摘 要： 提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的電度表計(jì)費(fèi)和繳費(fèi)方案,。采用具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)PIC18F66J60實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接,，采用無(wú)線收發(fā)芯片CC1000實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)終端與電度表的通信。該系統(tǒng)能夠滿足用戶方便快捷購(gòu)電的要求,。
關(guān)鍵詞： 電度表,；互聯(lián)網(wǎng)；繳費(fèi),；單片機(jī),； 無(wú)線收發(fā)
我國(guó)電力用戶多，并且大部分地區(qū)沿用人工抄表,、人工收費(fèi)的工作方式,，造成大量的人力和物力的浪費(fèi)[1]。IC卡式預(yù)付費(fèi)電度表[2,，3]雖然易用性上獲得一定的改善,，但是繳費(fèi)需要去指定地點(diǎn)刷卡；一些自動(dòng)抄表系統(tǒng)[4]也很具吸引力,，但是運(yùn)營(yíng)成本較高,。同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶將突破4億,，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)已成為很多家庭的選擇。本文采用PIC18F66J60單片機(jī)設(shè)計(jì)的電度表互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)與自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以適應(yīng)這種需要,，減少人力物力的浪費(fèi),。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由兩個(gè)具有收發(fā)功能的模塊組成，兩個(gè)模塊同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)電度表和互聯(lián)網(wǎng)之間的相互通信,。電度表端主要包含三部分：一個(gè)具有數(shù)字讀數(shù)信號(hào)和三個(gè)配置信號(hào)的電度表,、一個(gè)無(wú)線收發(fā)芯片、一副天線,?；ヂ?lián)網(wǎng)端主要由三部分組成：一個(gè)具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)、一個(gè)無(wú)線收發(fā)芯片,、一副天線,。此外，還包含電源電路和一些接口電路,。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。其中CC1000是無(wú)線收發(fā)芯片,，PIC18F66J60是具有1個(gè)SPI接口和以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)。
1.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)采用無(wú)線收發(fā)芯片將電度表讀數(shù)發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)端,，互聯(lián)網(wǎng)端的無(wú)線收發(fā)芯片接收電度表讀數(shù),，單片機(jī)對(duì)接收到的電度表讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換為當(dāng)月應(yīng)該繳納的電費(fèi)。單片機(jī)模塊包含數(shù)碼管顯示部分,，應(yīng)繳的電費(fèi)將在數(shù)碼管上顯示,，同時(shí)單片機(jī)將應(yīng)繳納的電費(fèi)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)終端訪問(wèn)單片機(jī),，并將應(yīng)繳納的電費(fèi)讀到計(jì)算機(jī)上,，并在人機(jī)交互界面上進(jìn)行顯示。只需點(diǎn)擊繳費(fèi)按鈕,，即可發(fā)送控制信號(hào)給單片機(jī),，進(jìn)而通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片控制用電開關(guān)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三種功能,。
(1)抄表,。電度表每月月初和月末分別發(fā)送讀數(shù)給單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算兩者之差作為當(dāng)月用電量,。
(2)計(jì)費(fèi),。單片機(jī)將當(dāng)月用電量乘以從電能供應(yīng)商處獲得的用電單價(jià)，得到當(dāng)月應(yīng)繳電費(fèi),。
(3)繳費(fèi),。單片機(jī)將當(dāng)月應(yīng)當(dāng)繳納的電費(fèi)發(fā)送到電能供應(yīng)商提供的服務(wù)器上，確認(rèn)之后,，從電能供應(yīng)商服務(wù)器發(fā)送用電許可指令給單片機(jī),，單片機(jī)閉合用電開關(guān)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)PIC18F66J60是整個(gè)系統(tǒng)的核心,，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算和控制,，本設(shè)計(jì)主要用到了PIC18F66J60的以太網(wǎng)模塊專用數(shù)據(jù)接口、I/O口以及SPI接口,。兩個(gè)收發(fā)芯片輔助完成電度表,、單片機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)之間的通信。
2.1 電度表端的電路設(shè)計(jì)
電度表端電路(如圖2)采用Chipcon公司的無(wú)線收發(fā)芯片CC1000,。CC1000可以在315/433/915 MHz ISM(工業(yè),、科學(xué)和醫(yī)療)頻帶系統(tǒng)上應(yīng)用，采用FSK調(diào)制,，可采用3.3 V電源供電,。芯片內(nèi)部的T/R切換電路簡(jiǎn)化了天線連接和匹配電路設(shè)計(jì)，通過(guò)編程可方便選擇芯片的工作頻帶，輸出功率可編程,。該芯片具有28個(gè)管腳,，其中，PALE,、PDATA,、PCLK是芯片的可編程串行接口，通過(guò)該接口可對(duì)芯片的36個(gè)配置寄存器執(zhí)行讀寫操作,。DCLK,、DIO用來(lái)與電度表交換數(shù)據(jù)，其中DCLK為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘,，由CC1000提供,。
