• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    本实用新型提供一种智能电表管理系统，包括以下：主控芯片、计量电路、电源电路、掉电检测电路和继电器电路；所述计量电路一端与电表电性连接，另一端与所述电源电路通过SPI通信线路电性连接；所述主控芯片与掉电检测电路的一端和继电器电路的一端电性连接；所述主控芯片与Zigbee通讯模块电性连接；所述Zigbee通讯模块与网关电性连接；所述网关与服务器通过无线通讯；所述电源电路与所述主控芯片、计量电路、掉电检测电路和继电器电路电性连接。本实用新型提供的有益效果是：多块智能电表作为终端组网，网关模块再将数据整理统一发送给服务器，这样可以大大简化集中表箱中的走线，且方便维护人员维护。
    公开号:CN214335203U
    申请号:CN202120054079.1U
    申请日:2021-01-08
    公开日:2021-10-01
    发明作者:李清海；朱黎；田相鹏；杨晨；肖雨；刘伟
    申请人:Hubei University for Nationalities；
    IPC主号:G01R35-04
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及领域，尤其涉及一种智能电表管理系统。
    [n0002] 智能电表是支撑智能电网计量体系的关键设备。目前的居民用电往往是将电表集中放入一个表箱中，市面上智能电表经常以RS-485为主要通讯主体，这会造成在大量智能电表集成的表箱里走线复杂，且不易维护，成本过高，若通讯接线RX与TX接反则通讯崩溃且不易发现，这样通讯出现问题会对售电单位造成巨大的损失。还有一类会使用Nb-IoT通讯，确保了简易的走线和通讯质量，但是每件智能电表都安装Nb-IoT模块成本又非常高，造成智能电表性价比低。
    [n0003] 有鉴于此，针对以上技术问题，本实用新型以STM32为MCU的智能电表和Zigbee通讯，基于LwIP通讯协议组成一个智能电表管理系统。Zigbee无线传感网络具有成本低廉、功耗低微、时延短暂、自组能力强等显著优势，不光可以精确的测量电气参数的同时，通讯质量良好的Zigbee模块通讯，将多块智能电表作为终端组网，网关模块再将数据整理统一发送给服务器，这样可以大大简化集中表箱中的走线，且方便维护人员维护。
    [n0004] 本实用新型提供的一种智能电表管理系统，具体包括
    [n0005] 主控芯片、计量电路、电源电路、掉电检测电路、继电器电路、Zigbee通讯模块、网关和服务器；
    [n0006] 所述计量电路一端与电表电性连接，另一端与所述电源电路通过SPI通信线路电性连接；
    [n0007] 所述主控芯片与掉电检测电路的一端和继电器电路的一端电性连接；
    [n0008] 所述主控芯片与Zigbee通讯模块电性连接；所述Zigbee通讯模块与网关电性连接；
    [n0009] 所述网关与服务器通过无线通讯；
    [n0010] 所述电源电路与所述主控芯片、计量电路、掉电检测电路和继电器电路电性连接。
    [n0011] 进一步地，所述计量电路由信号采集电路和计量芯片电路组成；所述信号采集电路一端与市电连接；另一端与所述计量芯片电路电性连接。
    [n0012] 进一步地，所述计量芯片电路的计量芯片为ATM90E26。
    [n0013] 进一步地，所述电源电路包括保护电路和5W电源模块；所述保护电路由保险丝F1，温敏电阻,压敏电阻组成；保险丝F1的一端与市电电气连接；另一侧与5W电源模块电性连接；所述5W电源模块分别与稳压器AMS1117_5V、稳压器AMS1117_3.3V电性连接。
    [n0014] 进一步地，所述掉电检测电路由电压跟随器和光电耦合器组成；电压跟随器的一端与市电电气连接，另一端与光电耦合器的一端电性连接；光电耦合器的另一端与主控芯片的ADC电性连接。
    [n0015] 进一步地，所述继电器电路的另一端与电表的控制芯片电性连接。
    [n0016] 进一步地，所述Zigbee通讯模块采用CC2530射频芯片。
