基于电力载波通信和CAN总线通信的住宅小区远程抄表系统设计

张一哲 张 玫 杨晓晴

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000；2.天津天怡建筑设计有限公司,天津 300000)

基于电力载波通信和CAN总线通信的住宅小区远程抄表系统设计

张一哲1张 玫2杨晓晴1

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000；2.天津天怡建筑设计有限公司,天津 300000)

介绍了电力载波通信和CAN总线通信技术在智能住宅小区远程抄表系统中的应用，提出了一种远程抄表系统的设计方案，为实际应用提供了一套灵活、高效、廉价的远程自动抄表方法，具有较高的实用价值和应用前景.

电力载波通信；CAN总线通信；住宅小区；远程抄表

0 引 言

随着智能建筑的快速发展，过去采用的人工入户查表这种费时费力的收费方式正在被应用越老越广泛的远程抄表系统所取代.鉴于此，在深入研究国内外各种常用远程抄表系统的基础上，针对每个居民住宅小区内交流220 V低压电力网四通八达，且电力载波通信是利用现有的低压电力线做为通信媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，具有不需要重新布设线路，可靠性高、投资少、使用维护方便等特点，并且为了克服该种通信方式存在着因线路噪声大、线路阻抗变化大、线路衰减大等原因而造成的通信距离较短(100～500 m)的缺点，研制完成了一种在小区内每栋住宅楼内各用户抄表控制器和该楼的通信转换器之间(由于距离较短)采用低压电力载波通信，而各楼的通信转换器和小区管理中心计算机之间(由于通信距离较远)采用CAN总线通信的住宅小区远程抄表系统.其中，CAN总线是一种多主总线，它可以点对点、一点对多点和全局广播等多种方式进行数据通信，另外，它还具有支持差分接收、纠错能力强、通信距离远(1～3 Km)、数据传输速率高、抗干扰能力强等特点.

1 系统组成及工作原理

本住宅小区远程抄表系统由用户抄表控制器、交流220 V低压电力线、通信转换器、CAN通信总线、CAN总线接口卡和小区管理计算机等组成，其系统总体结构框图如图1所示.在该系统中，用户抄表控制器安装于各用户家中，用于采集各种计量表的实时数据，并将其通过电力线向本楼的通信转换器发送数据，该通信转换器接收到数据后再通过CAN总线和CAN总线接口卡和小区管理计算机建立联系，并将这些数据传送给它.在计算机接收到这些数据后，将其与该数据对应用户的数据库中的已购数额相减，得到该用户的余额，当余额不足一定额度时向用户发出报警声，提醒用户及时续缴费.另外，在小区的管理计算机上也可将用户的消费情况进行显示和打印，以方便用户随时查询.

2 系统硬件设计

本系统的硬件电路由用户抄表控制器、通信转换器和CAN总线接口卡等组成.

2.1 用户抄表控制器硬件设计

用户抄表控制器由微处理器、数据输入接口电路、看门狗及数据存储电路和电力载波通信接口电路等组成，其结构框图如图2所示.其中，微处理器采用了目前应用广泛、功耗低、性价比高，且具有8K字节可在线重复编程的Flash只读程序存储器、256字节RAM、32位I/O口线、3个16位定时/计数器和

图1 系统总体结构框图

图2 用户抄表控制器结构框图

兼容标准MCS-51指令系统的Atmel公司生产的宽工作电压、高性能CMOS 8位单片机AT89C52.数据输入接口电路采用了光电隔离输入和分时采集数据的措施，提高了系统的抗干扰性和可靠性.看门狗及数据存储电路采用了可编程控制集成电路X5045.该集成电路具有上电复位、电压监控、看门狗定时器和串行EEPROM四种功能，且存储容量为512×8位，用于存储单片机的重要数据.电力载波通信接口电路采用了ST公司生产的ST7538芯片作为信号调制解调芯片，该芯片是一款半双工、同步/异步、FSK调制解调器，它专为家庭和工业领域电力线网络通信而设计，具有功能强、集成度高、抗干扰性好等多种特点，已在电力载波通信中得到了广泛的应用.它使用单电源供电，具有看门狗、输出电流电压控制、时钟输出、起始检测和超时机制等功能.它有8种载波频率可供选择，在同一时刻只能选择一种载波频率使用.它通过串行口与微处理器交换数据，在使用TXD、RXD、CLR/T交换数据时，由REG-DATA和RXDX来管理数据的传输，其工作模式有四种：数据接收、数据发送、写控制寄存器和读控制寄存器等，其电力载波通信接口电路如图3所示.

