CN108072778A - 一种基于mems加速度传感器的智能电能表防窃电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特点是：包括：单片机电路分别与MEMS加速度传感器电路、存储模块电路、温度测量电路电连接。能够实现不管智能电能表供电与否都能做到可疑行为的监测，变被动式防窃电为主动式防窃电。具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等优点。
Description
技术领域
本发明属于智能电网领域，是一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，企业及居民的用电量逐年上升，极大的促进了智能电网的全面建设，使得智能电能表市场发展迅猛，从2009年开始，国家电网和南方电网以统一招标的方式推广智能电能表，现在已经基本实现了智能电能表的全覆盖。当前国内智能电能表的总数量已超过5亿台。智能电能表功能强大，精度等级高，具有双向计量功能，支持绿色能源并网，具有本地红外通信接口，可以方便的同红外掌机通信，具备电力线载波通讯模块或者GPRS无线通信模块，能完成集中抄表***的组网通讯，具备双向通讯能力，且现在集中抄表***已经实现了全采集、全覆盖，所有的智能电能表都已经组网通讯，智能电能表内部具有国密SM1算法的安全加密模块ESAM，确保通讯数据无忧，并且智能电能表使用的高性能的计量芯片具有零线电流测量功能，能检测出几十种窃电方式，使得常规的窃电手段基本都被遏制，困扰供电企业已久的窃电问题得到大大的缓解。但是，针对智能电能表的窃电手段也相应的更高级、更隐蔽了：有破坏封印后，打开智能电能表表盖，直接在电能表的计量采样电路中更换采样电路元器件，使电能表走的慢，然后使用高仿的假冒封印重新铅封电能表，稽查人员很难识别；更有甚者，将智能电能表非法移动后，将电能表的背面即底壳破坏，然后修改电路接线及相关元器件参数，后将智能电能表原位置挂回去，正面检查根本无法发现异常；或者将智能电能表非法移动后，在其安装的墙体内挖洞后植入强磁铁，后将智能电能表恢复原位置，这样将导致智能电能表的负荷开关无法动作。这些新型的、暴力的窃电手段，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了正常的供用电秩序，成为影响电力事业发展的一大束缚，并且严重威胁着用电安全。因此，供电企业必须有针对性的丰富反窃电手段，增大稽查队伍的巡察频率，同时增加稽查队伍的人数，这样就大大增加了供电部门的管理成本，而且不能在第一时间发现窃电事故，只能每月根据线损异常信息，逐线路，逐用户的排查，效率极低，是一种被动式防窃电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路。基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路,将MEMS加速度传感器创造性的应用到智能电能表上，变被动式防窃电为主动式防窃电,这样在智能电能表正式安装到用户现场投入使用后，由安装电工通过供电管理部门的红外掌机，使用加密方式发送启用MEMS加速度传感器指令，智能电能表收到指令后，开启MEMS加速度传感器的测量功能，一旦智能电能表发生开表盖、倾斜、震动；或者遭受到电钻冲击性外力攻击时，智能电能表内置的基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路的MEMS数字三轴加速度传感器会将测量到的冲击、震动信号传递给智能电能表的MCU，智能电能表的MCU立刻将三轴加速度信号进行数字处理，计算出当前智能电能表所受到的倾斜角度、速率、位移、冲击情况后，将受到攻击的时间、当前的用电信息写入EEPROM做好可疑事件记录，如果供电正常，则通过智能电能表内置的电力线载波通讯模块或者GPRS无线通信模块将可疑事件信息上报到集中抄表***的管理主站；如果被攻击的智能电能表断电，则会在重新上电投入运行的第一时间，立刻可疑事件上报到集中抄表***的主站，提示稽查人员到现场核查，将可能发生窃电损失降低到最小的程度。可以在类似的暴力窃电行为刚开始发生时，就能主动上报给集中抄表***，通知稽查人员到达现场后，可以通过红外掌机直接读取智能电能表的可疑行为记录，掌握被攻击的时间、次数，便于分析现场情况。这样将大大减少电力部门损失，能有效打击窃电行为。将被动式防窃电变为主动式防窃电：以前是先发生窃电，然后未来几个月发现线损异常，后开始人工逐线路、逐用户排查、重点监控的被动式防窃电流程。现在是窃电行为刚刚发生或正在进行时，就能在集中抄表***的主站立刻发现用户的可疑行为，供电管理稽查人员可以马上赶往现场，可以大大提升工作的效率和效果，变为主动式防窃电。并且，基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路中，MEMS加速度传感器的功耗极低，3.3V电压时，测量模式下功耗不到25μA,待机模式下功耗为0.1μA，可以完美的应用到智能电能表内部，停电时使用智能电能表内部的停电抄表电池工作，供电时使用***电源工作。这样不管智能电能表供电与否都能做到可疑行为的监测，变被动式防窃电为主动式防窃电。