    [n0017] 所述网关将一个电表柜里的所有电表通过Zigbee通讯模块的协调器组网；Zigbee通讯模块的协调器通过串口来与所述主控芯片通信；所述网关通过路由器与服务器无线通讯。
    [n0018] 本实用新型提供的有益效果是：多块智能电表作为终端组网，网关模块再将数据整理统一发送给服务器，这样可以大大简化集中表箱中的走线，且方便维护人员维护。
    [n0019] 图1是本实用新型一种智能电表管理系统的结构图；
    [n0020] 图2是本实用新型一种智能电表管理连接原理图；
    [n0021] 图3为智能电表系统与服务器连接网络示意图；
    [n0022] 图4为本实用新型电源电路的基本框图；
    [n0023] 图5为本实用新型电源电路的电路原理图；
    [n0024] 图6是本实用新型计量电路的原理图；
    [n0025] 图7是本实用新型SPI通信接口原理图；
    [n0026] 图8是本实用新型掉电检测电路原理图；
    [n0027] 图9是本实用新型继电器电路原理图；
    [n0028] 图10是本实用新型Zigbee通讯模块电路原理图；
    [n0029] 图11是本实用新型网关电路原理图。
    [n0030] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。
    [n0031] 请参考图1，一种智能电表管理系统，包括以下：
    [n0032] 主控芯片、计量电路、电源电路、掉电检测电路、继电器电路、Zigbee通讯模块、网关和服务器；
    [n0033] 所述计量电路一端与电表电性连接，另一端与所述电源电路通过SPI通信线路电性连接；
    [n0034] 所述主控芯片与掉电检测电路的一端和继电器电路的一端电性连接；
    [n0035] 所述主控芯片与Zigbee通讯模块电性连接；所述Zigbee通讯模块与网关电性连接；
    [n0036] 所述网关与服务器通过无线通讯；
    [n0037] 所述电源电路与所述主控芯片、计量电路、掉电检测电路和继电器电路电性连接。
    [n0038] 本实用新型中，主控芯片采用STM32F103，其是电表的控制核心。计量电路的计量芯片采用ATM90E26，基于以上连接结构，本实用新型实现的原理如下：
    [n0039] 市电经电压电流采集电路将参数存入计量芯片ATM90E26的寄存器中，计量芯片再通过SPI通信传输给控制芯片。数据经过主控芯片的处理通过串口给Zigbee通讯模块再传给网关，同时数据还会通过串口传输到HIM串口屏上显示。周围的模块电路受到主控芯片控制，电源模块给整个系统提供需要的工作电压。这里外围电路包括串口、按键、时钟等，非重点内容，不作解释。
    [n0040] 请参考图2，本实用新型将一个电表柜里的所有电表通过Zigbee组网最终与协调器无线通信，Zigbee通讯模块的协调器通过串口来与网关通信，最终表柜里的网关设备最后通过Nb-Iot模块或者路由器将数据上传服务器。
    [n0041] 请参考图3，基于图2的连接原理；图3中，每一个智能电表都是在Zigbee组网中的终端设备，每个智能电表的电气参数都会与自己组网内的协调器通讯，协调器会按照顺序将数据传输给网关，在网关内可以对数据进行相应的识别处理，如可以进行异常用电的识别；长时间高负荷运行；用电是否有窃电行为。通过相关的算法识别后将结果上传服务器。这里的相关算法非本实用新型内容，本实用新型只强调电表管理系统的连接方式。
    [n0042] 所述电源电路包括保护电路和5W电源模块；所述保护电路由保险丝F1，温敏电阻,压敏电阻组成；保险丝F1的一端与市电电气连接；另一侧与5W电源模块电性连接；所述5W电源模块分别与稳压器AMS1117_5V、稳压器AMS1117_3.3V电性连接。
    [n0043] 请参考图4和图5，图4为本实用新型电源电路的基本框图；图5为本实用新型电源电路的电路原理图。
