CN102074076A - 一种智能电能表集中充值终端及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种智能电能表集中充值终端及其控制方法，涉及电力设备与计算机结合技术领域。本发明有IC卡接口电路、ESAM模块电路和两组通讯模块接口电路；IC卡接口电路通过ICREST、ICIO脚与CPU连接，ESAM模块电路通过数据脚、复位脚SAMIO、SAMRST与CPU连接，两组通讯模块接口电路分别与CPU连接，实现了与智能电能表和采集器的通信，能够实时监听采集器与电能表之间的通讯数据并对数据进行转发；IC卡接口电路完成与用户卡接口通讯，ESAM模块电路完成数据交换和复位操作，加密、解密和运算各种安全认证操作。还设计了智能电能表集中充值终端的程序模块，保证***正常通讯，操作方便简单，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备与计算机结合技术领域，特别是涉及一种智能电能表集中充值终端及其控制方法。
背景技术
目前对智能电表进行充值有两种方式，一种是通过购电卡***智能表中进行充值，另一种是通过通讯进行远程充值。前者通过购电卡***的智能电表叫本地费控电表，安全可靠，但是如果电表安装在暗处和不变操作的地方，尤其是在现代都市，在高层建筑，电表都安装在强电机井里，用户要对电表进行充值操作非常困难；后者远程充值主要针对远程充值的智能电表，电力公司后台数据通过GPRS发送到集中器，集中器再通过低压电力载波将数据传输到采集器，最后采集器通过RS485传输到***作的智能电表中，这种方式由于传输的路径复杂，一旦某节点出现问题将会影响很多用户电表的充值管理操作，同时低压电力载波的可靠性和一次传输的成功率比较低，会造成用户的电表不能及时充值恢复供电，给用户带来用电麻烦。
为了用户能够方便、可靠安全地向自己的电能表充值和及时了解自己的用电信息，我们集合上面两种方式的优特点，设计了智能电能表集中充值终端包括控制智能电能表充值终端的程序模块。智能电能表集中充值终端通过RS485直接与多只智能电表相连接，减少中间传输环节，大大降低了传输故障问题，提高了通讯的可靠性；就近安装在小区或者单元门口，解决了用户对智能电表充值操作不方便的问题；对连接的智能电表进行刷卡充值，同时智能电能表集中充值终端也能及时提醒用户购电充值，避免欠费停电，用户也可以随时通过按键或者插卡进行用电信息查询。
经文献检索发现，专利申请号为201010283843.9的文件公开了“一种电力设备控制方法、装置及其相关***”其目的在于用于同时修改多种类型的电力设备的配置。包括获取用户所选择的智能电力设备类型；根据所述智能电力设备类型确定对应的设备配置模板；根据所述设备配置模板生成第一配置文件；向用户提供所述生成的第一配置文件，并获取用户修改后的第二配置文件；根据所述第二配置文件调用通信协议组件，通过所述第二配置文件对应的通信接口组件与对应的智能电力设备建立网络连接，并向所述智能电力设备发送所述第二配置文件。但是，本发明的目的、技术方案及其特征与上述申请是有所不同的。
发明内容
本发明的目的在于设计一种智能电能表集中充值终端包括控制智能充值终端的控制方法，以期减少中间传输环节，降低传输故障，提高通讯的可靠性；克服本地费控电表与进行远程充值的不足，解决用户对智能电表充值操作不方便的问题。实现本发明目的的技术解决方案是这样的：
一种智能电能表集中充值终端，包括CPU、与CPU对应端口相连的LCD显示器接口电路、按键电路、蜂鸣器接口电路、存储器电路、以及为各电路供电的电源电路，还包括IC卡接口电路、ESAM模块电路和两组RS485通讯模块接口电路；IC卡接口电路通过 ICREST、ICIO数据、复位脚与CPU连接，ESAM模块电路通过数据、复位脚SAMIO、SAMRST与CPU直接连接；两组RS485通讯模块接口电路分别与CPU的两组异步串行通信口相连接，CPU通过这两组异步串行通信口分别实现与智能电能表和采集器的通信。IC卡接口电路完成与用户卡接口通讯，并将数据信息送入CPU；ESAM模块电路完成数据交换和复位操作，加密、解密和运算各种安全认证操作。
