摘 要： 提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的電度表計費和繳費方案。采用具有以太網(wǎng)模塊的單片機PIC18F66J60實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，采用無線收發(fā)芯片CC1000實現(xiàn)計費終端與電度表的通信。該系統(tǒng)能夠滿足用戶方便快捷購電的要求。
關(guān)鍵詞： 電度表；互聯(lián)網(wǎng)；繳費；單片機； 無線收發(fā)
我國電力用戶多，并且大部分地區(qū)沿用人工抄表、人工收費的工作方式，造成大量的人力和物力的浪費[1]。IC卡式預(yù)付費電度表[2，3]雖然易用性上獲得一定的改善，但是繳費需要去指定地點刷卡；一些自動抄表系統(tǒng)[4]也很具吸引力，但是運營成本較高。同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，中國互聯(lián)網(wǎng)用戶將突破4億，通過互聯(lián)網(wǎng)繳費已成為很多家庭的選擇。本文采用PIC18F66J60單片機設(shè)計的電度表互聯(lián)網(wǎng)繳費與自動計費系統(tǒng)可以適應(yīng)這種需要，減少人力物力的浪費。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由兩個具有收發(fā)功能的模塊組成，兩個模塊同時工作實現(xiàn)電度表和互聯(lián)網(wǎng)之間的相互通信。電度表端主要包含三部分：一個具有數(shù)字讀數(shù)信號和三個配置信號的電度表、一個無線收發(fā)芯片、一副天線。互聯(lián)網(wǎng)端主要由三部分組成：一個具有以太網(wǎng)模塊的單片機、一個無線收發(fā)芯片、一副天線。此外，還包含電源電路和一些接口電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中CC1000是無線收發(fā)芯片，PIC18F66J60是具有1個SPI接口和以太網(wǎng)模塊的單片機。
1.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)采用無線收發(fā)芯片將電度表讀數(shù)發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)端，互聯(lián)網(wǎng)端的無線收發(fā)芯片接收電度表讀數(shù)，單片機對接收到的電度表讀數(shù)進行計算轉(zhuǎn)換為當(dāng)月應(yīng)該繳納的電費。單片機模塊包含數(shù)碼管顯示部分，應(yīng)繳的電費將在數(shù)碼管上顯示，同時單片機將應(yīng)繳納的電費發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，通過計算機終端訪問單片機，并將應(yīng)繳納的電費讀到計算機上，并在人機交互界面上進行顯示。只需點擊繳費按鈕，即可發(fā)送控制信號給單片機，進而通過無線收發(fā)芯片控制用電開關(guān)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)三種功能。
(1)抄表。電度表每月月初和月末分別發(fā)送讀數(shù)給單片機，單片機計算兩者之差作為當(dāng)月用電量。
(2)計費。單片機將當(dāng)月用電量乘以從電能供應(yīng)商處獲得的用電單價，得到當(dāng)月應(yīng)繳電費。
(3)繳費。單片機將當(dāng)月應(yīng)當(dāng)繳納的電費發(fā)送到電能供應(yīng)商提供的服務(wù)器上，確認(rèn)之后，從電能供應(yīng)商服務(wù)器發(fā)送用電許可指令給單片機，單片機閉合用電開關(guān)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
具有以太網(wǎng)模塊的單片機PIC18F66J60是整個系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的計算和控制，本設(shè)計主要用到了PIC18F66J60的以太網(wǎng)模塊專用數(shù)據(jù)接口、I/O口以及SPI接口。兩個收發(fā)芯片輔助完成電度表、單片機和互聯(lián)網(wǎng)之間的通信。
2.1 電度表端的電路設(shè)計
電度表端電路(如圖2)采用Chipcon公司的無線收發(fā)芯片CC1000。CC1000可以在315/433/915 MHz ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻帶系統(tǒng)上應(yīng)用，采用FSK調(diào)制，可采用3.3 V電源供電。芯片內(nèi)部的T/R切換電路簡化了天線連接和匹配電路設(shè)計，通過編程可方便選擇芯片的工作頻帶，輸出功率可編程。該芯片具有28個管腳，其中，PALE、PDATA、PCLK是芯片的可編程串行接口，通過該接口可對芯片的36個配置寄存器執(zhí)行讀寫操作。DCLK、DIO用來與電度表交換數(shù)據(jù)，其中DCLK為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘，由CC1000提供。
