专利名称：一种基于无线多跳网络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，具体的是基于无线多跳网络技术在电力系统 中使用的一种数字化、智能化和网络化用电预收费用的控制和管理系统。
背景技术：
目前，农村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。
随着科学技术的快速发展，用电经营和管理的发展趋势必然是向数字化、 智能化和网络化方向发展，传统的电能表和用电管理方式必将遭到摒弃。
发明内容
本发明的目的是针对目前农村用电和供电经营部门对电费收取存在诸多不 适的问题，而提供极为适用于农村，可实现多费率预付费控制和远程集抄管理 的一种基于无线多跳网络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-
一种基于无线多跳网络的预付费用电控制系统，包括遥控器、多个无线预 付费的电子电能表、售电机、无线多跳集中器、上位机；所述遥控器通过红外 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，上位机的串行接口通过GPRS模块连接，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无线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；如图3所示，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，红外线发送接收芯片的输入端通过 导线与8958A处理器芯片的输出端相连接，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。
上述无线预付费的电子电能表如图2所示，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；红外 线发送接收芯片的输出端通过导线与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；
上述售电机如图5所示，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，红外线发送接收芯片的输出端通过导 线与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接口与上位机的串行接口相连接进行通讯；
上述无线多跳集中器包括GPRS模块、C8051F020处理器芯片和无线通讯模
块；所述GPRS模块的通讯端与C8051F020处理器芯片对应的通讯端相连接， C8051F020处理器芯片另外的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GPRS模块,即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-
无线多跳网络是从目前的学术前沿无线网络传感器技术引用过来，通过增 加无线通讯模块来实施的。本发明的无线多跳网络系统结构示意图如图1所示， 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、无线通讯模块和无线预付费的电子电能表构成。
本发明中用户的无线预付费的电子电能表均装设有无线通讯模块，其结构 示意图如图2所示，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，但是每一个无线预付费的电子电 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；售电机通过无线红外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±央，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。
无线多跳集中器和GPRS模块结构图分别如图6、 7，采用的GPRS模块是具 备GSM/GPRS900/1800/00MHz功能的SIM300C，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、 当用户家的无线预付费电子电能表接收到抄表命令后，无线预付费电子 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
无线预付费电子电能表基于无线通讯技术和红外遥控的技术，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。本发明首次将无
线多跳通讯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， 适宜我国农村用电的特点。增强了无线抄表的适用范围，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，将军用非核心技术应用到用电 管理中，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，縮短建设周期，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l为本发明系统结构示意图。
图2为本发明的无线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。
具体实施例方式
一种基于无线多跳网络的预付费用电控制系统，包括遥控器2、多个无线预 付费的电子电能表l、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1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无线预付费的电子 电能表1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16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；
无线预付费的电子电能表1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IO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、一种基于无线多跳网络的预付费用电控制系统，包括遥控器(2)、多个无线预付费的电子电能表(1)、售电机(3)、无线多跳集中器(7)、上位机(4)；其特征在于1)、所述遥控器(2)通过红外线与电子电能表(1)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，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无线预付费的电子电能表(1)相传导；2)、上述遥控器(2)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(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(16)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；3)、上述无线预付费的电子电能表(1)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)；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；4)、上述售电机(3)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； 5)、上述无线多跳集中器(7)包括GPRS模块(6)、C8051F020处理器芯片(14)和无线通讯模块(8)；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；6)、上述上位机(4)在嵌入式CPU芯片对应的输出端口连接有GPRS模块(6)。
全文摘要
一种基于无线多跳网络的预付费用电控制系统，包括遥控器、多个无线预付费电子电能表、售电机、无线多跳集中器和上位机；遥控器通过红外线与无线预付费电子电能表或售电机相传导；售电机的接口通过数据线与上位机的通讯接口相连接，上位机的串行接口通过GPRS模块连接，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电波分别与带有NRF905无线通讯模块的多个无线预付费的电子电能表相传导；本发明设计科学、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G07F15/06GK101364341SQ20081001333
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月23日 优先权日2008年9月23日
发明者洋 于, 亮 陈 申请人:沈阳理工大学