上述智能电能表集中充值终端，还包括一复位控制电路；复位控制电路采用电源检测芯片IMP809R，且与CPU的MCLR引脚相连，当检测到电源电压低于2.63V时进行控制CPU复位。
上述RS485通讯模块接口电路包括RS485接口芯片，且在RS485接口芯片和CPU上对应的异步串行通信口间设有光耦。
上述CPU的芯片采用PIC18F6621或PIC18F6627。
上述RS485接口芯片采用MAX1487。
上述智能电能表集中充值终端，在与智能电能表通信的一组RS485通讯模块接口电路中，RS485接口芯片的A端、B端各串联一热敏电阻，在A端、B端间设有双向瞬态二极管。
智能电能表集中充值终端的按键电路包括三个按键，分别实现LCD显示器接口电路的上翻屏显示、下翻屏显示、数字输入及充值确认。声音接口电路包括一有源蜂鸣器，该有源蜂鸣器与CPU的一个IO口相连，且在蜂鸣器和CPU间还设有一个三极管。
与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：
1、设计有IC卡接口电路、ESAM模块电路，IC卡接口电路完成与用户卡接口通讯，用户只需简单的插卡操作，即可将卡内信息送入CPU进行操作；ESAM模块电路完成数据交换和复位操作，加密、解密和运算各种安全认证操作，各种安全运算在ESAM模块电路中进行，与CPU程序没有任何关系，保证了***数据的安全性。
2、设计有两组RS485通讯模块接口电路，分别实现与智能电能表和采集器的通信，减少中间传输环节，大大降低了传输故障问题，提高了通讯的可靠性。
通过RS485通讯模块接口电路与智能电能表连接，向上通过RS485通讯模块接口电路与采集器连接；能够有效实时监听采集器与电能表之间的通讯数据，安全地将采集器与智能电能表的数据进行转发，保证***正常通讯，RS485通讯模块接口电路与CPU间通过光耦进行电气隔离，运行稳定，CPU能实时读取智能电能表数据并通过LCD显示器接口电路显示。
3、通过读取用户***用户卡，将卡中充值电费金额准确、安全地充入用户自己的智能电能表中；就近安装在小区或者单元门口，解决了用户对智能电能表充值操作不方便的问题；对连接的智能电能表进行刷卡充值，用户也可以随时通过按键或者插卡进行用电信息查询，操作方便简单，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的硬件原理结构框图示意图。
图2为本发明的安装连接拓扑结构图示意图。
图3为本发明实施例的CPU电路图。
图4为本发明实施例的复位控制电路图。
图5为本发明实施例的LCD显示器接口电路图。
图6为本发明实施例的LCD电源转换电路图。
图7为本发明施例的按键接口电路图。
图8为本发明实施例的蜂鸣器接口电路图。
图9为本发明施例的RS485通讯模块接口电路。
图10为本发明实施例的ESAM模块电路及电源电路。
图11为本发明控制方法流程框图示意图。
图12为本发明充值操作流程框图示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
参见图1至图11，本发明包括CPU、与CPU对应端口相连的LCD显示器接口电路、按键电路、声音接口电路、存储器电路、以及为各电路供电的电源电路，还包括IC卡接口电路、ESAM模块电路和两组RS485通讯模块接口电路，IC卡接口电路完成与用户卡接口通讯，并将数据信息送入CPU，ESAM模块电路完成数据交换和复位操作，加密、解密和运算各种安全认证操作，两组RS485通讯模块接口电路分别与CPU的两组异步串行通信口相连，CPU通过这两组异步串行通信口分别实现与智能电能表和采集器的通信，本发明与智能电能表和采集器的连接参见图2。CPU是***工作的核心，选用抗干扰能力好，程序空间容量大于64Kbytes，便于C编程，接口丰富便于功能扩展高速运行的单片机。在本实施例中， CPU的芯片采用PIC18F6621。
如图3所示，CPU工作频率选择11.0592MHz，对LCD显示器接口电路提供并口输出，使用CPU的的RD0～RD7口，同时提供显示的控制和忙判断信号引脚，完成显示送数的逻辑控制；对ESAM模块电路和IC卡接口电路提供数据线、复位控制线电源控制线和时钟控制线，保证满足CPU能与ESAM模块电路和IC卡接口电路间满足ISO7816的物理连接标准；两路独立的USART接口，通过RS485隔离转换，分别与智能电表通讯和远程采集器通讯使用；CPU与蜂鸣器连接为一根控制线，由于采用有源蜂鸣器，因此CPU就给出电平控制声音。数据存储我们采用CPU内部的E2存储空间。
