智慧电能终端及其控制方法与流程

本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及一种电能终端及其控制方法。

背景技术：

当前智能电表已经进入千家万户成为普遍安装的计量装置。智能电表本身功能强大，能很好的满足用户日常功能需求。但由于安装位置的限制，以及受安全预防及防窃电等一系列客观因素影响，使其从设计之初就不是针对普通用户，存在工业设计界面难读、电费充值不方便、不能直接有效的提示用户电费余额不足等诸多问题，使得智能电表的作用在普通用户方面没能真正发挥。

技术实现要素：

本发明的目的是在不影响现有智能电表设备和电能系统正常使用的前提下，提供一种智慧电能终端及其控制方法，该智慧电能终端能在用户家中任意位置安置，通过与220V电力线相连接，以220V电力线为通信介质，通过载波通信方式与智能电表通信，解决用户难以实时查询家庭用电情况，电费充值不方便和电费余额不足时不能得到有效提醒的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智慧电能终端，安置于室内，与220V电力线相连接，包括电源通信模块和用户终端模块，电源通信模块和用户终端模块采用分离式设计；

电源通信模块包括电源电路和载波通信电路；

用户终端模块包括微处理器，与微处理器相连接的IC卡接口电路、指令输入电路、显示屏电路、存储器电路以及ESAM加密认证模块电路；

电源电路的输入端与220V电力线相连接，输出端分别与载波通信电路和用户终端模块相连接，负责提供载波通信电路和用户终端模块的电源；

载波通信电路分别与220V电力线和用户终端模块相连接，负责用户终端模块和智能电表之间的通信。

这里，电源通信模块里的电源电路和载波通信电路都需要与220V电力线相连接，如果按照通常方式采用电源通信模块和用户终端模块一体化设计，会造成强电信号和弱电信号在一起相互干扰的问题。本发明采用电源通信模块和用户终端模块分离式设计，不但解决了强电信号和弱电信号在一起的信号干扰问题，还解决了模块的散热问题，提高了智慧电能终端的安全性。

更优地，电源通信模块还包括电源通信接口电路；所述电源通信接口电路包括电源通信接口A；所述用户终端模块还包括与电源通信接口A相对应的电源通信接口A′；

电源电路输出到用户终端模块的电源和载波通信电路与用户终端模块交互的通信信号都进入电源通信接口电路，经处理后通过电源通信接口A和电源通信接口A′进行交互，电源通信接口A和电源通信接口A′通过数据线相连接。

这里，如果将电源电路的电源接口和载波通信电路的通信接口分别与用户终端模块相连接，会造成线路繁琐，使用不便的问题。本发明设计的电源通信接口电路，将电源电路输出的电源和载波通信电路交互的通信信号经电源通信接口电路处理后通过电源通信接口A传输到用户终端模块的电源通信接口A′，既减少了用户终端模块的接口数量，还提高了外接接口的美观性。

更优地，电源电路包括AC-DC单元和DC-DC单元。

更优地，用户终端模块还包括与微处理器相连接的LED灯电路、蜂鸣器电路以及温湿度传感器电路。

更优地，用户终端模块包括采用独立电池供电的时钟电路。

这里，采用独立电池供电的时钟电路计时，而不采取载波通信方式去获取智能电表的时间，避免了对载波通信信道产生过多的干扰，解决了载波通信干扰较多的问题。

更优地，载波通信电路采用载波通道芯片TCC081C。

本发明还提供了一种根据上述智慧电能终端的控制方法，包括以下步骤：

（1）系统运行；（2）判断是否有卡插入，若是则进入下一步；（3）读取卡中表号，判断是否为该终端所绑表号，若是则进入下一步，若否则流程结束并输出提示信息；（4）卡ESAM认证，认证通过则进入下一步，认证失败则流程结束并输出提示信息；（5）检测卡中余额，若有余额则进入下一步，若无余额则流程结束并输出提示信息；（6）侦听通信线路状态，若无通信冲突则进入下一步，若有通信冲突则延时再次侦听；（7）检测与智能电表通信状态，若通信正常则进入下一步，若通信异常则流程结束并输出提示信息；（8）与智能电表远程ESAM认证，若认证通过则进入下一步，若认证失败则流程结束并输出提示信息；（9）电费充值，若充值成功则进入下一步，若充值失败则流程结束并输出提示信息；（10）返写卡信息；（11）流程结束并输出提示信息。

本发明还提供了一种根据上述智慧电能终端的控制方法，包括以下步骤：

（1）系统运行；（2）判断是否定时查询时间到，若是则进入下一步；（3）微处理器发送数据读取指令；（4）侦听通信线路状态，若无通信冲突则进入下一步，若有通信冲突则延时再次侦听；（5）读取智能电表数据；（6）数据校验；（7）数据存储；（8）电费余额检测，若余额低于阈值则进入下一步，若余额大于或等于阈值则流程结束；（9）发出报警信号；（10）流程结束。

