多用戶預(yù)付費管理系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

【摘要】：該設(shè)計解決了IC卡預(yù)付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機(jī)通過RS485網(wǎng)絡(luò)對電能表進(jìn)行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。

0引言

IC卡預(yù)付費電能表采用先購電后用電的管理模式，在一定程度上解決了電力部門收取電費難的問題。然而IC卡預(yù)付費電能表存在很大的問題，首先是由于電力部門缺乏對IC卡電能表用戶的監(jiān)管，本設(shè)計的主要目的就是為了解決IC卡預(yù)付費電能表的存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機(jī)通過RS485網(wǎng)絡(luò)對電能表進(jìn)行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。

1電能表管理系統(tǒng)

為了降低成本，管理微機(jī)既作為電能表用電管理上位機(jī)，同時還和發(fā)卡機(jī)一起完成發(fā)卡任務(wù)。電能表管理系統(tǒng)如圖1所示。

管理微機(jī)與發(fā)卡機(jī)通過COM1來實現(xiàn)通信，采用RS232C通信接口標(biāo)準(zhǔn)。管理微機(jī)與電能表通過COM2來實現(xiàn)通信，采用RS485通信接口標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)卡機(jī)具備射頻卡讀寫功能。其主要作用是讀寫射頻卡，與管理微機(jī)一起實現(xiàn)用戶的開戶、交費、注銷、電量查詢等功能。

2基于射頻識別技術(shù)的電能表其主要的工作原理

4. 用戶用電前需要先到電力管理部門購買射頻卡和預(yù)交電費，由管理部門把用戶的信息及購電量錄入管理微機(jī)并由發(fā)卡機(jī)寫入射頻卡。
5. 當(dāng)用戶持有效射頻卡掠過電能表時，電能表內(nèi)的讀寫模塊首先對射頻卡進(jìn)行驗證，通過驗證后讀取射頻卡的信息，當(dāng)卡內(nèi)電費充足時為用戶供電，同時把用戶信息寫入EEPROM，且電能表開始計量用電量。
6. 電能表采用遞加計量的方式，用電量存儲在EEPROM中，且用電量每增1度存儲器存儲一次。電能計量精度為0.01度。
7. 管理微機(jī)采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)定時向網(wǎng)絡(luò)上的各個電表采集用電數(shù)據(jù)，用電數(shù)據(jù)經(jīng)管理微機(jī)處理后列出兩個名單(電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單)向網(wǎng)絡(luò)中的電能表廣播。電能表在確認(rèn)用戶卡上了黃名單后聲音與指示燈報警，提醒用戶及時充值，但電能表繼續(xù)為用戶供電；電能表在確認(rèn)用戶卡上了黑名單后，聲音與指示燈報警，且停止為該用戶供電，退出該用戶卡，電能表處于待機(jī)狀態(tài)。
8. 用戶想終止用電，只需將射頻卡再次靠近電能表，電能表再次讀取射頻卡內(nèi)的信息，把卡內(nèi)電量減去本次用電量，且把運算結(jié)果回寫射頻卡內(nèi)。同時電能表斷開繼電器，停止為該用戶供電。
9. 電能表在為某用戶供電過程中，其它射頻卡則不能刷卡用電，只有在電能表待機(jī)時才能接受另一用戶卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為lOOmm左右，因此當(dāng)有卡路過某電能表時，卡與電能表距離較遠(yuǎn)不會觸發(fā)電能表。
10. 一張卡可以在不同的電能表中使用，且可以在多個電能表上同時使用。
11. 在用電過程中如出現(xiàn)斷電，通過備用電池將用戶本次用電量存入EEPROM中。來電后，電能表繼續(xù)為該用戶供電。如用戶不想下次來電后繼續(xù)供電，只需將射頻卡再次靠近電能表，取消供電，來電后電能表將處于待機(jī)狀態(tài)。

3電能表系統(tǒng)硬件構(gòu)成

電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由七大部分組成：射頻卡讀寫模塊、電能計量模塊、存儲器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報警等。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，以MCU為核心，將其他模塊有機(jī)的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。以下各節(jié)是系統(tǒng)各部分的具體設(shè)計方案。