    [n0044] 电源电路主要是给整个智能电源提供稳定的+5V和+3.3V的稳定工作电压。市电220V电压的火线端、零线端接入电表端口。经过保险丝F1，温敏电阻,压敏电阻组成保护电路。保险丝在电流过大时会自动熔断，起到保护电路的作用；温敏电阻是防止电路上电后，给滤波电容充电时的冲击电流过大，且电流过大时线路温度升高，温敏电阻的阻值上升从而达到限流的作用；压敏电阻则是起到钳位的作用。电容与电感组成滤波电路，过滤掉市电中的高频信号与共模干扰。5W电源模块直接将220V的交流电压转换为+12V的直流电压，12V的直流电压再经AMS1117_5V与AMS1117_3.3V两个稳压器输出+5V与+3.3V的电压。
    [n0045] 述计量电路由信号采集电路和计量芯片电路组成；所述信号采集电路一端与市电连接；另一端与所述计量芯片电路电性连接。
    [n0046] 请参考图6，图6是本实用新型计量电路的原理图；
    [n0047] 计量电路主要以计量芯片ATM90E26为核心的测量电路，计量芯片ATM90E26芯片内部集成了三个Σ-Δ型ADC(模拟量转数字量)。Σ-Δ型ADC将采样电路的模拟信号经Σ-Δ调制器以及数字抽取滤波器处理后，转换为数字信号送至DSP模块中。DSP模块将数字信号经过进一步数据处理后，把计算得到的电能、功率、电压、频率等电气信息放至相应的寄存器。火线与零线分别经过电压电流采样电路后，将电压值缩小至计量芯片可测量的电压范围，本设计将计量芯片测量增益配置为1时，电压电流端口交流有效值电压为120μV—600mV。零线的电流测试端口为引脚I2P与I2N，火线的电流测试端口为引脚I1P与I1N，就此完成电流采集；电压值测量端口为VP与VN引脚。Reset引脚引出硬件重置电路，USEL为通讯方式选择引脚，当输入低电平时计量芯片与控制芯片STM32F103为SPI通信，当输入高电平时计量芯片与控制芯片为串口通信。本实用新型选择SPI通信，R7电阻为预留电阻，在焊接时不连接可将USEL引脚拉低至低电平。SDI、SDO、SCLK、CS引脚组成SPI通讯接口，将各个数据寄存器的数据传输给控制芯片。OSCO与OSCI连接一个8MHZ的无源晶振为计量提供工作频率。
    [n0048] 请参考图7，图7是本实用新型SPI通信接口原理图；
    [n0049] 所述掉电检测电路由电压跟随器和光电耦合器组成；电压跟随器的一端与市电电气连接，另一端与光电耦合器的一端电性连接；光电耦合器的另一端与主控芯片的ADC电性连接。
    [n0050] 请参考图8，图8是本实用新型掉电检测电路原理图；
    [n0051] 掉电检测电路主要市电接入电压互感器将电压降压后，然后接一个由运算放大器组成的电压跟随器将电流放大，使电流大小可以驱动光电耦合器，光电耦合器再将电压值传给控制芯片STM32F103的ADC。其中光电耦合器起到电气隔离的作用，可以防止过大的电流直接接入控制芯片把芯片烧毁。当市电火线上失压时，ADC采集电压给控制芯片，控制芯片做出相应动作。端口P6接控制芯片的GPIO端口，控制芯片通过输出高地电平来控制继电器的开合；即操作人员可以在远程通过服务器，发动操作指令给网关，网关再控制电表的控制芯片，最终控制继电器的开合来选择是否给用户供电。继电器电路的原理图，请参照图9。
    [n0052] 所述Zigbee通讯模块采用CC2530射频芯片。Zigbee通讯模块如图10所示，此模块使用CC2530射频芯片，芯片内部集成了8051单片机及无线收发器，并内置CC2592射频范围扩展器，集成PA+LNA，极大的扩展通信距离、提升通信稳定性。除此之外协调器上电自动组建网络，终端和路由器自动搜索并加入网络，当网络中间节点丢失，其他网络自动加入或保持原网络；若是协调器丢失，原网络存在非孤立节点，协调器可再次加入该网络或者相同用户设置的原网络PAN_ID的协调器加入原网络。并且设备在终端状态下可以设置为低功耗模式，低功耗模式下待机功耗小于2uA。这样的特性保证了电表的无线通信质量。本实用新型中将电表设置为终端，将网关设置为协调器进行组网。在图中DD、DC为软件下载口，P1_4～P1_7为SPI通信引脚，P2_1～P2_5为串口通信引脚，根据实际需求选择通讯方式。RF_P与RF_N为射频模块的天线引脚，P2_4与P2_3是给51单片机的提供32MHz工作频率，XOSC32M_Q1与Q2给射频模块提供32KHz的工作频率。
    [n0053] 所述网关将一个电表柜里的所有电表通过Zigbee通讯模块的协调器组网；Zigbee通讯模块的协调器通过串口来与所述主控芯片通信；所述网关通过路由器与服务器无线通讯。