解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：它包括单片机电路分别与MEMS加速度传感器电路、存储模块电路、温度测量电路电连接。
所述的单片机电路包括：单片机U1与电阻R124、电容C45-C49，晶振F1、F2相连接。
所述的单片机U1采用型号为78F1166单片机。
所述的MEMS加速度传感器电路为MEMS加速度传感器U2，MEMS加速度传感器U2的PULSE端口与单片机U1的PULSE端口连接；MEMS加速度传感器U2的CS端口与单片机U1的CS端口连接；MEMS加速度传感器U2的SDO端口与单片机U1的SDO端口连接；MEMS加速度传感器U2的SDI端口与单片机U1的SDI端口连接；MEMS加速度传感器U2的SCLK端口与单片机U1的SCLK端口连接。
所述的MEMS加速度传感器U2采用型号为ADXL345数字三轴加速度传感器。
所述的存储模块电路包括存储器U3与电阻R93电连接，存储器U3的SCL1端口与单片机U1的SCL1端口连接，存储器U3的SDA1端口与单片机U1的SDA1端口连接。
所述的温度测量电路包括温度传感器U4与电阻R130电连接，温度传感器U4的DATA端口与单片机U1的DATA端口连接。
本发明的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路的优点体现在：
由单片机U1读取温度传感器U4的实时温度，然后根据当前的实时温度对MEMS加速度传感器U2做温度补偿，温度补偿的范围是-40℃到+80℃，每10℃做一次温度补偿，补偿点有-40℃、-30℃、…、0℃、10℃、…、80℃共13个补偿点，确保MEMS加速度传感器U2工作在高精度状态。一旦MEMS加速度传感器U2检测到冲击信号则会立刻产生中断输出到PULSE端口，该中断输出接到单片机U1的中断输入口PULSE，单片机U1立刻响应中断，做可疑事件检测及记录，并立即通过智能电能表自身的电力线载波模块或GPRS模块启动主动上报。单片机U1在每0.5秒，读取MEMS加速度传感器U2的三轴加速度值，计算出电能表的倾斜角度、速率、位移等移动状态，一旦发生倾斜、非法移动，则立刻做可疑事件检测及记录，并立即通过智能电能表自身的电力线载波模块或GPRS模块启动主动上报。
将MEMS加速度传感器创造性的应用到智能电能表上，变被动式防窃电为主动式防窃电。这样在智能电能表正式安装到用户现场投入使用后，由安装电工通过供电管理部门的红外掌机，使用加密方式发送启用MEMS加速度传感器指令，智能电能表收到指令后，开启MEMS加速度传感器的测量功能，一旦智能电能表发生开表盖、倾斜、震动；或者遭受到电钻冲击性外力攻击时，智能电能表内置的基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路的MEMS加速度传感器U2会将测量到的冲击、震动信号传递给智能电能表的MCU，智能电能表的MCU立刻将三轴加速度信号做数字处理，计算出当前智能电能表所受到的倾斜角度、速率、位移、冲击情况，后将受到攻击的时间、当前的用电信息写入EEPROM做好可疑事件记录，如果供电正常，则通过智能电能表内置的电力线载波通讯模块或者GPRS无线通信模块将可疑事件信息上报到集中抄表***的管理主站；如果被攻击的智能电能表断电，则会在重新上电投入运行的第一时间，立刻可疑事件上报到集中抄表***的主站，提示稽查人员到现场核查，将可能发生窃电损失降低到最小的程度。可以在类似的暴力窃电行为刚开始发生时，就能主动上报给集中抄表***，通知稽查人员到达现场后，可以通过红外掌机直接读取智能电能表的可疑行为记录，掌握被攻击的时间、次数，便于分析现场情况。这样将大大减少电力部门损失，能有效打击窃电行为。将被动式防窃电变为主动式防窃电：以前是先发生窃电，然后未来几个月发现线损异常，后开始人工逐线路、逐用户排查、重点监控的被动式防窃电流程。