一种智能电表及其数据加密传输方法与流程

本发明涉及电力计量领域，尤其是涉及一种智能电表及其数据加密传输方法。

背景技术：

在电力仪表行业，传统感应式电表被电子式电表所淘汰。目前市场上电子式仪表技术成熟，精度高，可靠性好，可远程通信，有广泛的应用空间，随着电力行业和市场的需求，仪表正向着智能化、高精度、多功能、无线抄表方向发展。由于电子仪表在各个方面存在诸多优点，尤其是可远距离通信，能够实现电力监测集中化，因此电子式仪表替代传统感应式仪表是必然趋势。

现在有的电子式仪表一般是将数据以明文的形式直接上传，安全程度不够高，存在数据被截获、篡改的风险。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的智能化程度不够高、安全性较弱的技术问题，提供一种精度高、可靠性好、安全性强的智能电表及其数据加密传输方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种智能电表，包括MCU模块、显示模块、按键模块、通信模块、电流采集模块、电压采集模块、电力计量模块和为整个智能电表供电的电源模块，所述显示模块、按键模块、通信模块和电力计量模块都与MCU模块连接，所述电流采集模块和电压采集模块连接到电力计量模块。

MCU模块为控制其他模块的工作。显示模块显示智能电表的参数和状态。按键模块用于进行设定控制。通信模块实现智能电表和上位机之间的通信。电流采集模块采集当前电流，电压采集模块采集当前电压，电力计量模块对电流采集模块和电压采集模块的输出数据进行处理后发送给MCU模块。整个电力计量过程完全由智能电表完成，不需要人工参与。

作为优选，所述MCU模块包括STC12C5A40AD芯片。STC12C5A40AD芯片内部自带数据存储器，掉电可保存数据。STC12C5A40AD为8051内核MCU，较传统8051内核运行速率快，处理能力更强。

作为优选，所述显示模块包括两个3位数码管、7个型号为S9012的三极管、7个发光二极管和若干个电阻；3位数码管的8脚、9脚和12脚各连接一个三极管的集电极，其余脚都通过电阻连接到MCU模块；7个发光二极管的正极都连接到一个三极管的集电极；负极都通过电阻连接到MCU模块；三极管的发射极都连接电源+5V，基极都通过电阻连接到 MCU模块。

MCU模块通过三极管驱动3位数码管和发光二极管。

作为优选，所述按键模块包括5个微动开关和5个上拉电阻，每个微动开关的第一端都连接到MCU模块，第二端都接地，每个上拉电阻的第一端各自连接一个微动开关的第一端，上拉电阻的第二端都连接电源+5V。

显示模块和按键模块配合能够直观的显示不同的参数，采用数码管与LED指示灯显示受温度影响小。

作为优选，所述通讯模块包括光耦芯片、MAX485芯片和瞬态抑制二极管，所述光耦芯片为TLP521-3-D芯片，光耦芯片的2脚和6脚通过电阻连接MCU模块，10脚直接连接MCU模块，1脚和5脚连接电源VCC，3脚连接电源VCC_D，4脚通过电阻连接MAX485芯片的1脚；光耦芯片的12脚连接MAX485芯片的4脚，光耦芯片的8脚连接MAX485芯片的2脚和3脚；光耦芯片的7脚和11脚连接电源GND_D，9脚接地；光耦芯片的12脚还通过电阻连接电源VCC_D，10脚还通过电阻连接电源VCC，8脚还通过电阻连接电源VCC_D；MAX485芯片的8脚连接电源VCC_D，7脚和6脚为通讯模块的输出端口，5脚连接电源GND_D；瞬态抑制二极管跨接在MAX485芯片的6脚和7脚之间，MAX485芯片的6脚和7脚之间还串接有电阻R22；MAX485芯片的8脚还通过电容C23连接电源GND_D，7脚还通过电阻R24连接电源GND_D，6脚还通过电阻R21连接电源VCC_D；电阻R25一端连接电源GND_D，另一端接地。

