通信技術、微處理器技術、數據處理技術的共同發展推動了智能電網的建設，實時用電采集系統的設計是實現電網智能化的重要組成部分。用電采集系統主要由主站、數據采集層和采集點設備層三部分組成。主站是整個系統管理控制中心，負責整個系統的信息采集和電能管理；數據采集層的主體是電能采集終端，負責對電能信息的采集、數據傳輸和執行主站發送的命令；采集點是電能信息的采集源和監控對象，包括電能表和相關測量設備。
     目前,對低壓非居民用戶和居民用戶的用電信息采集設備主要是集中抄表終端(包括集中器和采集器)，并以遠程無線通信(GPRS/CMDA)與主站完成數據交互。但在新舊電力設備轉換的階段，針對集中用戶和分散用戶、大用電戶和小用電戶在實際抄表中遇到一些問題，本文介紹了一種便攜式手抄系統的設計和實現方案，可使電力管理部門更加方便地采集用電信息[1]。
1 手抄系統總體結構設計
    該系統主要由手持終端和采集器兩部分組成。手持終端作為控制端不僅能完成對電能數據的抄收、存儲和顯示，而且能與上位機進行數據傳輸并及時上傳至主站系統。采集器在整個抄表系統中起過渡作用，它根據手持終端發來的命令控制所管轄的電能表，負責收集和提供整個系統的原始用電信息，并把用電信息發送給手持終端，因此集中器要能夠同時與手持終端和電能表進行通信[2]。
    系統總體結構如圖1所示。在正常情況下，手持終端通過采集器對電能表進行電能數據的抄收和參數設置，并根據電能表地址對各個電能表的電能數據進行統計、分析發送給上位機。但當采集器無法完成通信時，手持終端也可以通過紅外方式直接對電能表進行電能數據抄收與參數設置。

2 系統硬件設計
    無線抄表系統由采集器和手持終端兩部分組成，綜合考慮本系統設計的需求選擇了意法半導體(ST)公司STM32系列的STM32F103RBT6作為本系統的主處理器。它基于Cortex-M3內核,擁有的資源包括128 KB Flash、20 KB SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC(16通道)、RTC、DMA、4個16位定時器、51個可用的I/O腳等，因其有較高性能和豐富的資源，較好地滿足抄表系統的開發需求，所以選擇它作為主芯片[3]。
2.1采集器硬件設計
　采集器主要由微處理器、電源模塊、存儲模塊、485通信模塊、時鐘模塊和無線收發模塊組成，其功能結構如圖2所示。采集器與電能表通過RS485通信，根據用戶實際情況，采集器可以用于采集單個或多個電能表的電能信息。當采集器收到手持終端抄表命令時，對其連接的電能表進行電能數據采集并將這些數據進行存儲，然后通過無線將這些數據發送給手持終端。

2.2手持終端硬件設計
    手持器終端是整個系統的控制端，它管理全系統的數據傳輸、數據處理和數據應用，并與上位機進行數據交換，其功能結構如圖3所示。

    電源模塊由3 V的電池供電，并通過升壓型DC-DC芯片TPS60100和TPS60110產生系統所需要的3.3 V和5 V電壓；時鐘是系統記錄事件和數據通信的時間依據，本設計采用低功耗、低成本、高精度的DS3231芯片，并通過400 kHz 的IIC總線接口與處理器相連；手持終端需要存儲和處理各類數據，因此選用了ATMEL公司的AT45DB642芯片來存儲，它具有8 MB的存儲空間，數據傳輸時鐘頻率達66 MHz，通過SPI串行口連接處理器；液晶選用北京集萃公司的SO160160—01ASWE，采用并口6800工作方式，并通過處理器GPIO控制液晶的顯示。DL/T645-2007通信協議規定紅外通信的載波頻率為38 kHz±1 kHz，故而采用適合此頻段的紅外發射管TSAL6200 和紅外接收管TSOP1838，發送脈沖調制采用三極管耦合，載波由PWM產生，并通過STM32的串口1完成通信。
2.3 無線收發硬件電路設計
    無線模塊作為采集器和手持終端的重要部分，本系統采用2.4 G通信的JF24C無線模塊。它整合了高頻鍵控(GFSK)收發電路的功能，以小體積實現高速數據傳輸，其傳輸速率可達到1 Mb/s，具有快速跳頻、向前糾錯、循環冗余校驗等功能，可以在擁擠的ISM頻段中達到穩定可靠的數據傳輸。JF24C采用SPI數字接口與STM32處理器連接，其結構如圖4所示。