4軟件模塊的構(gòu)成

4.1軟件模塊的劃分

軟件采用模塊化設(shè)計，共劃分為五大模塊(如圖3)，分別為與管理微機(jī)的通訊模塊、電能計量模塊、聲光報警模塊、射頻卡讀寫模塊以及黑黃名單的驗證模塊。為了實現(xiàn)每個大模塊的功能，又把每個大模塊劃分為若干個相應(yīng)的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統(tǒng)的初始化、中斷管理和監(jiān)視以及各功能模塊的調(diào)用等。

圖3軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

4.2主程序設(shè)計

設(shè)定MCU內(nèi)部RAM的78H作為黑、黃名單標(biāo)志單元，當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FFH時，指示用戶卡已上黑名單；當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FEH時，指示用戶卡已上黃名單；為其它數(shù)據(jù)則表明用戶卡未上黑(黃)名單。在進(jìn)行黑、黃名單驗證時，程序根據(jù)驗證結(jié)果對RAM的78H寫入對應(yīng)的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無刷卡標(biāo)志單元，如電表當(dāng)前已有用戶卡在消費，79H的內(nèi)容為#FFH；當(dāng)無用戶卡在消費(電表處于待機(jī)狀態(tài))時，79H的內(nèi)容為#00H；當(dāng)正在消費的用戶卡第二次刷卡后，79H的內(nèi)容為#FEH，此時主程序檢測到這一狀態(tài)后，斷開用戶供電，計算本次用電后用戶的電費余額，且將余額回寫射頻卡。

主程序流程圖如圖4，系統(tǒng)上電時進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當(dāng)無刷卡中斷時，則不斷循環(huán)檢測卡片標(biāo)志單元79H。當(dāng)刷卡時，射頻接口模塊通過INT0請求中斷，MCU響應(yīng)中斷請求，調(diào)用讀卡子程序，此時分為兩種情況：1、如電能表處于待機(jī)狀態(tài)，則接收刷卡，讀出卡內(nèi)信息，同時，置RAM中79H的值為#FFH，然后返回主程序。主程序調(diào)用黑黃名單驗證子程序，如用戶卡已上電量不足的黑名單則報警同時返回主程序；當(dāng)用戶卡上電量小于10度的黃名單時報警但繼續(xù)為該用戶供電，直到電費全部用完后停止供電；當(dāng)用戶卡不上黑黃名單時，則正常為該用戶供電，同時調(diào)用電能計量程序。

2、如電能表處于非待機(jī)狀態(tài)，說明電能表正在為一用戶卡供電，此時首先判斷本次的刷卡卡號與正在用電的用戶卡號是否相同，如相同則為該用戶的二次刷卡，射頻接口程序把RAM的79H置#00H，然后返回主程序。主程序在檢測出79H的數(shù)據(jù)為#00H后，判斷為是用戶取消供電，主程序調(diào)用電量核算程序，把該用戶的卡內(nèi)余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調(diào)用寫卡子程序把新的電量余額回寫卡內(nèi)；如本次刷卡卡號與正在用電的用戶卡號不同，則本次刷卡無效。

電能表在執(zhí)行電能計量程序的過程中，也能響應(yīng)中斷程序。在每次執(zhí)行了黑黃名單接收程序后，進(jìn)行一次黑黃名單驗證，根據(jù)驗證結(jié)果對RAM的78H寫入對應(yīng)的值，然后返回電能計量程序。計量程序檢測78H的值，如為#FFH表明用戶卡已上新的黑名單，調(diào)用報警程序，然后切斷用戶供電，返回主程序。

4.3電能計量程序設(shè)計

電能計量子程序流程圖如圖5所示。電能計量采用遞加的方式，單片機(jī)的P3.4(TO)端輸入用電計量脈沖，計滿3200個脈沖為一度電，用電量加1，數(shù)碼顯示加1。用電量存儲在EEPROM中，每增1度電則電量重新存儲一次，管理微機(jī)定時從各個電表的EEPROM中采集用電數(shù)據(jù)。

