一种简单的电子公用仪表解决方案

　　引言

        电子公用仪表与目前使用的传统机械式和机电式仪表解决方案相比，具有很多优势。无论是气表、水表、热表，还是电表，都可以利用电子仪表的如下某些或全部特性：

• 　　精度更高
• 　　校准容易
• 　　防篡改保护
• 　　自动抄表
• 　　安全性好
• 　　先进的计费方式(分时计费和预付费等)

电子仪表的设计不一定要采用复杂的实现方式。在本文所介绍的实例中，通过基于单片机(MCU)的脉冲计数器可以大大简化各类仪表的实现。图1给出了一种基于MCU的典型计数器的组成框图。

　　图1 带外部时钟输入的MCU 8位或16位定时器

　　精度更高

仪表是根据测量精度进行分类的。例如，一个机械式电表的典型精度是2%左右。相比之下，一个普通的电子电表可以达到0.2%的测量精度。如果在仪表设计中使用MCU，那么就能够通过改变软件参数调节测量精度。这样，只需开发一个硬件平台就可以支持多级测量精度，因此可使仪表生产商简化生产流程，且可为安装仪表的公用事业公司带来良好的规模经济。

　　校准容易

常规的机械式仪表包含很多可动的部件。随着使用时间的延长，这些部件可能需要重新调校，才能使仪表恢复正常状态。调校时通常要把仪表拆卸下来并返回厂家进行校准，非常不便。但是通过使用MCU中的非易失性存储器(EEPROM或Flash)就可以很方便的存储或更新校准信息，甚至可以设计为采用自动校准的方式。

　　图2 气表结构框图

　　防篡改保护

一般来说，公用仪表最大的一个问题就是偷窃现象。在很多情况下，篡改仪表是为了改变测量结果。偷窃问题通常出现在电表上，形式多种多样。根据电表的类型，某些仪表可能被反接而使电量计数递减而不是递增。另外，采用钢铁材料作旋转盘片的老式仪表易受磁体的影响，会因此而减慢旋转的速度，从而引起错误的电量测量结果。可以使用几个简单的方法来检测电子仪表的篡改和偷窃现象。尤其对于电表来说，可以检测到多种“典型”情况，如：

·负载不对称(回路被接地，导致不对用电进行计量)

·电表暂时断开(或被旁路)

·使用永磁体使电流互感器饱和或停止计数器

·恶意破坏

一旦检测到篡改现象，我们可以对仪表采取多种防范措施。如果仪表控制供电，它可以将负载的供电断开。另外，如果仪表具有通信机制，还可以通过点亮指示灯或者向公用事业公司发送报警消息的方式，指明发生了偷窃篡改情况。

　　电子抄表

电子仪表最大的一个优势就是增加了自动抄表(AMR)功能。这样一来，就不用派专人去现场登记使用数据，从而可大大节省开销。人工抄表是一种劳动密集型的工作，容易出现人为差错(甚至是贿赂现象)。由于仪表安装在不同的地方，因此人工抄表无论对于用户还是对于抄表员来说都是非常不方便的。

目前有多种技术可以实现电子仪表的AMR功能，或者改进已有的机械式/机电式仪表。通过下列几种方式可以实现电子仪表的自动抄表和通信：

• 　　红外——通过仪表的面板实现近程红外LED传输;
• 　　射频( RF)——近程或远程通信，如ZigBeeTM协议或蜂窝网络;
• 　　通过电话线的数据调制解调方式;
• 　　电力线载波(PLC)——近程到中程传输
• 　　串口(RS-485)

在某些情况下，仅仅通过手持式设备(通过IrDATM协议或者RF方式，最远通信距离可达几百英尺)通信就可以实现AMR功能的优势。尽管这种方式仍然需要抄表员到各个仪表安装现场抄表，但是这种方式能够确保数据读取是准确的，并且能够大大加快抄表过程。此外，ZigBee联盟正在开发一种测量方案，能够使水表、气表、热表和电表的制造商之间实现相互合作，通过一种共同的通信媒介发送使用数据。

　　安全性好

随着测量过程自动化程度的提高，安全数据存储和通信技术的需求也与日俱增。确保公用事业部门所收集数据的保密性和完整性是非常重要的。这可以通过MCU自身的内部数据EEPROM或者使用加密算法将数据存储到仪表外部的方式来实现。另外仪表使用数据的安全通信也值得关注。同样，可以使用几种加密算法和握手协议来确保安全的数据传输。

 

　　图3 热表结构框图

　　先进的计费方式

电子仪表已经可以根据使用时段(Time of Use，TOU)分时计费了。TOU分别设定高峰期(使用率较高)和非高峰期(使用率较低)时段。TOU收费有多种好处。首先，如果用户在非高峰期使用，则可以享受较低的价格。其次，由于高峰期的用户要支付较高的使用价格，TOU计费方式很自然地就在较大程度上降低了高峰期的使用。铺设新的公用基础设施的投资