    [n0054] 网关电路原理图请参考图11；
    [n0055] 网关电路设计是STM32F429为MCU，搭配相关外设组成的。将一个电表柜里的所有电表通过Zigbee组网最终与协调器无线通信，Zigbee通讯模块的协调器通过串口来与MCU通信，将各个电表的电气信息收集起来，MUC将收集的数据处理后通过串口发送给网卡，如图7所示，U1为以太网收发器LAN8720A，支持通过RMII接口与以太网通信，MUC将处理后的数据通过引脚1-9组成的RMII接口发送给网卡,然后通过引脚TXN、TXP、RXN、RXP组成的MDI接口与以太网接口J1相连，实现与服务器的数据互传。
    [n0056] 基于以上电路连接，本实用新型原理如下：
    [n0057] 当打开电表开关按钮，首先进行系统的初始化，即对STM32需要工作的GPIO、ADC、SPI通信、串口通信、外部中断等进行初始化；初始化结束后利用ADC和掉电检测模块对火线进行电压检测；若没有电压则触发外部中断，蜂鸣器警报，且STM32通过电池供电进入低功耗模式，将掉电事件发送给网关报告服务器。当火线上有电压时，启动计量芯片ATM90E26，STM32运用SPI通讯读取计量芯片的数据寄存器；由于寄存器内存储的数据并不是真实准确数据，STM32需要通过正确的算法将数据进行处理，处理后的数据通过串口显示到串口屏上和通过Zigbee模块发送给网关。
    [n0058] 通信协议上使用的是LwIP协议。本实用新型采用中断的方式接收数据，然后将数据封装成消息投递到LwIP内核上。在网关主函数里，主要是对接收到的数据进行分解处理，在协议栈里规定了数据以20字节的形式传输，当20字节满了数据才会传输给MUC里，然后再将数据包的标志位清楚，留下真实数据进行还原，还原后的数据再以LwIP协议的方式传输给服务器。本设计使用基于LwIP协议下的网关设计，来接收和上传各个终端设备的数据，且可以运用网关的MCU进行相关的识别算法，可以把电表数据和相关识别结果发送给服务器。
    [n0059] 本实用新型的有益效果是：
    [n0060] 1)本设计实现了电表的集群式管理，可以将数量繁多的电表集中放置在一处，且用Zigbee组网的方式统一管理，达到了安装、检修、监控、抄表智能化、一体化的方案；
    [n0061] 2)本设计在硬件上采用模块式拼接的方案来设计，且运用性价比极高的CC2530芯片作为通讯芯片，让电表系统可以稳定高效的运行。
    [n0062] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
    权利要求:
    Claims (8)
    [0001] 1.一种智能电表管理系统，其特征在于：包括：主控芯片、计量电路、电源电路、掉电检测电路、继电器电路、Zigbee通讯模块、网关和服务器；
    所述计量电路一端与电表电性连接，另一端与所述电源电路通过SPI通信线路电性连接；
    所述主控芯片与掉电检测电路的一端和继电器电路的一端电性连接；
    所述主控芯片与Zigbee通讯模块电性连接；所述Zigbee通讯模块与网关电性连接；
    所述网关与服务器通过无线通讯；
    所述电源电路与所述主控芯片、计量电路、掉电检测电路和继电器电路电性连接。
    [0002] 2.如权利要求1所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述计量电路由信号采集电路和计量芯片电路组成；所述信号采集电路一端与市电连接；另一端与所述计量芯片电路电性连接。
    [0003] 3.如权利要求2所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述计量芯片电路的计量芯片为ATM90E26。
    [0004] 4.如权利要求1所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述电源电路包括保护电路和5W电源模块；所述保护电路由保险丝F1，温敏电阻,压敏电阻组成；保险丝F1的一端与市电电气连接；另一侧与5W电源模块电性连接；所述5W电源模块分别与稳压器AMS1117_5V、稳压器AMS1117_3.3V电性连接。