本发明还提供了一种根据上述智慧电能终端的控制方法，包括以下步骤：

（1）系统运行；（2）判断用户是否按键查询实时数据，若是则进入下一步；（3）微处理器发送数据读取指令；（4）侦听通信线路状态，若无通信冲突则进入下一步，若有通信冲突则延时再次侦听；（5）读取智能电表数据；（6）数据检验；（7）输出数据；（8）流程结束。

本发明还提供了一种根据上述智慧电能终端的控制方法，包括以下步骤：

（1）系统运行；（2）判断用户是否按键查询过去数据，若是则进入下一步；（3）微处理器发送数据读取指令；（4）读取存储器数据；（5）数据处理；（6）输出数据；（7）流程结束。

本发明的有益效果是：与现有的智能电表和集中充值终端相比，本发明提供了一种智慧电能终端，安置于室内，与220V电力线相连接，以220V电力线作为通信介质，通过载波通信方式与智能电表通信；该智慧电能终端包括电源通信模块和用户终端模块，电源通信模块和用户终端模块采用分离式设计，解决了信号干扰问题，提高了智慧电能终端的抗干扰能力，散热能力和安全性；该智慧电能终端通过读取用户插入的电卡，能够将卡中充值金额准确、安全地充入用户自己的智能电表中；通过定时查询机制，能将用户用电情况参数存储备用，还能在电费余额低于阈值时，通过声光报警提醒用户充值，避免因电费不足造成的断电；通过按键查询机制，能够查询实时用电数据，还能查询用户过去24小时、过去7天和过去3个月三种用电参数统计图表，帮助用户了解用电情况从而实现节电目的。

附图说明

图1是本发明的安装连接拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例的电源通信模块硬件连接示意图；

图3是本发明实施例的用户终端模块硬件连接示意图；

图4是本发明实施例的电源通信接口电路的电路图；

图5是本发明实施例电费充值流程图；

图6是本发明实施例定时查询流程图；

图7是本发明实施例按键查询实时数据流程图；

图8是本发明实施例按键查询过去数据流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1所示，本发明的智慧电能终端安置于用户室内任意位置，与220V电力线连接，以220V电力线作为通信介质，通过载波通信方式与智能电表通信。

如图2、图3和图4所示，本发明的智慧电能终端包括电源通信模块和用户终端模块，电源通信模块和用户终端模块采用分离式设计。

电源通信模块包括电源电路、载波通信电路和电源通信接口电路。

电源电路与220V电力线相连接，通过AC-DC单元将220V电压变换为5V电压输出，输出的一路为载波通信电路提供电源，另一路为用户终端模块提供电源，还有一路通过DC-DC单元变换为12V电压，为载波通信电路提供电源。

载波通信电路与220V电力线相连接，以220V电力线作为通信介质，采用载波通信方式实现用户终端模块和智能电表之间的通信。载波通信电路通过RS232信号与用户终端的MCU通信，智能电表内置载波通信模块。载波通信电路采用载波通道芯片TCC081C。

电源电路输出给用户终端模块的5V电源和载波通信电路与用户终端模块交互的RS232通信信号，都接入电源通信接口电路，经处理后通过电源通信接口A与用户终端模块的电源通信接口A′进行交互，电源通信接口A和电源通信接口A′通过数据线相连接，电源通信接口A和电源通信接口A′为相同的接口。

电源通信接口A的pin1为5V的Vcc电压，pin2为RX收信号端，pin3为TX发信号端，pin4为GND接地端。

用户终端模块包括MCU，与MCU相连接的电源通信接口A′、IC卡接口电路、按键电路、LCD显示屏电路、存储器电路、单色LED灯电路、蜂鸣器电路、ESAM加密认证模块电路、温湿度传感器电路、时钟电路以及ESAM加密认证模块电路。MCU采用芯片STM32F101RB。时钟电路采用独立电池供电。

电源通信接口电路是用户终端模块与载波通信电路之间的通信通道，MCU用于指令的处理和命令的解析，LCD显示屏为用户显示界面，存储器用于用户查询结果数据的存储，IC卡接口电路用于读取电卡数据并传输到MCU，ESAM加密认证模块用于充值电费的处理，单色LED灯和蜂鸣器用于与用户交互，表现智慧电能终端的工作状态和用于用户电费余额不足时的提醒，温湿度传感器用于探测当时室内温度与湿度并传输到MCU，时钟电路用于计时并将时间信息传输到MCU。

当MCU第一次经电源通信接口A′供电后，会进行智慧电能终端自检、会提示绑定电卡，将用户的电卡插入IC卡读卡器实现绑卡，然后智慧电能终端正常启动电费充值功能、定时查询功能和用户查询功能。