IC卡接口/ESAM电路：IC卡接口完成与用户卡接口通讯，由于我们采用的智能卡，因此设计要满足ISO7816相关要求，同时设有抗攻击保护电路，ESAM模块的接口与IC卡接口是一致的。
参见图10，ESAM块接口电路， 其中ESAM模块的数据复位脚SAMIO、SAMRST与CPU直接连接，完成数据交换和复位操作；MCUCLK为ESAM或者CPU卡工作的时钟，频率为4MHz。ESAM模块完成加密、解密和运算各种安全认证操作，保存在里面的密钥是无法读出，只能获得运算的结果，同时也具有保存数据的功能。
参见图4，本发明还包括一复位控制电路，所述复位控制电路采用电源检测芯片IMP809R，且与CPU的MCLR引脚相连，当检测到电源电压低于2.63V时进行控制CPU复位；保证CPU正常启动工作。
参见图5，按键电路包括设计三个按键，为KEY1、KEY2、KEY3，分别实现LCD显示器接口电路的上翻屏显示、下翻屏显示、数字输入及充值确认；
参见图6，声音接口电路包括一有源蜂鸣器，该有源蜂鸣器与CPU的一个IO口相连，且在蜂鸣器和CPU间还设有一个三极管Q1；由于采用有源蜂鸣器，因此CPU只用给出电平便能控制声音，当与蜂鸣器相连的IO口为高电平时蜂鸣器不响，为低电平时蜂鸣器发出声音；
参见图7，RS485通讯模块接口电路包括RS485接口芯片，且在RS485接口芯片和CPU上对应的异步串行通信口间设计有光耦；所述RS485接口芯片采用MAX1487，在与智能电能表通信的一组RS485通讯模块接口电路中，RS485接口芯片的A端、B端各串联一热敏电阻，分别为R46、R47，在A端、B端间设有双向瞬态二极管D8；双向瞬态二极管D8和电阻R46 、R47间组成保护电路，防止接口过压和静电冲击损伤RS485接口芯片。
***工作电源设计有通讯工作电源DC12V和DC5V，主***工作电源DC5V和显示工作电源DC3.3V。其中通讯工作电源为隔离输出；参见图10。在电源输入端我们设计了防雷电路。通过压敏电阻，防止浪涌电流进入***，破坏***稳定工作。
参见图11是所述的一种智能电能表集中充值终端的控制方法，包括如下步骤：
（1）初始化；（2）充值终端抄读电表数据；（3）等待电表返回数据（指串口2）；（4）判断是否超时等待？如果是，超时提示；如果否，处理串口2接收数据到进到下一步；（5）判断抄读完成吗？如果是，显示电表信息；如果否，返回到第3步骤；（6）判断串口1通信完毕标志？如果是，进到下一步；如果否，进到第9步骤；（7）串口2转发；（8）判断是否超时等待？如果是，返回到第2步骤；如果否，进入到下一步；（9）串口1转发串口2接收数据；（10）判断中断定时标志或按键标志吗？如果是，返回到第2步骤；如果否，返回到第6步骤。
其串口1和串口2收发数据均是通过中断查询方式进行处理的。充值终端与电表通讯采用RS485通讯方式，通讯波特率2400bps，预留载波通讯接口，通讯协议满足DT/L645-2007标准；在没有充值和查询时，充值终端与电表采用定时轮询方式进行读取数据，每分钟循环一次，循环读取电表数据内容。
参见图12是本发明充值操作流程框图示意图。其步骤如下：（1）有卡***，卡上电；（2）对卡进行本地身份认证；（3）判断身份认证合法吗？如果是进入下一步；如果否，显示卡非法、或者表不存在；进入到充值操作完成，返回步骤；（4）读取***卡的相关信息；（5）判断卡是否购电卡？如果是进入下一步；如果否，显示卡非法、或者表不存在；进入到充值操作完成，返回步骤；（6）读取用户卡中购电信息文；（7）向电表发送远程充值操作命令；（8）判断返回充值是否成功？如果是，发送读返写数据命令；如果否，显示充值失败；进入到充值操作完成，返回步骤；（9）将读取数据保持在ESAM模块返写文件中；（10）安全读取返写文件；（11）将返写数据写入用户购电卡；（12）显示充值成功，显示充值后电表生意金额；（13）充值操作完成，返回。
实施例2：
