一种基于无线混合通信的用电管理装置的制作方法

本实用新型属于通信和用电管理技术领域，特别涉及一种基于无线混合通信的用电管理装置。

背景技术：

目前,以预付方式缴付电费的用电户,普遍都会安装插卡式预付费电表于电源入线处。插卡式预付费电表是一种电子式电能计量器具,除了传统的电能计量与显示功能,并附有读卡器与断电设施。用电户需前往供电部门营业厅或银行等财务机构,根据当地供电部门要求购买储值电费卡,卡内有智能芯片,芯片内储存用电户已缴付的费用数据。用电户购买电费卡后,需带回用电地点,插于插卡式预付费电表的读卡器内,读卡器读取芯片上的预付费用数据,并同时记录用电户所用电量,按用电量递减卡内储值至零结余后进行断电处置,在接近零结余时亦会进行闪灯提示。为避免发生停电,用户需在闪灯时或闪灯前带电费卡往供电部门营业厅或银行等财务机构另缴电费为电费卡增值,并将增值后的电费卡插回电表读卡器内。这种传统的插卡式预付费计费方式有以下缺点:对用电户带来很大不便,必需经常持卡缴费；忘记或无暇缴费时，会发生停电；不法分子破解芯片后,可进行偷电，对管理与营销造成很大误差；供电部门无法掌握实际用电情况。

为了便于电力企业对用电情况进行监控,除了上述的有卡售电方式,目前还存在几种无卡售电的方式。在无卡售电使用的方式下,电力企业用于电费管理的网络设备与用户的电表之间使用网络通讯信号进行信息交互,例如利用电力线载波、无线数字电台、全球移动通信系统GSM/通用分组无线业务，485接口等。但这几种方式都存在信息传递效率低，有一定误差、充值无法及时到账、系统安全性弱、制造成本高等缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于无线混合通信的用电管理装置，以解决上述存在的技术问题。本实用新型的用电管理装置，用电户无需携带电卡外出缴费，可通过网络进行实时充值；用电管理装置的电量数据传输可靠性较高，抗干扰能力强；制造成本较低，信息安全性高，可视化较强。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于无线混合通信的用电管理装置，包括：智能电表、用户显示通信模块、用户移动端和计算机服务主站；智能电表、用户显示通信模块、用户移动端和计算机服务主站均设置有信号输入端口和信号输出端口，用户显示通信模块和用户移动端具备双通信模式，智能电表的信号输出端口与用户显示通信模块的信号输入端口相连接，用户显示通信模块的信号输出端口分别与智能电表和用户移动端的信号输入端口相连接，用户移动端的信号输出端口分别与用户显示通信模块和计算机服务主站的信号输入端口相连接，计算机服务主站的信号输出端口与用户移动端的信号输入端口相连接；智能电表与用户显示通信模块能够进行信息交互，用户显示通信模块和用户移动端能够进行信息交互，用户移动端和计算机服务主站能够进行信息交互。

进一步的，还包括蓝牙模块；蓝牙模块的主从分别安装在智能电表的上行通信信道和用户显示通信模块的下行通信信道上，智能电表与用户显示通信模块通过蓝牙模块能够进行信息交互。

进一步的，蓝牙模块为一对嵌入式蓝牙，分别嵌入智能电表与用户显示通信模块，两个嵌入式蓝牙的配对码相同。

进一步的，用户显示通信模块的上行通信信道采用GPRS或4G无线网络与用户移动端的下行通信信道连接。

进一步的，用户移动端的上行通信信道采用GPRS、CDMA或4G无线网络与计算机服务器主站连接。

进一步的，智能电表包括：第一单片机、第一无线通信模块、有功计量模块、磁保持继电器输出开关和电表电源；电表电源用于为智能电表中的用电元器件供电，第一单片机与第一无线通信模块相连接形成串口通信，第一单片机与第一无线通信模块能够进行消息交互，第一无线通信模块用于接收和发出信号能够建立智能电表与用户显示模块间的通信；第一单片机与磁保持继电器输出开关相连接，第一单片机通过电脉冲能够控制磁保持继电器输出开关的开/闭状态。