如图5所示的用户电费充值流程，本发明采用的IC卡读卡器符合ISO7816-4国际智能卡标准，电费充值步骤如下：在检测到电卡插入以后，读取卡中存储的电表号，MCU将电表号与存储器中的电表号进行比对，判断电卡是否正确；ESAM加密认证模块与电卡交互，进行本地身份认证，判断电卡的合法性；若卡中余额大于0，则载波通信电路侦听通信线路状态，若有载波信号冲突则延时再次侦听，若无载波信号冲突，MCU通过电源通信接口A′向载波通信电路发送校验指令，载波以9600bps的波特率将指令转发至智能电表，在收到智能电表返回的确认指令后判断通信正常；MCU将电卡数据经载波通信电路调制后通过电力线路发送至智能电表验证，认证通过后电表随即返回确认信息；MCU将充值数据经载波通信电路调制后通过电力线路发送至智能电表，电表解析充值数据、成功充值后通过载波信号返回充值记录信息；读卡器将充值记录信息写入电卡中，充值完成，流程结束。

如图6所示的定时查询流程，智能电表具有电量记录块，电量记录块是以时间为检索单位的电量记录单元。本发明的智慧电能终端具有定时查询功能，每间隔1小时自动查询用户用电情况数据和电费余额数据，包括以下步骤，当定时查询时间到，微处理器通过电源通信接口A′发送读取智能电表电量记录块数据的指令；载波通信电路侦听通信线路状态，若有载波信号冲突则延时再次侦听，若无载波信号冲突，则载波通信电路发出的载波以9600bps的波特率，采用Even校验，8字节，1个停止位的格式，将指令转发至智能电表进行查询；智能电表自动返回指定时间的电量情况，MCU将数据进行校验后存储到存储器以备随时调用；MCU通过电源通信接口A′发出读取智能电表电费余额数据的指令，若智能电表返回的电费余额值低于设定的阈值，则采用声光报警方式提示用户，单色LED灯闪烁和蜂鸣器发出报警声音，用户通过按按键确认收到提示或者经过一定时间后自动停止提示，流程结束。

如图7所示，本发明的智慧电能终端具有按键查询实时用电数据功能，可以查询如下参数：当前功率，当前电费余额、当前电流、当前电价、当前电压。包括以下步骤：当接收到用户查询实时数据命令后，MCU通过电源通信接口A′发送读取智能电表数据记录块的指令；载波通信电路侦听通信线路状态，若有载波信号冲突则延时再次侦听，若无载波信号冲突，则载波通信电路发出的载波以9600bps的波特率，采用Even校验，8字节，1个停止位的格式，将指令转发至智能电表进行查询，以得到最新的数据。查询命令为国家电力行业标准DLT645-2007规定的协议。其命令格式为：帧起始符+表地址+帧起始符+控制码+数据长度+数据域+校验码+结束码。根据用户查询的实时数据内容不同，MCU会组织不同查询命令对智能电表进行查询。MCU通过TX线把查询命令发送到后，智能电表接收到查询命令，通过载波将数据按照协议打包后通过RX线返回MCU，MCU将收到数据后检验数据的校验码、解码数据域，经过数据转换和处理，通过MCU的8位并行接口（D0~D7）将实时数据传输到LCD显示屏电路的并行接收引脚（DB0~DB7），并按照时序对LCD接口的RS，R/W，EN，RESET接口进行操作，将数据写入LCD显示屏电路进行显示。

如图8所示，本发明的智慧电能终端具有按键查询过去24小时电量图表、过去1周电量图表和过去3个月电量图表数据功能，当接收到用户查询过去24小时、1周或者3个月的电量数据命令后，MCU从存储器读取对应的数据，经过运算和图表化数据处理后，通过MCU的8位并行接口（D0~D7）将实时数据传输到LCD显示屏电路的并行接收引脚（DB0~DB7），并按照时序对LCD接口的RS，R/W，EN，RESET接口进行操作，将数据写入LCD显示屏电路进行显示。

时间信息、日期信息和温度湿度信息在LCD显示屏实时显示。

通过本发明，用户可随时在室内查询实时负荷、电压、电流等信息，直观地了解室内电器的实时总功率；同时本发明通过定时查询机制得到历史电量数据，以此为基础计算单位时间段（小时、天、月）内的用电量，根据不同时间段内用电量数据的相对比例生成相应高度的柱状图形，将用户历史用电数据可视化，并把结果呈现给用户，包括过去24小时、过去7天、过去3个月三种类型的统计图形。本发明采用了将用电数据可视化展现的方式，让用户切实感知自身用电习惯，辅助用户制定用电计划，从而优化用电行为。

大量调研表明，若使用有效技术向电力用户反馈负荷用电信息，即便不采取任何自动调控措施，用户自愿的优化用电也能达到明显的节能效果。英国牛津大学ECI（Environmental Change Institute）的研究报告表明：在无分时电价激励的情况下，用户若能明确得知总功率瞬时值，便可节能5~15%，均值约为9.2%。

参考文献：S. Darby. The Effectiveness of Feedback on Energy Consumption[R]. Oxford，UK：Environmental Change Institute，University of Oxford，2006。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。