2.2 互聯(lián)網(wǎng)端的電路設(shè)計(jì)
互聯(lián)網(wǎng)端采用CC1000實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā),，為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),，天線采用印制電路板天線，無(wú)線收發(fā)距離通過(guò)單片機(jī)寫CC1000的功率控制寄存器進(jìn)行配置,?；ヂ?lián)網(wǎng)接口電路采用具有以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)芯片PIC18F66J60，該單片機(jī)具有64 KB內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器,，因而不需要擴(kuò)展EEROM即可實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的永久保存,。這款單片機(jī)集成MAC和10 Base-T PHY，支持10 Base-T端口,，在發(fā)生沖突時(shí)可編程自動(dòng)重發(fā),，并可拒絕錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，并且它具有完整的網(wǎng)路連接解決方案,，外加兩個(gè)脈沖變壓器和一些無(wú)源器件即可與以太網(wǎng)連接,。此外，PIC18F66J60具有一個(gè)主同步串行口模塊,，支持SPI和I2C兩種模式,，本文中使用SPI模式配置無(wú)線收發(fā)芯片。單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)芯片的接口通過(guò)SPI口和兩個(gè)普通I/O口實(shí)現(xiàn),，TPIN+,、TPIN-、TPOUT+,、TPOUT-這四個(gè)引腳是單片機(jī)的以太網(wǎng)模塊專用信號(hào)接口,，單片機(jī)通過(guò)這四個(gè)引腳外加一些外部元件(圖3中SC模塊)與互聯(lián)網(wǎng)連接。
2.3 電源模塊設(shè)計(jì)
采用電源適配器提供5 V的直流電壓,，無(wú)線收發(fā)芯片CC1000采用3.3 V直流供電電壓,，PIC18F66J60也可采用3.3 V電源。AMS1117是5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片,，該LDO可以提供1 A的輸出電流,，具有低于1 V的輸入輸出電壓差,，并且電路簡(jiǎn)單，只需要在輸入輸出端加一定的濾波電容即可正常工作,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包含PIC18F66J60的相關(guān)程序,、電度表端程序設(shè)計(jì)、CC1000配置程序和主機(jī)端操作界面程序,。PIC18F66J60相關(guān)程序主要完成：對(duì)電度表讀數(shù)進(jìn)行接收和計(jì)算當(dāng)月電費(fèi),，接收來(lái)自電度表端的讀數(shù)數(shù)據(jù)，每月月初和月底的電度表讀數(shù)差乘以用電單價(jià)即可得到當(dāng)月應(yīng)繳電費(fèi),；保存過(guò)去12個(gè)月的用電清單(包含用電量,、單月電費(fèi)和用電單價(jià))；每月月底向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端繳費(fèi),；從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端讀取繳費(fèi)信息,，并存入單片機(jī)內(nèi)部Flash，從規(guī)定繳費(fèi)時(shí)刻算起,，當(dāng)欠費(fèi)時(shí)間大于10小時(shí),，紅色LED指示燈亮，提醒用戶需要繳費(fèi),，當(dāng)欠費(fèi)時(shí)間大于24小時(shí)時(shí),，PIC18F66J60向電度表發(fā)送停止供電指令，用電開關(guān)自動(dòng)斷開,，充值后,，PIC18F66J60發(fā)送供電指令，閉合用電開關(guān),。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得用電單價(jià)信息,，實(shí)時(shí)更新單片機(jī)內(nèi)部Flash的用電單價(jià)。PIC18F66J60相關(guān)程序流程圖如圖4所示,。
電度表端程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能：每個(gè)月第一天上午8點(diǎn)和最后一天上午8點(diǎn)發(fā)送電度表讀數(shù)給電度表端的CC1000,，控制CC1000工作在發(fā)送狀態(tài)，其他時(shí)間控制CC1000工作于接收狀態(tài),。CC1000配置芯片工作參數(shù),，先要復(fù)位CC1000，然后根據(jù)時(shí)序要求配置寄存器,，校正收發(fā)支路即可使CC1000正常工作,。主機(jī)端操作界面由ASP語(yǔ)言和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，向用戶提供繳費(fèi),、用電單價(jià),、以及打印過(guò)去12月用電量和用電費(fèi)用清單信息，同時(shí)為用戶提供了友好的基于Web的操作界面，可以采用瀏覽器直接訪問(wèn)服務(wù)器,。
本文采用PIC18F66J60設(shè)計(jì)的電度表互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)與自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng),，很好地繼承了過(guò)去沿用的用電繳費(fèi)習(xí)慣，具有硬件簡(jiǎn)單,，易于實(shí)現(xiàn),、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，以一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，與該計(jì)算機(jī)通過(guò)交換機(jī)連接的收費(fèi)終端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行繳費(fèi),。該系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)IP的獨(dú)立性,，可以利用MAC地址區(qū)別用戶終端，并且每個(gè)CC1000都配置有唯一的標(biāo)識(shí)碼,，是一種低運(yùn)營(yíng)成本的有效繳費(fèi)和計(jì)費(fèi)方式,。
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