4.4射頻接口程序

MFRC500能執(zhí)行有限的一些指令，并將這些指令傳輸?shù)組IFARE1用戶卡片上，單片機(jī)對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，需要有一個程序序列來完成，其中有對MFRC500硬件內(nèi)核寄存器的設(shè)置以及判斷。在進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)或增、減值操作之前還需要經(jīng)過復(fù)位應(yīng)答、防碰撞、選卡及認(rèn)證過程。操作流程圖如圖6所示。本設(shè)計采用基于KeilC的C語言進(jìn)行編程，調(diào)用Philips公司提供的基本庫函數(shù)來實現(xiàn)各種功能。

4.5軟件調(diào)試及仿真

本設(shè)計采用KeiluVision2調(diào)試單片機(jī)軟件，管理微機(jī)的管理數(shù)據(jù)庫采用SQLserver2000編寫。通過幾次軟件修改與電路調(diào)試現(xiàn)已實驗成功，電度表能達(dá)到設(shè)計所預(yù)期的功能，包括多張用戶射頻卡的讀寫，與主機(jī)的通訊，電能計量、顯示、存儲等。

5預(yù)付費遠(yuǎn)程電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)付費遠(yuǎn)程電能管理系統(tǒng)使用安科瑞智能管理軟件，通過用戶安裝的通訊設(shè)備與智能電能表進(jìn)行通訊，實現(xiàn)對多用戶智能電能表的抄表、控制、管理。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示：

5.1管理層

管理層是系統(tǒng)的*上層部分，通過對現(xiàn)場所采集的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算和處理，將*終得到的結(jié)論以圖形、聲音等方式展示出來，使管理人員隨時掌握現(xiàn)場的運行情況。主要包括系統(tǒng)軟件和配套的硬件設(shè)施，如服務(wù)器、射頻讀卡器。

5.2通訊層

通訊管理層是系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸的橋梁，主要作用是集中處理485總線上的所有儀表信息，完成遠(yuǎn)程抄表和數(shù)據(jù)上傳的功能，以及處理服務(wù)器端的各類遙控執(zhí)行指令。主要設(shè)備有通訊適配器、網(wǎng)絡(luò)適配器、物聯(lián)網(wǎng)模塊。

5.3設(shè)備層

設(shè)備層是數(shù)據(jù)測量的基礎(chǔ)，是構(gòu)建系統(tǒng)的必要元素，主要包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中用于測量用電信息的各類之智能電表。

6預(yù)付費遠(yuǎn)程電能管理系統(tǒng)技術(shù)特點

智能網(wǎng)絡(luò)電表采用國際超大規(guī)模集成電路及SMT工藝制造，集成化程度高，體積小，功耗低、精度高；

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊使用防雷電路，內(nèi)部強(qiáng)電與弱電采用鍍鋅屏蔽板進(jìn)行隔離，對通訊電路與其他電路分離處理，使之具備更強(qiáng)的抗干擾能力；

智能網(wǎng)路電表內(nèi)部采用多CPU結(jié)構(gòu)，一個主管計量，一個主管通訊、顯示和指示，一個負(fù)責(zé)檢測狀態(tài)，各CPU相互獨立工作，互不影響；

過載保護(hù)(限流)功能：當(dāng)用戶使用的負(fù)載超過規(guī)定負(fù)載時，系統(tǒng)將啟動過載保護(hù)，自動切斷該用戶電源供電；

控制功能：系統(tǒng)可以對用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程通斷電控制；斷電自動回復(fù)功能：在規(guī)定的斷電次數(shù)內(nèi)，用戶觸發(fā)過載保護(hù)后，待負(fù)載降至允許范圍內(nèi)系統(tǒng)將自動恢復(fù)供電；系統(tǒng)可依據(jù)實際需求對單三相戶數(shù)進(jìn)行設(shè)置，但不能超過電表已配置回路數(shù)；

數(shù)據(jù)安全：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)使用加密算法對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，保證信息安全。