现在是窃电行为刚刚发生或正在进行时，就能在集中抄表***的主站立刻发现用户的可疑行为，供电管理稽查人员可以马上赶往现场，可以大大提升工作的效率和效果，变为主动式防窃电。并且，基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路中，MEMS加速度传感器U2其功耗极低，3.3V电压时，测量模式下功耗不到25μA,待机模式下功耗为0.1μA，可以完美的应用到智能电能表内部，停电时使用智能电能表内部的停电抄表电池工作，供电时使用***电源工作。这样不管智能电能表供电与否都能做到可疑行为的监测，变被动式防窃电为主动式防窃电。本发明的基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电路能监测各种暴力窃电或高技术窃电方式，能监测智能电能表本身的位置、倾斜角度等异常变动。并且将监测结果通过智能电能表自身的电力线载波模块或GPRS模块启动主动上报到集中抄表***的主站，完美的利用了现有的网络设施，不用现场组网，仅仅依靠电力***的集中抄表网络，就实现了实时监控、实时报警功能。MEMS加速度传感器U2采用型号为ADXL345，它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度，其高分辨率(4mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能：活动和非活动检测功能、检测有无运动发生、以及任意轴上的加速度是否超过用户设置的限值、敲击检测功能可以检测单击和双击动作。依托于现有的智能电能表，本发明将MEMS加速度传感器创造性的应用到智能电能表内，结合智能电能表单片机的软件分析处理，能实现暴力窃电或高技术窃电的主动监测，变被动式防窃电为主动式防窃电。
附图说明
图1为本发明的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路原理方框图；
图2为图1中单片机电路1原理图；
图3为图1中MEMS加速度传感器2原理图；
图4为图1中存储模块电路3原理图；
图5为图1中温度测量电路4原理图；
图6为MEMS加速度传感器温度补偿流程图；
图7为智能电能表移动倾斜处理流程图；
图8为冲击信号处理流程图。
具体实施方式
本发明的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路的详细实施方式如下：
参照图1-图8，本发明的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，包括：单片机电路1分别与MEMS加速度传感器电路2、存储模块电路3、温度测量电路4电连接。
参照图2，所述的单片机电路1包括：单片机U1与电阻R124、电容C45-C49，晶振F1、F2相连接。所述的单片机U1采用型号为78F1166单片机。
参照图3，MEMS加速度传感器电路包括：MEMS加速度传感器U2，MEMS加速度传感器U2的PULSE端口与单片机U1的PULSE端口连接，MEMS加速度传感器U2的CS端口与单片机U1的CS端口连接，MEMS加速度传感器U2的SDO端口与单片机U1的SDO端口连接，MEMS加速度传感器U2的SDI端口与单片机U1的SDI端口连接，MEMS加速度传感器U2的SCLK端口与单片机U1的SCLK端口连接。所述的MEMS加速度传感器U2采用型号ADXL345数字三轴加速度传感器。
参照图4，存储模块电路3包括：存储器U3与电阻R93电连接，存储器U3的SCL1端口与单片机U1的SCL1端口连接，存储器U3的SDA1端口与单片机U1的SDA1端口连接。
参照图5，温度测量电路4包括：温度传感器U4与电阻R130电连接，温度传感器U4的DATA端口与单片机U1的DATA端口连接。
参照图2，单片机U1采用瑞莎的78F1166，在每个整分时刻，为了实现MEMS加速度传感器U2的高精度测量，需要做MEMS加速度传感器U2型号为ADXL345的温度补偿处理，温度补偿的范围是-40℃到+80℃，确保在智能电能表的工作温度范围-40℃到+75℃内，MEMS加速度传感器U2保持较高的精度，每10℃做一次温度补偿，补偿点有-40℃、-30℃、…、0℃、10℃、…、80℃共13个补偿点。单片机U1做温度补偿的软件流程图参见图6。单片机U1的SDI、SCLK、CS、SDO组成一个模拟的SPI接口，同图3的MEMS加速度传感器U2对应端口连接，实现SPI通讯。在整秒时刻单片机U1通过SPI接口同图3的MEMS加速度传感器U2通讯，读取三轴加速度值，然后进行计算处理，单片机U1的软件流程图参见图7。中断输入口PULSE接图3的MEMS加速度传感器U2的对应中断输出端口，一旦收到MEMS加速度传感器U2的中断信号，则单片机U1启动中断处理流程参见图8。