通讯模块和上位机之间通过RS485协议进行通信。

作为优选，所述电流采集模块包括电流互感器、电阻R27、电阻R31、电阻R35、电阻R36、电阻R38、电阻R40、电阻R43、电阻R46、可变电阻R28、电容C32、电容C34和电容C35，所述电流互感器为HWCT-20A/20mA互感器，电流互感器的5脚和6脚为交流电流接入端，2脚连接可变电阻R28的可变端和第一定值端，1脚通过电阻R35连接可变电阻R28的第二定值端；电阻R31的第一端连接电流互感器的2脚，第二端接地；电阻R36的第一端连接电流互感器的1脚，第二端接地；电阻R27的第一端连接电流互感器的2脚；电阻R38的第一端连接电流互感器的1脚，电阻R27的第二端和电阻R38的第二端为交流电流输出端；电容C32的第一端连接电阻R27的第二端，电容C32的第二端接地；电容C35的第一端连接电阻R38的第二端，电容C35的第二端接地；电容C34跨接在电阻R27的第二端和电阻R38的第二端之间；电阻R43的两端为直流电流接入端，电阻R40的第一端连接电阻R43的第一端；电阻R46的第一端连接电阻R43的第二端，电阻R40的第二端 和电阻R46的第二端为直流电流输出端。

作为优选，所述电压采集模块包括电压互感器、电阻R26、电阻R30、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R37、电阻R39、电阻R41、电阻R42、电阻R44、电阻R45、可变电阻R29、电容C31、电容C33和电容C36，所述电压互感器为TV1005互感器；电压互感器的2脚为第一交流电压接入端，1脚通过电阻R32连接第二交流电压接入端；电压互感器的4脚连接可变电阻R29的可变端和第一定值端，3脚通过电阻R33连接可变电阻R29的第二定值端；电阻R30的第一端连接电压互感器的4脚，第二端接地；电阻R34的第一端连接电压互感器的3脚，第二端接地；电阻R26的第一端连接电压互感器的4脚，；电阻R37的第一端连接电压互感器的3脚，电阻R26的第二端和电阻R37的第二端为交流电压输出端；电容C31的第一端连接电阻R26的第二端，电容C31的第二端接地；电容C36的第一端连接电阻R37的第二端，电容C36的第二端接地；电容C33跨接在电阻R26的第二端和电阻R37的第二端之间；电阻R39的第一端为第一直流电压接入端，第二端通过电阻R41连接电阻R42的第一端；电阻R45的第一端为第二直流电压接入端，电阻R42的第二端和电阻R45的第二端为直流电压输出端；电阻R44跨接在电阻R42的第一端和电阻R45的第一端之间。

本智能电表可以计量交流电或直流电。当计量交流电时，电流采集模块的交流电流接入端接入被测线路，交流电流输出端连接到电力计量模块，直流电流接入端和直流电流输出端悬空；电压计量模块的第一交流电压接入端和第二交流电压接入端接入被测线路，交流电压输出端连接电力计量模块，第一直流电压接入端、第二直流电压接入端和直流电压输出端都悬空。当计量直流电时，电流采集模块的直流电流接入端接入被测线路，直流电流输出端连接到电力计量模块，交流电流接入端和交流电流输出端悬空；电压计量模块的第一直流电压接入端和第二直流电压接入端接入被测线路，直流电压输出端连接电力计量模块，第一交流电压接入端、第二交流电压接入端和交流电压输出端都悬空。

作为优选，所述电力计量模块包括ATT7053BU芯片，ATT7053BU芯片的6脚和7脚连接电压采集模块的交流电压输出端或直流电压输出端，10脚和11脚连接电流采集模块的交流电流输出端或直流电流输出端。

电流采集模块与电压采集模块共用ATT7053BU。所述MCU模块与所述ATT7053BU采用SPI串行通信，所述电流采集模块及电压采集模块互感器输出经阻容滤波器后的差分信号送天ATT7053BU芯片引脚。

ATT7053BU为专业电能计量芯片，可实现交流电压、电流、有功功率、无功功率、 视在功、功率因数、及电能亦可实现直流电压、电流及功率的测量，该芯片检测精度高、稳定性好、可靠性高，外部器件少，使得电路设计大为简化。

MCU模块通过连接ATT7053BU计量芯片，可将ATT7053BU内的数据读出，计算出电压、电流、功率等参数。

作为优选，智能电表还包括温度传感模块，所述温度传感模块与MCU模块连接。

温度传感模块采集温度信息发送给MCU模块。

一种基于上述的智能电表的数据加密传输方法，包括以下步骤：

A、上位机生成一个0至8的随机整数N，发送给智能电表；

B、智能电表在本计量周期的2+N号存储并上传前一天检测到的最大温度K1，在11+N号存储并上传前一天检测到的最大温度K2，在20+N号存储并上传前一天检测到的最大温度K3，上传的目标端是上位机；