7預(yù)付費遠(yuǎn)程電能管理系統(tǒng)功能特點

本系統(tǒng)采用DD/TSY1352型智能電表，具備體積小、精度高、管理功能強(qiáng)大等卓越特點，可以實現(xiàn)對用戶用電的精確管理，包括預(yù)付費、惡性負(fù)載識別、定時斷送電、電價調(diào)整、用戶用電狀態(tài)監(jiān)控、在線控制、透支用電、數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢分析等智能管理功能，可以對項目的能耗情況及實時能耗量進(jìn)行有效的監(jiān)控及管理。

產(chǎn)品遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控，節(jié)省人力，實現(xiàn)強(qiáng)大管理功能，可通過多種方式方便組網(wǎng)，如RS485專線、電話網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、光纖、無線、GPRS等；組網(wǎng)后，管理方只需要一個人，就可以通過電腦對所有用戶的用電情況進(jìn)行監(jiān)測及管理，避免了大量工作人員現(xiàn)場抄表或插卡售電，節(jié)省的大量的人力及精力，特別適合用戶數(shù)量眾多的大型商業(yè)、寫字樓的用電管理；

系統(tǒng)具備分級授權(quán)的功能，各軟件操作人員由自己的賬號及權(quán)限，各司其責(zé)，提高工作效率，系統(tǒng)會自動記錄每個操作員登陸后進(jìn)行的操作，防止工作人員作弊；

系統(tǒng)安科瑞廠家1377+-443+/09+92采用無卡式售電，用戶買的電，直接充值到用戶電表上，不需要在買電后再跑回去插卡，使用方便；將電純粹作為一種商品對待，可買可退，可批量售電，可預(yù)置，可清零，可打印單據(jù)；

系統(tǒng)具備智能用電管理功能，可以在線控制每個房間或整棟建筑的通電斷電，方便處理突發(fā)事件或進(jìn)行設(shè)備檢修；可以限制每個用戶使用的*大負(fù)荷，保障主電網(wǎng)供電穩(wěn)定；

系統(tǒng)具備惡性負(fù)載識別功能。系統(tǒng)將熱得快、電茶壺、電吹風(fēng)等容易引起火災(zāi)等安全隱患的用電設(shè)備定義為惡性負(fù)載，可以自動識別此類惡性負(fù)載，并選擇禁止使用或允許使用。系統(tǒng)通過多種參數(shù)對負(fù)載類型進(jìn)行識別，識別精確度高，且可以識別市面上流通的智能插座等改變惡性負(fù)載設(shè)備電氣特性的產(chǎn)品，杜絕用戶通過智能插座使用惡性負(fù)載。

系統(tǒng)具備定時功能，每天都可以設(shè)置八個時間段，到時間段自動執(zhí)行通電或斷電操作，方便了商戶的用電管理，避免了工作人員挨個拉閘的繁瑣操作。

系統(tǒng)具備同一房間多個回路計量、分路管理功能。照明、插座、空調(diào)等可以各設(shè)一個回路，每個回路可以執(zhí)行獨立的通斷電狀態(tài)及管理設(shè)置，統(tǒng)一計費。

系統(tǒng)可以實時查詢用戶的用電狀態(tài)、斷電記錄等，包括用戶當(dāng)前工作狀態(tài)及功率、功率因數(shù)等，*近10次斷電時間及原因；便于管理方實時掌握用戶用電情況，同時用戶對用電有疑義時可以方便地調(diào)出記錄；

系統(tǒng)具備低電量報警功能，當(dāng)用戶電量低于預(yù)警值時，電表顯示窗上會不停閃爍，并可以選擇是否斷電一分鐘進(jìn)行報警；同時操作員可以通過軟件打印處報表張貼出來，提醒用戶買電；若項目配備了短信或語音模塊、液晶可視查詢終端、LED大屏幕等輔助設(shè)備，還可以通過這些輔助設(shè)備進(jìn)行自動報警，如給客戶發(fā)低電量提醒短信等；

系統(tǒng)具備統(tǒng)計查詢功能，系統(tǒng)的所有管理操作以及用戶的所有用電信息都可以進(jìn)行統(tǒng)計分析，系統(tǒng)自動計算并生成報表，例如售電記錄、用戶用電量記錄等，為管理方提供直觀而詳盡管理依據(jù)，可以隨時看到電費收支情況，及時調(diào)整用電策略；