    [0005] 5.如权利要求1所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述掉电检测电路由电压跟随器和光电耦合器组成；电压跟随器的一端与市电电气连接，另一端与光电耦合器的一端电性连接；光电耦合器的另一端与主控芯片的ADC 电性连接。
    [0006] 6.如权利要求1所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述继电器电路的另一端与电表的控制芯片电性连接。
    [0007] 7.如权利要求1所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述Zigbee通讯模块采用CC2530射频芯片。
    [0008] 8.如权利要求1所述的一种智能电表管理系统，其特征在于：所述网关将一个电表柜里的所有电表通过Zigbee通讯模块的协调器组网；Zigbee通讯模块的协调器通过串口来与所述主控芯片通信；所述网关通过路由器与服务器无线通讯。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    CN109217471B|2020-07-03|低压配电台区网络拓扑的识别装置
    CN101902077A|2010-12-01|变电站运行数据监测及报警系统
    CN201789339U|2011-04-06|变电站运行数据监测及报警系统
    CN101290514A|2008-10-22|节能监控系统及其节能监控方法
    CN201332299Y|2009-10-21|单相多功能电力监控装置
    CN101237156B|2010-06-09|壁挂式高频开关直流电源系统的实现方法
    CN201278005Y|2009-07-22|一种电力系统避雷器的无线监测装置
    CN214335203U|2021-10-01|一种智能电表管理系统
    CN103257267B|2015-08-26|家用电器内置式电能采集模块
    CN208635836U|2019-03-22|一种基于can总线的用电信息采集系统
    CN201097457Y|2008-08-06|基于ZigBee的铁路信号监测网络系统
    CN204556022U|2015-08-12|一种基于ZigBee的温湿度检测系统
    CN208656503U|2019-03-26|一种三相智能pdu
    CN109752589A|2019-05-14|一种低压智能监测系统
    CN206742967U|2017-12-12|供需两侧电力负荷监控系统
    CN206920543U|2018-01-23|一种输电线路在线监测系统
    CN109212434A|2019-01-15|一种高频直流开关电源电流-电压-温湿度监测装置
    CN110191049A|2019-08-30|一种智能网关
    CN202057425U|2011-11-30|一种智能远程温度采集传输模块
    CN214544307U|2021-10-29|一种带电力线宽带的物联网构架的能耗数据采集器
    CN204759727U|2015-11-11|一种基于ami的电力采集系统
    CN201374787Y|2009-12-30|ZigBee无限路由智能中继器
    CN107677321A|2018-02-09|一种基于can总线的用电信息采集系统
    CN209570637U|2019-11-01|一种低压智能终端系统
    CN209709758U|2019-11-29|一种配电变压器一体式数字化智能终端
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    CN202120054079.1U|CN214335203U|2021-01-08|2021-01-08|一种智能电表管理系统|CN202120054079.1U| CN214335203U|2021-01-08|2021-01-08|一种智能电表管理系统|
    [返回顶部]