进一步的，智能电表还包括第一LCD显示屏；第一LCD显示屏与第一单片机相连接，第一单片机处理后的电量数据能够显示在第一LCD显示屏上。

进一步的，用户显示通信模块包括：第二单片机、第二LCD显示屏、第二无线通信模块、Wi-Fi无线模块和系统电源；系统电源用于为用户显示通信模块中的用电元器件提供电量；第二无线通信模块与第二单片机连接进行串口通信，第二单片机与第二无线通信模块能够进行消息交互，第二无线通信模块用于接收和发出信号能够建立智能电表与用户显示模块间的通信；第二LCD显示屏与第二单片机相连接，第二单片机将处理后的电量数据输出显示在LCD显示屏上；Wi-Fi无线模块与第二单片机连接进行串口通信，第二单片机能够与Wi-Fi无线模块进行信息交互，Wi-Fi无线模块能够接收和发出信号用于建立用户移动端与用户显示模块间的通信。

进一步的，用户移动端为智能手机。

进一步的，智能电表上设置有IC插卡槽。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的用电管理装置，用户移动端和计算机服务主站能够进行信息交互，用电户无需经常为缴交电费而奔波，可远程操作进行缴费，方便快捷，不会发生忘记或无暇交电费而停电之情形，且充值会再较短时间内到账；采用智能电表，没有破解储值卡的风险,更因为经常性通过网络监测用电而更有效制止偷电行为；通过计算机服务主站接收用电信息，可使供电部门能够掌握详细用电情况,进行更有效率的营销管理；用电户通过用户移动端接收用电信息，随时随地可以查询电量数据缴纳电费；装置的生产成本较低，操作简便，能够实现可视化，适用人群的范围较广。

进一步的，采用蓝牙模块进行数据的传输，数据传输的安全性较高，具有较高的可靠性和保密性。

进一步的，用户显示模块、用户移动端以及计算机服务器主站由于采用网络通信的方式，从而解决了用户查询电力数据的时间与空间限制，在网络通讯正常的情况下，用户可以随时随地查询用电信息或缴纳电费。本系统采用的两种通信方式数据传输效率高、造价成本小，不用像以往的智能电表需要购买频段才能完成通信。智能电表以及用户显示模块的LCD显示屏均可以显示电量数据，智能电表的显示屏同电表安装在室外，方便管理部门记录用电数据，室内用户显示模块安装在室内，从而解决部分没有或不善于使用智能移动设备的用户查询用电信息。

进一步的，智能电表上保留设置有IC插卡槽，提供原有插卡供电方式，从而解决部分用户不善于操作智能设备的问题，可提高本装置的适用范围。

附图说明

图1是本实用新型的用电管理装置的信息交互整体示意图；

图2是图1中智能电表的内部连接结构示意图；

图3是图1中用户显示通信模块的内部连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

参考图1至图3，本实用新型的一种基于无线混合通信的用电管理装置，包括：智能电表、用户显示通信模块、用户移动端、蓝牙模块和计算机服务主站，用户移动端为智能手机；智能电表、用户显示通信模块、用户移动端和计算机服务主站均设置有信号输入端口和信号输出端口，用户显示通信模块和用户移动端具备双通信模式，智能电表的信号输出端口与用户显示通信模块的信号输入端口相连接，用户显示通信模块的信号输出端口分别与智能电表和用户移动端的信号输入端口相连接，用户移动端的信号输出端口分别与用户显示通信模块和计算机服务主站的信号输入端口相连接，计算机服务主站的信号输出端口与用户移动端的信号输入端口相连接。蓝牙模块的主从分别安装在智能电表的上行通信信道和用户显示通信模块的下行通信信道上，智能电表与用户显示通信模块通过蓝牙模块能够进行信息交互。蓝牙模块为一对嵌入式蓝牙，分别嵌入智能电表与用户显示通信模块，两个嵌入式蓝牙的配对码相同。用户显示通信模块的上行通信信道采用GPRS或4G无线网络与用户移动端的下行通信信道连接。用户移动端的上行通信信道采用GPRS、CDMA或4G无线网络与计算机服务器主站连接。智能电表与用户显示通信模块能够进行信息交互，用户显示通信模块和用户移动端能够进行信息交互，用户移动端和计算机服务主站能够进行信息交互。