C、智能电表在抄表日读取本计量周期内的用电度数W1和本计量周期内最大电流I1，将两个数据打包以后进行加密，密钥为上一个计量周期的用电度数W0、上一个计量周期的最大电流I0以及本计量周期内上传的K1、K2和K3；

D、智能电表将加密后的数据上传到上位机；

E、上位机接收到数据以后使用对应的密钥对数据解密，并将解密后的数据进行存储，然后进入步骤A。

密钥的各个组成部分是以不同的方式(K1、K2和K3为明文，WO和I0为加密数据)上传的，并且上传时间是随机确定，被截获难度非常大，安全性高。

本方案的智能电表使用互感器输入时能够测量交流电的电压、电力、功率、功率因数、有功功率及无功功率，使用纯电阻输入时能够测量直流电压、电流可支持485通信，硬件的通用性得到了很好的利用。

本发明带来的实质性效果是，智能化程度和精度高，可靠性好，上传的数据不易被破解，安全系数高。

附图说明

图1为本发明的一种系统模块图；

图2为本发明的一种MCU模块的电路结构图；

图3为本发明的一种显示模块的电路结构图；

图4为本发明的一种按键模块的电路结构图；

图5为本发明的一种通信模块的电路结构图；

图6为本发明的一种电流采集模块的电路结构图；

图7为本发明的一种电压采集模块的电路结构图；

图8为本发明的一种电力计量模块的电路结构图；

图中：1、MCU模块，2、电源模块，3、显示模块，4、按键模块，5、通信模块，6、电流采集模块，7、电压采集模块，8、电力计量模块，9、温度传感模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种智能电表，如图1所示，包含MCU模块1、电源模块2、显示模块3、按键模块4、通信模块5、电流采集模块6、电压采集模块7、电力计量模块8和温度传感模块9。显示模块3、按键模块4、通信模块5、电力计量模块8和温度传感模块9都与MCU模块1连接，电流采集模块6和电压采集模块7连接到电力计量模块8。

MCU模块包含STC12C5A40AD芯片，内部自带数据存储器。电力计量模块包括ATT7053BU芯片。电流采集模块包含有单相电流互感器及锰铜采样电阻，电流互感器用来检测交流电流，锰铜采样电阻用来检测直流电流，在采集采集直流电流时安装锰铜采样电阻，检测交流电流时安装电流互感器，采集到的电流信号经过阻容滤波和差分采样电路对应接入ATT7053BU芯片的10～11脚。电压采集模块包含有单相电压互感器及分压电阻，在检测单相交流电压时安装电压互感器，检测直流电压时安装分压电阻，采集到的电压信号通过阻容滤波后对应接入ATT7053BU芯片的6～7脚。

ATT7053BU芯片集成电能计量，工作可靠，性能优越，成本低廉，模块丰富，内部集成高精度A/D及有效值转换与MCU配合能够方便的实现电流、电压等信号的检测。STC12C5A40AD内部包含EEPROM功能，掉电数据能够继续保存；ATT7053BU所连接的电流、电压采集模块将检测的信号处理后保存在内部寄存器，MCU通过SPI串行接口读取ATT7053BU内部的寄存器即可获取电流、电压等数据，经MCU处理的数据可通过通信线与PC通信，在PC上监测电力参数。

电源模块的设计为将单相电压经降压变压器降压、整流、滤波、稳压再给系统供电。为简化电源设计，MCU模块和电流、电压采集模块均选择5V供电芯片，STC12C5A40AD电源引脚38加C26滤波电容，ATT7053BU数字电源引脚1加C17滤波电容，模拟电源加R19、C24构成RC滤波器，ATT7053BU的模拟地与数字地进行单点共地。

图3为显示模块，采用S9012驱动CPS05631BR型号LED数码管及发光二极管，电路简单可靠，做交流功率表时可显示电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因 数，并且能够在数码管上直观的看出显示的事什么数据，使得使用更加方便，LED指示灯可显示仪表状态，可简单的判别出是自动/手动量程及当前所处量程范围。