参照图3，MEMS加速度传感器电路为MEMS数字三轴加速度传感器U2采用ADI的ADXL345，它是一款低功耗、小型、数字3轴加速度计，分辨率高达13位，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI接口访问，SDI、SCLK、CS、SDO四个端口接到图2单片机U1的对应端口，单片机U1定时读取三轴加速度值，供软件做倾斜角度、速率、位移的计算。该器件可提供多种特殊检测功能：活动和非活动检测功能检测有无运动发生、以及任意轴上的加速度是否超过用户设置的限值、敲击检测功能可以检测单击和双击动作。这些功能可以映射到中断输出引脚PULSE，该中断输出接图2的对应中断输入接口，供单片机U1软件做相应的处理。
参照图4，存储模块电路的存储器U3采用上海复旦微电子的FM24C512D，通过SCL1、SDA1接到单片机U1的对应端口，实现I2C通讯。其存储空间有三个用途，首先用来保存13个温度补偿点的偏移校正值及补偿标志；其次，因为计算倾斜角度有反正切函数计算，为了减少计算量，降低单片机的开销，使用查表法来处理，在精度为0.1°时，需要保存1800个计算值；最后的剩余空间用作可疑事件记录存储区，用以记录可疑事件发生时刻、持续时间、冲击次数，事件发生时电能表的实时有、无功电能数据块。
参照图5，温度测量电路的温度传感器U4采用Maxim公司的DS18B20U，该传感器的温度检测范围为-55℃至+125℃，完全满足智能电能表的工作温度范围，其单总线数据端口DATA接图2的U1对应端口，由单片机控制读取实时温度。
参照图6，单片机U1做MEMS加速度传感器U2的温度补偿处理，其流程包括如下步骤：
1)整分时刻否？判断是否是整分时刻，只有整分时刻才做温度补偿处理，如图6中的框100所示。
2)启用MEMS加速度传感器否？判断是否启用MEMS加速度传感器U2，在智能电能表安装完投入使用时，由安装电工通过供电局的专用红外掌机，使用加密方式设置智能电能表，开启MEMS加速度传感器U2测量功能，这样使得智能电能表在运输、检定、安装时不启用MEMS加速度传感器U2，仅仅在安装完成后才启用，如图6中的框101所示。
3)读取温度模块获取实时温度。读取图5中温度传感器U4的测量温度，如图6中的框102所示。
4)当前温度范围未做温度补偿？读取保存在图4存储模块U3中的温度补偿标志，判断当前温度是否已经做过了温度补偿操作，如图6中的框103所示。
5)根据当前温度，读取出厂时对应温度范围的补偿数据。从图4的存储器U3内读出厂时预置的13个温度点的补偿数据，有-40℃、-30℃、…、0℃、10℃、…、80℃共13个温度点，如图6中的框104所示。根据当前实时温度所在范围，取得对应范围的补偿数据。
6)做MEMS加速度传感器的温度补偿。将T5中取得的补偿数据，写入到图3的MEMS加速度传感器U2中，完成温度补偿处理，如图6中的框105所示。
7)置位当前温度范围已经补偿标志，清除其它温度范围补偿标志。当前温度范围已经做过温度补偿了，设置已补偿标志，清除其它温度范围的补偿标志，然后将补偿标志写入到图4存储模块的U3中保存，如图6中的框106所示。
参照图7，单片机U1在整秒时刻读取数字三轴加速度传感器U2的三轴加速度值后，计算倾斜角度、速率、位移的处理流程包括如下步骤：
(1)整秒时刻否？判断是否是整秒时刻，只有整秒时刻才做读取及计算处理，如图7中的框200所示。
(2)启用MEMS加速度传感器否？判断是否启用MEMS加速度传感器U2。在安装完毕投入使用时，由电工通过供电局的专用红外掌机，使用加密方式设置智能电能表，以启用数字三轴加速度传感器U2测量功能。这样使得智能电能表在运输、检定、安装时不启用数字三轴加速度传感器U2，仅仅在安装完成后才启用，如图7中的框201所示。
(3)读取MEMS加速度传感器三轴加速度数据。读取图3MEMS加速度传感器U2测量的三轴加速度数据，如图7中的框202所示。
(4)根据三轴加速度计算倾斜角度、速率、位移。根据图3MEMS加速度传感器U2测量的三轴加速度数据来计算静态时的倾斜角度，计算非法移动时的速率和位移。其中倾斜角度的测试原理是，当智能电能表静止时，会受到1g的重力加速度，在这个约束下，倾斜角度的计算公式如下：
其中：
ɑ为倾斜角度；
Ax、Ay、Ay为MEMS数字三轴加速度传感器测量的三轴加速度值。
