射频识别物联网智能电表应用

第1章绪论1.1前言2008年初，百年罕见的雪灾袭击中国南方大部分地区，电网设施遭到严重破坏，罕见的雪灾压断了高压电线，压塌了电塔，致使电力供给中断。以受灾严重的湖南电网为例，全省sokV3条线路(含联络线)停运1条，占sokV线路总数的3%。全省20kV277条线路停运34条，占2OkV线路总数的12%;全省220kV变电站(含电厂升压站)1巧座，全停9座，占220kV变电站总数的8%。雪灾暴发后各地极力抢修，但恢复缓慢，暴露了中国电网建设的薄弱与明显不足。问题的关键在于相关部门对各级电网的监测工作不到位，不能及时准确的掌握电力设施的具体相关信息。1.2智能电网电力近几年，国家陆续出台政策扶持智能电网的发展。2011年，我国智能电网进入全面建设阶段，智能电网的发展促使智能电表招标采购活动上升，加速了我国智能电表市场的增长。全球智能电网的发展，需要使用新型电表，为我国企业带来机会。受国家政策的推动以及国外市场的刺激，未来几年我国智能电表市场将保持增长态势。行内预测，2016年智能电表的出货量将达到9780万个。智能电网(SmartPowerGrids)，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标；解决方案主要包括以下几个方面：一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。电网智能化的六大方面：智能化变电站、发电、智能输电、智能配电网、智能用电和智能调度；这次主要关注下智能电网中的智能化变电站系统。智能变电站是采用先进、可靠、集成和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站。1.3射频识别技术应用的目的当前，建立一套完整的电力监测体系是十分必要的。首先需要一种信息载体，以记录想要监测的电力设施相关信息。目前条形码的技术已是非常成熟，其应用已是无处不在，基于条形码的传统的商品包装和物流管理对人类的贡献是非常巨大的，但随着互联网在全球的普及，管理的自动化程度越来越高，条形码的某些特性已经不能满足现代网络时代的高自动化智能管理，而需要一种智能的电子标签取而代之，RFID射频无线电子标签的特点正好可以取代传统的条形码技术，电子标签的出现将给未来的电力电网监测系提供一条新思路。第2章射频识别技术2.1射频识别简介和特点射频识别技术是在20世纪40年代随着雷达技术的改进和应用而产生的，它通过无线射频方式获取物体的相关数据，并对物体进行识别，无需与被识别物体直接接触，即可完成信息的输入和处理，能快速、实时、准确地采集和处理信息。2.2射频识别的工作原理RFID电子标签分为被动标签(Pasisvetags)和主动标签(Activetags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。被动标签由阅读器产生的磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。有源标签因为其长距离识别的优势，主要应用于大型的高速运动物体的标识的识别之上，这里所说的电力杆塔上使用的就是主动式UHF超高频RFID标签，其频段在860MHz一96()MHz之间，以保证直升飞机能在空中50m之外与RFID标签保持正常通讯。2.2.1射频识别技术的构成一个真正的RFID电子标签识别系统至少应包含电子标签、阅读器、数据处理和存储的设备以及系统软件。(1)RFID电子标签(Tag):，每个标签具有唯一的电子物品编码，附着在物体上标识目标对象；(2)阅读器(Raeder):读取(有时还可以写人)标签信息的设备；(3)天线(Antenan):在标签和阅读器间传递射频信号。它一方面给无源的电子标签提供电能，另一方面也通过它接收电子标签上发出的信息，它也可向电子标签发射写入的信息。另外在每个电子标签上也有其自己的微形天线。RFID电子标签由天线和专用芯片组成，天线是镀在塑料片基上的铜模线圈，在塑料基片上还嵌有体积非常小的集成电路芯片(现在已经只有芝麻粒大，还可更小)，在这个集成电路芯片中有高速的射频接口，控制单元，EEPROM三个模块组成。2.3电子标签技术的优势1)不需要光源，甚至可以透过外部材料读取数据;2)使用寿命长，能在恶劣环境下工作;3)读取距离更远;4)可以写人及存取数据，写人时间快;5)标签的内容可以动态改变;6)能够同时处理多个标签;7)标签的数据存取有密码保护，安全性更高;8)可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位2.3.1电子标签和条形码的区别射频技术与条形码是两种不同的技术，有不同的适用范围，有时会有重叠。两者之间最大的区别是：条形码是“可视技术”，扫描仪在人的指导下工作，只能接收它视野范围内的条形码。相比之下，射频识别不要求看见目标，只要在接受器的作用范围内就可以被读取。条形码本身还具有其他缺点，如果标签被划破，污染或是脱落，扫描仪就无法辨认目标。条形码只能识别生产者和产品，并不能辨认具体的商品，贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样，无法辨认哪些产品先过期。而射频标签的芯片内存有该产品的详细信息：产品的名称、产地、材料、批次、生产日期，以及产品有效等信息。2.3.2电子标签的技术RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。2.4．射频识别技术的优势RFID技术应用于电网资产跟踪管理将大量使用手持采集终端对现场实物标识进行信息采集，由于在电磁场环境下进行操作，需要考虑终端设备的抗干扰性、读写距离、稳定性、可靠性等因素。2.4.1抗干扰因素变电设备在运行环境下，会产生工频电场和工频磁场，工频电磁场干扰属于低频感应场干扰。由于手持终端内部的信号没有以大地作为回流路径，因此，在手持终端选型设计上要考虑读写器的电磁防护设计。2.4.2读写距离电网实物标识安装位置一般都为设备基座的接地扁铁上，且离开地面一定的高度，方便操作人员读写数据，因此，手持机读写距离远近对减少资产巡查人员行走距离，降低工作强度，提高巡查效率有重要的意义。2.4.3手持设备续航时间220kV以上变电站占地面积较大，设备较多，且标识实施安装时间长，因此，手持设备电池必须具备较长的续航能力，且掉电后可自动保存数据，保证工作人员在现场工作没有后顾之忧。2.4.4实物标识性能RFID实物标识具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、数据可以加密、存储数据量大、存储信息可以修改等优点，已被广泛应用在电网资产跟踪管理上。因此，用于资产跟踪管理基本采用ISO18000—6B金属标识。电网设备常年在室外和高温的环境下，在标识设计及材料选型时需要充分考虑防紫外线、读写距离、多标识读取等因素。