所述CPU的芯片采用PIC18F6627，其余与实施例1相同。
本发明充值操作工作程进程是：智能充值终端正常空闲时循环显示每个用户的电能信息，也可通过按键进行快速翻屏查询显示，当智能充值终端检测到有用户电表需要提示充值时，显示将进入提示显示界面，直到没有用户被提示时再进入正常空闲循环显示。用户***购电卡智能充值终端在判断卡满足合法性要求后进入用户卡查询界面，如果按“充值”键，智能集中充值终端将用户购电卡中的充值金额、充值次数按照相关安全操作流程通过RS485向智能电表传输，智能电表在接收到数据并判断合法后，并将充值结果返回智能集中充值终端，最后智能集中充值终端显示充值结果，充值成功将显示本次充值金额，电表累加总金额，充值不成功将显示充值失败，同时蜂鸣器声音提示充值失败。
Claims (8)
1.一种智能电能表集中充值终端，包括CPU、与CPU对应端口相连的LCD显示器接口电路、按键电路、声音接口电路、存储器电路、以及为各电路供电的电源电路，其特征是：还包括IC卡接口电路、ESAM模块电路和两组RS485通讯模块接口电路；所述IC卡接口电路通过ICREST、ICIO数据脚、复位脚与CPU连接，ESAM模块电路通过数据复位脚SAMIO、SAMRST与CPU直接连接；所述两组RS485通讯模块接口电路分别与CPU的两组异步串行通信口相连接，CPU通过这两组异步串行通信口分别实现与智能电能表和采集器的通信。
2.根据权利要求1所述的智能电能表集中充值终端，其特征是：还包括一复位控制电路；所述复位控制电路采用电源检测芯片IMP809R，且与CPU的MCLR引脚相连，当检测到电源电压低于2.63V时进行控制CPU复位。
3.根据权利要求1所述的智能电能表集中充值终端，其特征是：所述RS485通讯模块接口电路包括RS485接口芯片，且在RS485接口芯片和CPU上对应的异步串行通信口间设有光耦。
4.根据权利要求1所述的智能电能表集中充值终端，其特征是：所述CPU的芯片采用PIC18F6621或PIC18F6627。
5.根据权利要求4所述的智能电能表集中充值终端，其特征是：所述RS485接口芯片采用MAX1487。
6.根据权利要求6所述的智能电能表集中充值终端，其特征是：在与智能电能表通信的一组RS485通讯模块接口电路中，RS485接口芯片的A端、B端各串联一热敏电阻，在A端、B端间设有双向瞬态二极管。
7.根据权利要求1所述的一种智能电能表集中充值终端的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）初始化；（2）充值终端抄读电表数据；（3）等待电表返回数据（指串口2）；（4）判断是否超时等待？如果是，超时提示；如果否，处理串口2接收数据到进到下一步；（5）判断抄读完成吗？如果是，显示电表信息；如果否，返回到第3步骤；（6）判断串口1通信完毕标志？如果是，进到下一步；如果否，进到第9步骤；（7）串口2转发；（8）判断是否超时等待？如果是，返回到第2步骤；如果否，进入到下一步；（9）串口1转发串口2接收数据；（10）判断中断定时标志或按键标志吗？如果是，返回到第2步骤；如果否，返回到第6步骤。
8.根据权利要求1所述的一种智能电能表集中充值终端的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）有卡***，卡上电；（2）对卡进行本地身份认证；（3）判断身份认证合法吗？如果是进入下一步；如果否，显示卡非法、或者表不存在；进入到充值操作完成，返回步骤；（4）读取***卡的相关信息；（5）判断卡是否购电卡？如果是进入下一步；如果否，显示卡非法、或者表不存在；进入到充值操作完成，返回步骤；（6）读取用户卡中购电信息文；（7） 向电表发送远程充值操作命令；（8）判断返回充值是否成功？如果是，发送读返写数据命令；如果否，显示充值失败；进入到充值操作完成，返回步骤；（9）将读取数据保持在ESAM模块返写文件中；（10）安全读取返写文件；（11）将返写数据写入用户购电卡；（12）显示充值成功，显示充值后电表生意金额；（13）充值操作完成，返回。
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