据此，可以得到智能电能表的倾斜角度。速率、位移的基本测试原理是，对加速度积分一次可得速率，对速率信号积分一次可得位移，单片机U1通过软件计算可以得到当前的速率、位移的数值，为非法移动提供证据。如图7中的框203所示。
(5)电能表倾斜、非法移动判断？判断智能电能表当前的倾斜角度或者速率、位移是否触发非法移动，如图7中的框204所示。
(6)10分钟内做过记录？如果构成非法移动，则判断该事件是否在10分钟之内已经做过记录，如图7中的框205所示。
(7)做可疑事件记录，启动事件主动上报流程。开始做可疑事件记录，将发生时刻、持续时间、冲击次数，事件发生时电能表的实时有、无功电能数据块等信息加入记录中，后将记录保存到图4存储器的U3内，后启动事件主动上报流程，将可疑事件通过智能电能表本身的电力线载波模块或者GPRS模块，主动上报到集中抄表***的主站，如图7中的框206所示。
(8)持续时间累加。如果事件已经做了记录，则事件的持续事件开始做累加处理，为后续分析事件提供必要的信息，如图7中的框207所示。
参照图8，MEMS加速度传感器U2的中断输出PULSE信号直接接到单片机U1的对应中断输入口，该中断配置为任意轴上的加速度超过用户设置的限值时触发，及单击或双击的敲击检测后触发。单片机U1使用中断方式，做冲击、震动的处理流程，包括如下步骤：
①防干扰，消抖滤波。加入数字滤波处理，消抖动，防干扰，如图8中的框300所示
②信号有效？判断是否为有效的MEMS加速度传感器U2中断信号，如图8中的框301所示。
③10分钟内做过记录？判断是否在10分钟之内已经做过记录，如图8中的框302所示。
④做可疑事件记录，启动事件主动上报流程。开始做可疑事件记录，将发生时刻、持续时间、冲击次数，冲击发生时电能表的实时有、无功电能数据块等信息加入记录中，后将记录保存到图4存储器U3内，后启动事件主动上报流程，将可疑事件通过智能电能表本身的电力线载波模块或者GPRS模块，主动上报到集中抄表***的主站，如图8中的框303所示。
⑤冲击次数增加。如果本次事件已经做了记录，则事件的冲击次数增加，为后续分析事件提供必要的信息，如图7中的框304所示。
本发明的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路所有电子元器件均为市售产品。本发明的软件程序依据自动控制、计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：它包括：单片机电路分别与MEMS加速度传感器电路、存储模块电路、温度测量电路电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：所述的单片机电路包括：单片机U1与电阻R124、电容C45-C49，晶振F1、F2相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：所述的单片机U1采用型号为78F1166单片机。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：所述的MEMS加速度传感器电路为MEMS加速度传感器U2，MEMS加速度传感器U2的PULSE端口与单片机U1的PULSE端口连接；MEMS加速度传感器U2的CS端口与单片机U1的CS端口连接；MEMS加速度传感器U2的SDO端口与单片机U1的SDO端口连接；MEMS加速度传感器U2的SDI端口与单片机U1的SDI端口连接；MEMS加速度传感器U2的SCLK端口与单片机U1的SCLK端口连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：所述的MEMS加速度传感器U2采用型号为ADXL345数字三轴加速度传感。
6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：所述的存储模块电路包括存储器U3与电阻R93电连接，存储器U3的SCL1端口与单片机U1的SCL1端口连接，存储器U3的SDA1端口与单片机U1的SDA1端口连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于MEMS加速度传感器的智能电能表防窃电电路，其特征是：所述的温度测量电路包括温度传感器U4与电阻R130电连接，温度传感器U4的DATA端口与单片机U1的DATA端口连接。
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