图4为按键模块，使用微动开关，加外部上拉电阻以提高抗干扰性能。

图5为通信模块，采用MAX485进行电气规约转换，MAX485使用单独电源，MCU串口线RX/TX通过光耦隔离实现与MAX485连接，MAX485差分线A/B使用P6KE6.8CA保护，RS485通信使用单独的MCU引脚控制数据传输方向，以保证在接收/发送数据状态切换时做一定延时，保证数据传输稳定可靠。使用RS485通信可实现远距离读取仪表数据，数据线上可并联多个仪表，可设置每个仪表的地址。

图6为电流采集模块，对于交流电流检测使用电流互感器，电流互感器的输出信号经过一个RC滤波网络滤除无用信号，滤波后输出的信号为差分信号，差分信号连接到ATT7053BU的引脚10～11，通过调节RC滤波网络的可调电阻可实现输出信号大小的调整，在校准的时通过调节该电位器可方便的实现校准；对于直流电流的检测使用锰铜采样电阻检测，电阻采样信号经RC滤波后的差分信号接入ATT7053BU的引脚10～11，采集到的数据在ATT7053BU内部自动处理为有效值；对于交流电流与直流电流信号的采集只能二选其一，因此硬件实现的时候需进行选择性焊接。

图7为电压采集模块，对于交流电压检测使用电压互感器，电压互感器的输出信号经过一个RC滤波网络滤除无用信号，滤波后输出的信号为差分信号，差分信号连接到ATT7053BU的引脚6～7，通过调节RC滤波网络的可调电阻可实现输出信号大小的调整，在校准的时通过调节该电位器可方便的实现校准；对于直流电压的检测使用R39、R41、R44金属膜电阻进行分压检测，分压网络使得输入阻抗＞1Mohm，R34电阻采样信号经RC滤波后的差分信号接入ATT7053BU的引脚6～7，采集到的数据在ATT7053BU内部自动处理为有效值；对于交流电流与直流电压信号的采集只能二选其一，因此硬件实现的时候需进行选择性焊接。

图8为电力计量模块，所述ATT7053BU的复位采用外部RC上电复位，数字电源DVCC与模拟电源AVCC使用RC滤波器连接，内部基准输出引脚VREF使用10uF与0.1uF的电容进行滤波以增加基准的可靠性。本实施例中ATT7053BU的数字电路部分与模拟部分(含电流、电源采集模块)采用单点共地，以提高系统稳定性。

智能电表的数据加密传输方法包括以下步骤：

A、上位机生成一个0至8的随机整数N，发送给智能电表；

B、智能电表在本计量周期的2+N号存储并上传前一天检测到的最大温度K1，在11+N号 存储并上传前一天检测到的最大温度K2，在20+N号存储并上传前一天检测到的最大温度K3，上传的目标端是上位机；

C、智能电表在抄表日读取本计量周期内的用电度数W1和本计量周期内最大电流I1，将两个数据打包以后进行加密，密钥为上一个计量周期的用电度数W0、上一个计量周期的最大电流I0以及本计量周期内上传的K1、K2和K3；

D、智能电表将加密后的数据上传到上位机；

E、上位机接收到数据以后使用对应的密钥对数据解密，并将解密后的数据进行存储，然后进入步骤A。

上位机在接收到加密后的数据并成功解密以后生成随机数发送给智能电表。比如抄表日是每个月的10号，上位机接收到智能电表在3月10号读取并加密上传的数据后，对数据解密，解密成功则生成随机数，如果生成的随机数是4，则智能电表在3月15号上传3月14号的最高温度K2，在3月24号上传3月23号的最高温度K3，在4月6号上传4月5号的最高温度K1。温度数据由温度传感模块采集得到。

一个计量周期为两个相邻的抄表日之间的时间，智能电表读取结束以后本计量周期结束，进入下一个计量周期。

到4月10号时，智能电表读取3月10日抄表后到当前抄表时所用的电量，以及这段时间内的最大电流，然后使用密钥加密。加密可以使用以下方式完成：将W0、I0、K1、K2和K3级联，将级联得到的字符串进行MD5运算，取运算结果的前56位作为二级密钥，使用二级密钥通过DES加密算法对4月10日抄表得到的用电度数W1和最大电流I1打包后的数据进行加密。

智能电表将加密后的数据上传，上位机从数据库中调取W0、I0、K1、K2和K3，对应进行解密得到W1和I1，然后将W1和I1存储，并重新生成随机数发送给智能电表，作为4月10日到5月10日这个计量周期的N。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了MCU、电力计量等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。