人员即使维修调整。
3、当用户家的预付费电子电能表接收到抄表命令后，预付费电子电能表会根据自 己的路由表信息将用户的用电信息传输给区域内的无线多跳集中器，无线多跳集中器判断 确认区域内的所有用户是否将信息全部汇总给无线多跳集中器，假如全部用户的信息都传 输到位，无线多跳集中器通过GPRS网络将信息传输给控制中心计算机。假如缺少某些用户 的信息，无线多跳集中器会见现有的信息传输给控制中心计算机的同时，把缺失用户的信 息也一并传输给计算机，计算机根据实际情况发送缺失用电信息用户的回抄命令。
4、控制中心计算机根据回传的用户信息通过上位机分析软件进行线损分析和统 计、电量使用报表、用电异常分析、电网质量监控。
5、采用的单片机是美国德州Cygnal公司推出C8051F020高性能8位单片机，构成 单片机最小系统。
本发明的优点预付费电子电能表基于红外遥控的技术，用户电子电能表及售电机的通讯通过红外遥 控器进行，避免了目前IC卡式电能表接触式通讯，易磨损和被人为损坏等缺点，延长了系 统的运行寿命，最重要的是可以实现配电箱的完全密闭，从技术实现上避免了窃电行为的 发生。本发明首次将红外遥控技术应用到用电管理系统中，目的是为配合和适应这种发展 趋势，适宜我国即将试实行的阶梯电价用电的情况。增强了抄表的适用范围，避免了诸如电 力线载波、485、GSM等通讯方式所带来的问题和缺欠，在应用方面，安装和使用都非常方便。
基于GPRS网络的远程电能抄表控制管理系统通过现有GPRS网络将工业或民用电 表采集的电力系统数据传递到电力监控中心，以实现对电力监测设备的统一监控和分布式 管理。GPRS网络可为电力系统提供简单高效的通讯传输手段。利用GPRS网络构建电力远 程抄表系统，实现电表数据的无线传输具有可充分利用现有网络资源，缩短建设周期，降低 建设成本的优点。
本发明设计科学、合理、富有创意、充分体现出售电的灵活性、方便性、易操作和运行的准确性等通常售电方式所不具备的优点。提高了售电的效率，实用性 较强，整体结构紧凑、耗材少、寿命长、成本低廉、性能稳定、可靠、维修方便，本发明适宜电力部门推广使用。
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明的预付费电子电能表结构示意图。
图3为本发明的遥控器结构示意图。
图4为本发明的遥控器外观结构示意图。
图5为本发明的售电机结构示意图。
图6为本发明的无线多跳集中器结构示意图。
图7为本发明的GPRS模块与上位机连接示意图。
具体实施方式
一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，包括遥控器2、多个预付 费的电子电能表1、售电机3、无线多跳集中器7和上位机4 ;如图1所示，所述遥控器2通 过红外线与电子电能表I或售电机3相传导；售电机3的箱体上的接口通过数据线与上位 机4的通讯接口相连接，上位机4的串行接口通过GPRS模块连接，此GPRS模块与无线多跳 集中器7相传导，无线多跳集中器7通过无线多跳网络分别与带有NRF905无线通讯模块的 多个预付费的电子电能表I相传导；遥控器2包括装在壳体5内的电路控制板；如图3所示，电路控制板上装设有红外线发 送接收芯片17和8958A处理器芯片10 ;红外线发送接收芯片17的对应输出端与红色LED 发光二极管的两端相连接，红外线发送接收芯片17的输入端通过导线与8958A处理器芯片 10的输出端相连接，8958A处理器芯片10的输入端与遥控器2上的数字功能按键18相连 接;预付费的电子电能表I包括装在外壳内的无线通讯模块8、电能采集模块13、红外线发 送接收芯片17、8958A处理器芯片10和继电器12 ;如图2所示，所述红外线发送接收芯片 17的输出端通过导线与8958A处理器芯片10对应的输入端相连接，电能采集模块13的输 入端分别与用户的电流、电压回路相连接，电能采集模块13的输出端通过与8958A处理器芯片10对应的输入端相连接，8958A处理器芯片10的相应的输入端通过SPI接口 9与无线通讯模块8的输出端相连 接，8958A处理器芯片10的输出端与继电器12的线圈两端相连接；售电机3如图5所示，包括装在箱体里的红外光电耦合器15、红外线发送接收芯片17 和8958A处理器芯片10 ;所述红外线发送接收芯片17的输入端与红外光电耦合器15的输 出端相连接，红外线发送接收芯片17的输出端通过导线与8958A处理器芯片10对应的输 入端相连接，8958A处理器芯片10的输出端通过MAX232接口 11与上位机的串行接口相连 接进行通讯；无线多跳集中器6包括GPRS模块6、C8051F020处理器芯片14和无线通讯模块8 ;如 图6所示，所述GPRS模块6的通讯端与C8051F020处理器芯片14对应的通讯端相连接， C8051F020处理器芯片14另外的SPI 口与无线通讯模块8的通讯端相连接；上位机4采用市售的成品微机，在嵌入式CPU芯片对应的输出端口连接有GPRS模块6，即GPRS模块6直接与上位机4相连接，在嵌入式CPU芯片装设有通用成型管理软件线损 分析和统计、电量使用报表、用电异常分析、电网质量监控等程序。