参考图2，智能电表包括：第一单片机、第一无线通信模块、有功计量模块、磁保持继电器输出开关、第一LCD显示屏和电表电源；电表电源用于为智能电表中的用电元器件供电，第一单片机与有功计量模块连接，其中CSE7758是用于电能计量的高性能、高精度集成电路，它将平均的有功功率以频率的形式直接输出，从而交给第一单片机进行进一步数据处理，第一单片机与第一无线通信模块相连接形成串口通信，第一单片机与第一无线通信模块能够进行消息交互，第一无线通信模块用于接收和发出信号能够建立智能电表与用户显示模块间的通信；第一单片机与磁保持继电器输出开关相连接，第一单片机通过电脉冲能够控制磁保持继电器输出开关的开/闭状态。第一LCD显示屏与第一单片机相连接，第一单片机处理后的电量数据能够显示在第一LCD显示屏上。

图2所示具有无线通信功能的智能电表结构，以单片机STC15w413AS为核心，置有LCD显示屏、无线通信模块采用蓝牙蓝牙模式、有功计量模块(CSE7758)、磁保持继电器输出开关以及电表电源。智能电表具有累加剩余功能；具备二级报警切断功能，人为不干预，5分钟恢复用户供电直至剩余电量用完，切断电源；可向用户装置发送报警电量，提醒用户购电；LCD显示屏可显示本次输入电量或金额、显示剩余电量；在提升电表本身性能基础上，仍保留IC卡插口，提供原有插卡供电方式，从而解决部分用户不善于操作智能设备的问题。

参考图3，用户显示通信模块包括：第二单片机、第二LCD显示屏、第二无线通信模块、Wi-Fi无线模块和系统电源；系统电源用于为用户显示通信模块中的用电元器件提供电量；第二无线通信模块与第二单片机连接进行串口通信，第二单片机与第二无线通信模块能够进行消息交互，第二无线通信模块用于接收和发出信号能够建立智能电表与用户显示模块间的通信；第二LCD显示屏与第二单片机相连接，第二单片机将处理后的电量数据输出显示在LCD显示屏上；Wi-Fi无线模块与第二单片机连接进行串口通信，第二单片机能够与Wi-Fi无线模块进行信息交互，Wi-Fi无线模块能够接收和发出信号用于建立用户移动端与用户显示模块间的通信。

图3所示用户显示通信模块结构示意图，用户显示通信模块具备双通信模式，下行通讯方式用与智能电表相同的无线通讯模块与智能电表间进行一对一通讯；上行通讯方式以接入移动端设备网络如WI-FI与用户移动端间建立通信，从而成为信息交换的中转模块；同时通过LCD显示屏用户可以足不出户在室内掌握用电数据或电费余额。