第3章电力设施监测系统的构成3.1系统的需求分析电能计量芯片根据电压、电流输人信号生产电能量脉冲信号和电流方向信号送给MCU进行处理。MCU对电量脉冲进行累计。计算出电量并存贮，同时根据当前费率对剩余电量进行减法处理，并判断是否告警或断电。MCU不断读时钟，并决定当前运行的费率。MCU还监测RS485总线和红外通讯信号，接收或响应命令，进行串行通讯。另外，电表还监测继电器状态和电池电压、功率等参数，对非nI:常状态告警和记录。3.2系统的设计基于RFID的一单相电子式电能表的硬件电路包括电能计量单元、射频接口单兀、通信单兀、存储单元、时钟单元、显示单元、键盘处理单元、负荷控制单元、MCU监控单元和直流电源单元等部分。智能电能表原理框图如图3.2.1标签实现与国家电网的一体化办公系统紧密结合，保证国家利益，无法让用户窃电，保证供电安全，保障人民和国家的利益第4章系统功能模块的设计4.1电能计量部分ADE7755采用混合电路设计，模拟部分包括2个16位Σ-Δ模数转换器(ADC)、1个基准电路;数字部分又称为数字信号处理模块，包括相位校正器、高通滤波器、乘法器、低通滤波器、数频转换器等。混合电路设计结合了模拟电路和数字电路的优势，高精度16位Σ-ΔADC保证了信号的线性度与准确度;而在数字域内进行相位校正、滤波、乘法运算、数频转换有利于提高运算结果的稳定性。因此，ADE7755芯片即使长期运行于极端恶劣的环境下，仍具有较高的稳定度和准确度，其准确度超过了IEC61036标准提出的要求。

ADE7755的计量电路如图2所示。电压通过电阻分压网络后连接到ADE7755取样的电压计量通道，电流通过锰铜片后送入ADE7755的电流计量通道，ADE7755的线性度为1‰，保证了计量的准确性。CF频率输出端经过外接滤波电路与MCU的IO口连接。ADE7755设定了一个最小输出频率，当负载产生的输出频率低于这个规定的最小输出频率，F1、F2和CF将不会输出任何脉冲，这个频率是满量程输出频率对应的F1-4的0.0014%。电能表的脉冲常数是1600imp/kWh，最大负载电流是40A，最合适的F1-4频率为13.6Hz，即S0=1，S1=1，SCF=0。4.2射频接口部分MFRC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成IC系列中的一员。该IC系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500支持IS014443A所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动操作距离的天线(可达100mm)，接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测(奇偶和CRC)。此外，它还支持快速CRYPTOI加密算法用于验证Ml队RE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性，特别适合在三表中的应用。