本用户抄表控制器工作过程为：AT89C52微处理器分时循环接收从数据输入端口输入的各表数据，并将该数据与其上一次接收的数据进行比较，若二者相等则不发送数据，若二者不等则发送数据.发送数据时,ST7538通过其RAI端对交流220 V电力线上是否有载波通信信号进行检测，若有，则继续保持监测，若无，则微处理器就控制ST7538将表传来的数据加于载波上，经功率放大、滤波后，再经高频变压器T将数据通过电力线上传至本用户所在楼的通信转换器.

图3 电力载波通信接口电路

2.2 通信转换器硬件设计

图4 通信转换器结构框图

通信转换器由微处理器、电力载波通信接口电路、看门狗及数据存储电路和CAN总线通信接口电路等组成，其结构框图如图4所示.其中，微处理器也采用了Atmel公司生产的宽工作电压、高性能CMOS 8位单片机AT89C52.电力载波通信接口电路和看门狗及数据存储电路与前述用户抄表控制器的相似，这里不再赘述.CAN总线通信接口电路采用了CAN控制器SJA1000和CAN总线驱动器82C250.SJA1000是Philips公司生产的支持CAN2.0B协议的CAN控制器，它的引脚和电气参数与其早期产品PCA82C200完全兼容、支持11位和29位标识码、通信速率高达1Mbps、可与多种微处理器接口、适应温度范围大.82C250是物理总线和CAN总线控制器之间的接口，其可提供对总线的差动发送和接收功能，具有与ISO11898标准完全兼容、高速率、过热保护、低电流待机、未上电节点不会干扰总线等特性.其CAN总线接口电路如图5所示.

图5 CAN总线通信接口电路

图6 CAN总线接口卡结构框图

2.3 CAN总线接口卡硬件设计

CAN总线接口卡由微处理器、CAN总线通信接口电路、RS232通信接口电路等组成，其结构框图如图6所示.微处理器也采用了Atmel公司生产的8位单片机AT89C52.CAN总线通信接口电路与前述的相同，在此不再赘述.RS232通信接口电路采用了美信公司专为计算机的RS232标准串口设计的接口电路芯片MAX232，它使用单电源+5V供电，含有2路发送和接收器，可实现TTL/COMS电平与RS232电平的转换，能耗低.RS232通信接口电路较常见，这里不再赘述.

图7 用户抄表控制器程序流程图

3 软件设计

系统软件由用户抄表控制器程序、通信转换器程序、CAN总线接口卡程序和小区管理计算机程序等组成.这里仅对用户抄表控制器程序设计进行一下介绍.抄表控制器上电后，首先对其进行初始化，然后接收各计量表的数据并暂存，接着监测电力载波通信线是否空闲，若空闲就发送数据，否则，继续监测，直至数据发送完毕.数据发送完成后，延时30 s再继续进行下一个循环的数据接收和发送.在这里，相邻的两个数据接收和发送循环间之所以延时30 s，是考虑到该抄表系统对数据的采集实时性要求不是太高.具体的程序流程图如图7所示.

4 结束语

本系统完成后，经使用证明，其数据传输可靠，运行稳定、安全，克服了电力载波通信距离短的不足，避免了用户对通信线和通信线路布设所付出的成本，安装和使用方便，具有较高的性价比，为实际应用提供了一套灵活、高效、廉价的远程自动抄表方法，具有较高的实用价值，可广泛应用到智能楼宇系统中.

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DesignofRemoteReadingSystembasedonPowerLineCarrierCommunicationandCanBusCommunicationinResidentialQuarters

ZHANGYi-zhe1,ZHANGMei2,YANGXiao-qing1

(1.HeBei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China;2.Tianjin Tianyi Architectural Design Co.,Tianjin 300000,China)

The application of power line carrier communication and can bus communication technology in remote meter reading system in the intelligent residential quarters is introduced,and a flexible,efficient and cheap method of remote automatic meter reading is proposed,which has high practical value and application prospects.

power line carrier communication;can bus communication;residential quarters;remote meter reading

2017-03-27

张一哲(1959-)，男，教授，研究方向为自动控制及建筑智能化.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.014

TM7

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