系統(tǒng)具備水電氣暖多能耗管理功能，通過一套系統(tǒng)及相應(yīng)基表，就可以對整個項目的用電、用水等能耗進(jìn)行綜合管理；系統(tǒng)具備卡片式管理功能，每個用戶一張感應(yīng)卡（可兼容

其他廠家一卡通），通過卡片隨時查詢自己的用電信息，在通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時也可以通過卡片實現(xiàn)買電、恢復(fù)供電等應(yīng)急功能。

產(chǎn)品安科瑞廠家1377+-443+/09+92采用標(biāo)準(zhǔn)的接口以及通訊協(xié)議，可以通過RS485接口、交互式數(shù)據(jù)庫或TCP/IP接口等，與一卡通、消防、門禁、樓宇自控、財務(wù)等其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享，實現(xiàn)集團(tuán)綜合管理，更好地體現(xiàn)管理的智能化、一體化；集團(tuán)各部門可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合管理集團(tuán)用電，只要有互聯(lián)網(wǎng)信號的地方，就可以通過相應(yīng)權(quán)限的賬號進(jìn)入能耗管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

8安科瑞Acrelcloud-3200預(yù)付費水電云平臺應(yīng)用方案

AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預(yù)付費電能表及DTSY-1352三相電子式預(yù)付費電能表配套的售電管理系統(tǒng)。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng)，達(dá)到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關(guān)閥。主要完成電能表/水表參數(shù)設(shè)置，商戶售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡便，實現(xiàn)物業(yè)公司遠(yuǎn)程實時操作實時監(jiān)控，具有良好的人機(jī)界面，能夠有效的統(tǒng)計和管理數(shù)據(jù)。安裝方便，是用電管理部門、商業(yè)廣場和物業(yè)小區(qū)，提高用電用水管理水平，解決收費難問題的理想產(chǎn)品。

8.1應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、商業(yè)廣場、公寓酒店、物業(yè)小區(qū)、寫字樓、物流倉儲、高校、連鎖超市、智慧園區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場等場所。

8.3.1房間監(jiān)控

清晰簡潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線失連情況，費用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對房間當(dāng)前實時信息進(jìn)行查看，并可了解當(dāng)天用電量和使用金額情況，可對房間內(nèi)的電表進(jìn)行各種遠(yuǎn)程控制操作，比如開戶、電價設(shè)置，售電、退電、報警金額設(shè)置、分合閘操作等等。

8.3.2電戶開表

系統(tǒng)針對商鋪開戶不僅支持一戶一表，也支持一戶掛多表的需要;支持自定義電價方案，單一電價、尖峰平谷電價、階梯電價等:支持預(yù)先設(shè)置開戶信息后期一鍵開戶;支持設(shè)置電表合額告警默認(rèn)三級告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機(jī)短信，APP推送，郵件、語音外呼、公眾號推送等。

8.3.3充電繳費

可以對已開戶的電表進(jìn)行遠(yuǎn)程充值，電費實時下發(fā)到電表。電表會根據(jù)電度走字實時扣除電費同時系統(tǒng)也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。

8.3.4財務(wù)管理

訂單總覽，安科瑞廠家1377+-443+/09+92包含系統(tǒng)里所有水電充值退費記錄，以及物業(yè)費扣費流水記錄。收入概況，可以從日，月，年，時間跨度等不同維度統(tǒng)計水電費收入情況，收入組成。

8.3.5報表

系統(tǒng)還提供了多個報表以供查詢。用電綜合報表，幫助財務(wù)統(tǒng)計每個月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費，能耗同比分析，可以比較每個月份與去年同期相比的用能差距。能耗日月年報表，按日，月，年三個不同維度查詢電表每個階段的用能情況。

9結(jié)束語

本設(shè)計解決了IC卡預(yù)付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。本設(shè)計形成產(chǎn)品后市場前景廣闊，對于我國電力市場的規(guī)劃管理將起到積極的作用。

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