2.2 互聯(lián)網(wǎng)端的電路設(shè)計
互聯(lián)網(wǎng)端采用CC1000實現(xiàn)無線收發(fā)，為了簡化電路設(shè)計，天線采用印制電路板天線，無線收發(fā)距離通過單片機寫CC1000的功率控制寄存器進行配置。互聯(lián)網(wǎng)接口電路采用具有以太網(wǎng)模塊的單片機芯片PIC18F66J60，該單片機具有64 KB內(nèi)部Flash存儲器，因而不需要擴展EEROM即可實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的永久保存。這款單片機集成MAC和10 Base-T PHY，支持10 Base-T端口，在發(fā)生沖突時可編程自動重發(fā)，并可拒絕錯誤數(shù)據(jù)包，并且它具有完整的網(wǎng)路連接解決方案，外加兩個脈沖變壓器和一些無源器件即可與以太網(wǎng)連接。此外，PIC18F66J60具有一個主同步串行口模塊，支持SPI和I2C兩種模式，本文中使用SPI模式配置無線收發(fā)芯片。單片機與無線收發(fā)芯片的接口通過SPI口和兩個普通I/O口實現(xiàn)，TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-這四個引腳是單片機的以太網(wǎng)模塊專用信號接口，單片機通過這四個引腳外加一些外部元件(圖3中SC模塊)與互聯(lián)網(wǎng)連接。
2.3 電源模塊設(shè)計
采用電源適配器提供5 V的直流電壓，無線收發(fā)芯片CC1000采用3.3 V直流供電電壓，PIC18F66J60也可采用3.3 V電源。AMS1117是5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片，該LDO可以提供1 A的輸出電流，具有低于1 V的輸入輸出電壓差，并且電路簡單，只需要在輸入輸出端加一定的濾波電容即可正常工作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件包含PIC18F66J60的相關(guān)程序、電度表端程序設(shè)計、CC1000配置程序和主機端操作界面程序。PIC18F66J60相關(guān)程序主要完成：對電度表讀數(shù)進行接收和計算當(dāng)月電費，接收來自電度表端的讀數(shù)數(shù)據(jù)，每月月初和月底的電度表讀數(shù)差乘以用電單價即可得到當(dāng)月應(yīng)繳電費；保存過去12個月的用電清單(包含用電量、單月電費和用電單價)；每月月底向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端繳費；從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端讀取繳費信息，并存入單片機內(nèi)部Flash，從規(guī)定繳費時刻算起，當(dāng)欠費時間大于10小時，紅色LED指示燈亮，提醒用戶需要繳費，當(dāng)欠費時間大于24小時時，PIC18F66J60向電度表發(fā)送停止供電指令，用電開關(guān)自動斷開，充值后，PIC18F66J60發(fā)送供電指令，閉合用電開關(guān)。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得用電單價信息，實時更新單片機內(nèi)部Flash的用電單價。PIC18F66J60相關(guān)程序流程圖如圖4所示。
電度表端程序主要實現(xiàn)以下功能：每個月第一天上午8點和最后一天上午8點發(fā)送電度表讀數(shù)給電度表端的CC1000，控制CC1000工作在發(fā)送狀態(tài)，其他時間控制CC1000工作于接收狀態(tài)。CC1000配置芯片工作參數(shù)，先要復(fù)位CC1000，然后根據(jù)時序要求配置寄存器，校正收發(fā)支路即可使CC1000正常工作。主機端操作界面由ASP語言和SQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，向用戶提供繳費、用電單價、以及打印過去12月用電量和用電費用清單信息，同時為用戶提供了友好的基于Web的操作界面，可以采用瀏覽器直接訪問服務(wù)器。
本文采用PIC18F66J60設(shè)計的電度表互聯(lián)網(wǎng)繳費與自動計費系統(tǒng)，很好地繼承了過去沿用的用電繳費習(xí)慣，具有硬件簡單，易于實現(xiàn)、成本低、操作簡單等優(yōu)點。通過實驗驗證，以一臺計算機作為服務(wù)器，與該計算機通過交換機連接的收費終端可以通過網(wǎng)絡(luò)進行繳費。該系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)IP的獨立性，可以利用MAC地址區(qū)別用戶終端，并且每個CC1000都配置有唯一的標(biāo)識碼，是一種低運營成本的有效繳費和計費方式。
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