权利要求
1.一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，包括遥控器、多个预付费的电子电能表或售电机、无线多跳集中器、上位机；所述的电子电能表、售电机通过遥控器发出的红外线予以控制；售电机箱体上的接口通过数据线与上位机的通讯接口相连接，上位机的第一串行接口连接GPRS模块，此GPRS模块与无线多跳集中器相传导，无线多跳集中器通过无线多跳网络分别与带有NRF905无线通讯模块的多个预付费的电子电能表相传导。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，其特征在于所述的遥控器，包括装在壳体内的电路控制板，电路控制板上装设有红外线发送接收芯片和8958A处理器芯片；红外线发送接收芯片的对应输出端与红色LED发光二极管的两端相连接，电能表的红外发送接收芯片的输出端通过导线与所述电能表的8958A处理器芯片对应的输入端相连接，8958A处理器芯片的输入端与遥控器上的数字功能按键相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，其特征在于所述的预付费的电子电能表，包括装在外壳内的无线通讯模块、电能采集模块、红外线发送接收芯片、8958A处理器芯片和继电器；电能表的红外发送接收芯片的输出端通过导线与所述电能表的8958A处理器芯片对应的输入端相连接，电能采集模块的输入端分别与用户的电流、电压回路相连接，电能采集模块的输出端与8958A处理器芯片的对应输入端相连接，8958A处理器芯片的相应的输入端通过SPI接口与无线通讯模块的输出端相连接，8958A处理器芯片的输出端与继电器线圈两端相连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，其特征在于所述的售电机，包括装在箱体里的红外光电耦合器、MAX232接口、红外线发送接收芯片和8958A处理器芯片；所述红外线发送接收芯片的输入端与红外光电耦合器的输出端相连接，电能表的红外发送接收芯片的输出端通过导线与所述电能表的8958A处理器芯片对应的输入端相连接，8958A处理器芯片的输出端通过MAX232接口与上位机的第二串行接口相连接进行通讯。
5.根据权利要求1所述的一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，其特征在于所述无线多跳集中器，包括第二 GPRS模块、C8051F020处理器芯片和无线通讯模块；所述第二GPRS模块的通讯端与C8051F020处理器芯片对应的通讯端相连接，C8051R)20处理器芯片的SPI 口与无线通讯模块的通讯端相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于红外遥控技术的阶梯电价预付费用电控制系统，其特征在于所述的上位机采用市售的成品微机，在其嵌入式CPU芯片对应的输出端口连接有第三GPRS模块。
全文摘要
一种基于阶梯电价的预付费用电控制系统，包括遥控器、多个预付费的电子电能表、售电机、无线多跳集中器、上位机；遥控器通过红外线与电子电能表或售电机相传导；售电机的箱体上的接口通过数据线与上位机的通讯接口相连接，上位机的第一串行接口连接GPRS模块，此GPRS模块与无线多跳集中器相传导，无线多跳集中器通过无线多跳网络分别与带有NRF905无线通讯模块的多个预付费的电子电能表相传导；本发明设计科学、合理、富有创意、充分体现出售电的灵活性、方便性、易操作和运行的准确性等通常售电方式所不具备的优点。提高了售电的效率，实用性较强，整体结构紧凑、耗材少、寿命长、成本低廉、性能稳定、可靠、维修方便，本发明适宜电力部门推广使用。
文档编号G08C23/04GK103021087SQ20111028498
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者胡瑞, 陈亮 申请人:沈阳理工大学