工作原理：

本实用新型为基于无线混合通信的用电管理系统,本用电管理系统以全新的方式能够达到无卡智能预缴电费、高效准确电量信息传送等目的。它是以一个系统方式运作,系统包括无线通信的智能电表、用户显示通信模块、可接入网络的移动端、计算机服务器主站，无线通信智能电表存储所属用电户的预付电费数值并同时记录用电量,按用电量扣除预付电费余额,当降至电费余额警戒线时,将以蓝牙通信的方式向用户显示通信模块主动发出警告信息，同时用户移动端也将收到由接入室内无线网络的用户显示通信模块通过无线网发出的警告信息。用户显示通信模块通过无线通信方式与智能电表进行信息交互，通过可视化界面可实现用户室内用电信息查询，同时还通过无线网与用户移动端进行信息交互，将用户电量信息传递给用户移动端，方便用户随时随地查询用电数据，并且将该数据和充值数据通过网络传送至管理部门计算机服务器，以便供电管理方进行用电数据统计与记录；计算机服务器记录、存储用电户的预付电费数值,以及用电量信息并将预付电费信息下传给用户移动端，预付电费充值信息以上述通信方式再由用户移动端传回用户显示通信模块，最终传至智能电表完成充值。

电表蓝牙与用户显示通信模块蓝牙配对通信的实施例：

采用一对嵌入式蓝牙模块分别嵌入智能电表与用户模块，配对成功以后，可以作为全双工串口使用，使用者无需考虑蓝牙协议，蓝牙模块进入AT模式设置参数及查询信息、并可通过AT命令切换主机和从机模式。蓝牙模块以从模式工作，电表通过TTL-232串口与嵌入的蓝牙模块连接，其波特率：38400。电表以被动模式工作，只对用户装置发来的命令做出响应。

示例蓝牙：蓝牙A地址：3014:10:271614；蓝牙B地址：2015:2:120758，具体步骤包括：

1、AT模式：两个蓝牙模块的PIO11接VCC，上电后即进入AT指令模式，都用USB转TTL模块连接到电脑的USB接口。

2、打开串口调试助手：开启2个串口调试窗口，一个打开蓝牙A的COM口，一个打开蓝牙B的COM口；其中，默认波特率一般为38400；

3、恢复A默认设置：串口调试助手A，将蓝牙A恢复默认设置：AT+ORGL\r\n；其中，

\r\n即回车、换行，在串口调试助手上输入一个回车即可；

4、设置A配对码：串口调试助手A，配置蓝牙A的配对码：AT+PSWD＝1212\r\n，其中，确保蓝牙A与蓝牙B的配对码相同，这样才能成功配对；

5、设置A主模式：串口调试助手A，将蓝牙A配置为主机模式：AT+ROLE＝1\r\n；

6、恢复B默认设置；串口调试助手B，将蓝牙B恢复默认设置：AT+ORGL\r\n；

7、设置B配对码；串口调试助手B，配置蓝牙B的配对码与蓝牙A一致：AT+PSWD＝1212\r\n；

8、设置B从模式：串口调试助手B，将蓝牙B配置为从机模式：AT+ROLE＝0\r\n；

9、查询B地址：串口调试助手B，查询蓝牙B的地址：AT+ADDR？\r\n；例如2015:2:120758；

10、蓝牙A绑定蓝牙B：串口调试助手A，蓝牙A绑定蓝牙B地址：AT+BIND＝2015,2,120758\r\n；其中，应注意把地址中的冒号换成逗号；

11、常规工作模式；2个蓝牙模块的PIO11引脚都接地，重新上电后进入常规工作模式，自动完成配对；之后，串口调试助手A和串口调试助手B就能互传数据了。

说明：因2个蓝牙模块的配对码即PSWD相同，都上电后两个蓝牙模块会自动相连；蓝牙的连接模式默认是：0——指定蓝牙地址连接模式，这样蓝牙A才能自动连接绑定的地址，如果不是模式0，设置为模式0：AT+CMODE＝0。