RFID是电能表预付费的工具，借助RFID技术，我们可以很容易的实现电能表的预付费。利用MFRC500芯片作为RFID中的读值减值。由于单片机的总线不外扩，所以不能把MFRC500直接作为外部存储器操作。对此，笔者采用模拟总线的方式与MFRC500进行通信。如图3所示为MFRC500芯片与MSP43O的连接简图。这里选用P6口与MFRC500的DO-D7相连。Pl.6接READ，Pl.7接WRITE，Pl.4接ALE，P2.O接RSTPD等。天线部分采用数据手册上推荐的天线。4.3主程序流程软件是电表的灵魂所在。电能表需要完成电能计量、费率和时段控制、查询、显示、电费充值、负荷控制、事件记录、测试输出等功能。电能表软件设计主要采用C语言，采用模块化编程思想，主要包括以下几个模块:上电初始化模块、主程序模块、电量累计模块、数据存储模块、中断程序模块、LCD显示模块、按键处理模块、费率处理模块、实时时钟处理模块、射频读写模块、通讯事件处理模块、负荷控制模块等。主程序流程图如图4所示。4.4射频卡读写流程Mifare卡与读写器天线之间的工作距离≤10mm，数据传输速率为106kbit/s，完成一次读写的时间可小于0.1s。该卡具有防冲突功能。整个电路(除线圈外)集成在一个芯片内。单片机首先对MFRC500进行初始化配置，寄存器设置好后MFRC500就可以接收MCU的命令执行操作，实现与Mifare卡片通信了。Mifare卡可以根据接收到的指令进行相应操作。但是单片机并不是通过简单的指令就可以读写IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括:1)请求唤醒;2)防重叠(防止多张卡片重叠造成的数据错误);3)选择卡片;4)密码认证;5)读写操作。单片机对Mifare卡片的这一系列操作流程必须按固定的顺序进行。当有Mifare卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序将开始进行上述一系列的操作。为提高处理和响应速度，程序设计采用单片机汇编语言和C语言混合编程。中断服务程序采用汇编语言编写.其它程序采用C语言编写，调用PHILIPS公司提供的基本库函数实现各种功能。4.5抗干扰设计由于电表的工作环境非常恶劣，常见的干扰源主要有:瞬变及高频脉冲，低频脉冲，雷电，辐射电磁场，谐波与闪变等。作为一种非常重要的计量仪表，电能表在运行中要确保CPU在十年内正常运转程序不跑飞，数据不丢失，芯片不异常复位，即使偶尔发生异常，系统要能够及时地从故障中恢复，所以必须从软硬件两方面进行细致的可靠性设计4.6软件抗干扰1)减小带宽，隔离系统的敏感部分:如电量采集模块由于从电网中采集用户电量，其干扰非常多，可将它与电量计量电路单独金属封装，并保持一定的距离。

2)采用压敏电阻:电能表遭到瞬变干扰时，压敏电阻以纳秒级的速度极快响应，在过压期间形成一个低阻的分流器，能加强电能表抗电网瞬间浪涌冲击的能力。

3)光电隔离:ADE7755产生的脉冲信号通过光电隔离后再供单片机采集，可防止脉冲干扰信号窜入单片机。

4)电路板抗干扰设计:①模拟电路与数字电路分开;②模拟地与数字地分开并单点接地;③PCB板大面积铺地;④CPU芯片引脚不悬空;⑤将有较大干扰的芯片放在距单片机较远的位置等。

5)按键重复检测:利用定时器进行重复检测，以40Hz的频率对按键进行扫描，只有连续3次检测到按键接口为低电平才认为发生一次按键事件。这样能够得到消抖之后的可靠有效信号，从而避免因干扰导致的按键误操作。

6)指令冗余:指令冗余就是在程序关键的地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写。它是使程序从“乱飞”状态恢复正常的一种有效措施，其前提条件要求PC指针必须指向程序运行区，且必须执行到冗余指令。

7)软件陷阱:当乱飞的程序进入非程序区，通过软件陷阱的设定，即加入跳转指令，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置，再进行错误处理，使程序重新纳入正轨。

8)程序监视定时器(看门狗):看门狗通过监视程序运行状态，判断程序是否进入死循环或出现程序“跑飞”现象，进而强迫程序回到复位状态。系统的主程序是循环结构，在循环路径上设置看门狗清零指令。第5章设计测试5.1测试环境用户，智能电表。5.2测试内容以北京网银购电为例：

1、登陆银行网站，点击“分行特色”下“电费”。

2、点击左侧“智能表购电”。

3、输入客户编号，点击确定。

4、核对客户信息，点击确定。

5、输入购电金额，点击确定。如需查询，点击左侧“查询”。

6、核对客户信息与缴费信息，并选择“缴费卡号”。

7、确认缴费信息，并插入银行U盾，输入密码，点击确定。

8、购电成功。如需发票，请于三个月内至工行网点或自助机具补打发票。5.3测试结果智能电表正在快速发展的电表类别，传统的智能电表用户持IC卡到供电部门交款购电，供电部门用售电管理机将购电量写入IC卡中，用户持IC卡在感应区刷非接触式IC卡（简称刷卡，下同），即可合闸供电，供电后将卡拿走。当表内剩余电量等于报警电量时