本实用新型的用户模块与移动端的通信：

用户户内装置同样可采用带入网协议IEEE802.11标准的嵌入式Wi-Fi无线模块，通过AT命令设置联通局域网络，在移动端例如智能手机即可与用户模块进行通信。

本实用新型的装置的查询过程的基本步骤：

步骤01.室外电表将用电信息通过无线传输通信方式发送到用户显示通信模块，通过用户显示通信模块用户可以直观系统的看到用电信息。

步骤02.用户显示通信模块利用移动端设备网络如WI-FI与管理部门相互通信，可以及时的将电力数据回传给管理部门。

步骤03.用户利用移动端与用户显示通信模块间建立的网络通信，可随时随地在移动端查询用电信息。

步骤04.管理部门通过网络信号接收到由各用户移动端上传的电量信息，并进行数据统计整理。

本实用新型的装置的缴费过程的基本步骤：

步骤01.客户移动端向管理部门发送用户发起缴费的信息。该信息指定了需要充值的电表。在本步骤中,用户通过移动端互联网发起缴费，该信息中包含了用于指定电表的信息,例如给出电表的标识信息。发起缴费的信息中还包含有给电表的充值量,例如电度数或者金额。

步骤02:管理部门向用户移动端发送预充值信息，在由移动端向用户显示通信模块发送预充值信息。在本步骤中管理部门根据用户给出的信息确定电表,再根据数据库中保存的电表与用户显示通信模块的对应关系确定用户显示通信模块,然后可以通过专用网络向用户移动端发送预充值信息，继而传送至用户显示通信模块。

步骤03:用户显示通信模块向电表发送预充值信息。具体是将预充值信息通过蓝牙发送给电表。

步骤04:电表向用户显示通信模块发送预充值响应信息。具体是电表读出最后一次充值信息,该充值信息中包含电表的已充值次数,另外还可以包含电表的剩余电量与上次充值时间等信息。在本步骤完成后,电表进入等待载波充值状态。

步骤05:用户显示通信模块给用户移动端发送回执，由移动端向管理部门中心发送预充值响应信息。

步骤06:管理部门根据预充值响应信息判断电表是否能够充值，若能够充值则跳转至步骤10，否则跳转至步骤07和步骤08。

步骤07:管理部门向用户使用的移动端通信系统发出提示信息,其内容为电表不可充值。

步骤08:移动端通信系统向用户显示通信模块发送取消充值命令。

步骤09:用户显示通信模块向电表发送取消充值命令，充值金额退回原账户。

步骤10:管理部门生成充值命令。该充值命令针对的是步骤01中指定的电表。

步骤11:管理部门向用户移动端发送充值命令，再由移动端向用户显示通信模块发送充值命令。在本步骤中管理部门根据保存的电表与用户显示通信模块对应关系,查找充值命令所针对的电表对应的用户显示通信模块,再向充值移动端发送充值命令。

步骤12:用户显示通信模块向电表发送充值命令。具体是将充值命令通过蓝牙发送给电表。

步骤13:电表验证充值命令。若充值命令正确则跳转至步骤14，充值命令错误则跳转至步骤17。

步骤14:电表根据充值命令进行充值。具体是根据充值命令中的充值的电量或金额修改电表中记录的电量或金额。

步骤15:电表向用户显示通信模块发送充值成功的响应信息。该信息同样通过蓝牙发送。

步骤16:用户显示通信模块将充值成功的响应信息发送至用户移动端，充值完成。

步骤17:电表向用户显示通信模块发送提示信息,其内容为充值命令不正确。同样通过蓝牙发送。

步骤18:用户显示通信模块将提示信息发送至用户移动端，由用户进行核查或将错误信息回传至管理部门，管理部门再作进一步处理。

本实用新型的用电管理装置，通过无线通信智能电表将电力信息发送至用户显示通信模块方便用户室内查询，用户模块又将数据传送至用户网络移动端，用户移动端不仅可查询电力数据，还将用户电力与缴费信息传送至管理部门服务器。用户在移动端缴费后，由管理部门将缴费信息回传至用户移动端，移动端再将信息回传至室内通信模块，从而通过与智能电表之间的无线通信完成电表充值。本实用新型实现了随时随地查询电量缴纳电费，实现电量数据可视化界面，电子器件间通信稳定，电费到表迅速等诸多优点。