    JF24C提供了兩種方法來處理TX/RX數據包長度，一種是在JF24C微處理器內自動檢測數據包長度，另一種是微處理器保持接收/發送狀態直到單片機終止發送和接收。JF24C微處理器可處理的數據包長度最高為255 B，本系統無線通信一幀數據長度小于255 B，所以選用JF24C微處理器內自動檢測數據包長度。其中，TX的時序圖如圖5所示，RX的時序圖如圖6所示。

    在抄表通信中涉及到自動獲取電能表地址，目前根據DL/T645—2007通信協議，按以下搜索算法獲取電能表地址。用全AA的地址域抄電能數據量，如果接收到完整的回應幀，則表明下面只接一只電能表，然后從地址域中得到該表的地址，跳出搜表循環；如果收到錯誤數據，則表明所接的電能表不止一只。然后將地址域低字節使用XX(00~99），其余高5 B使用AA地址抄讀表計電量。如果收到完整的回應幀，則收到了一只表，此時將地址域低字節加1繼續抄表命令，直到出現錯誤的數據為止，記錄循環次數為N，此時表明所接的RS485表計地址在低位有相同的值XX+N。
　通信部分作為多功能無線抄表系統的核心，不僅完成數據的通信，而且為系統的合理有序運行提供可靠的保障。系統通過串口中斷接收數據。當接收到主站有效數據幀后,首先要檢驗從站地址正確與否，若非本站則可將該數據幀丟棄，若是本站則繼續檢驗控制碼、校驗碼等其他信息，確保接收到的數據幀的正確性，然后再進行數據幀的解析。非廣播命令則需要組織回應數據幀，如果組織數據過程中出現錯誤，則需做出異常應答，在完成回應之后，返回等待主站下一次的通信命令。
4 系統軟件設計
4.1采集器軟件設計
　采集器作為手抄系統的中間環節，不僅需要與電能表進行本地通信，還需要與手持終端進行無線通信。所以在整個系統中，采集器主要實現了手持終端與電能表之間的通信,并且對DL/T645通信規約進行解析和轉換。
　采集器程序流程如圖7所示。系統上電時初始化STM32外設，初始化JF24C無線射頻模塊，然后通過串口1中斷接收數據。當接收到手持終端的抄表命令時，向電能表發送命令并接收電能表返回的抄表數據，如果數據錯誤則重新給電能表發送抄表命令，如果正確則對電能數據通過串口2發送給手持終端，接著等待下一次抄表命令[5]。

    JF24C無線射頻模塊初始化流程圖如圖8所示。
4.2 手持終端軟件設計
　    為了能較好地完成系統的多任務處理，在STM32微處理器上嵌入μC/OS-II實時操作系統。在μC/OS-II實時操作系統下的程序設計可以將應用程序分成相對獨立的多個任務，每個任務都有自己的優先級，μC/OS-II內核按照優先級對這些任務進行調度和管理。 根據手持終端實現的功能，對系統任務進行分割, 并為各個任務分配優先級。系統大致可分為如下幾個任務：RTC任務、按鍵檢測任務、LCD顯示任務、無線通信任務和紅外通信任務。如圖9所示，系統的總體程序設計以μC/OSⅡ實時操作系統為基礎，首先初始化STM32F103RBT6外設功能，然后創建各個功能模塊的應用程序任務并合理分配優先級，并按照優先級對每一個任務進行處理[6]。

5 手抄系統測試
　    系統測試中采用一塊電能表通過RS485接口與采集器相連接，并由手持終端發送抄表命令。因本系統設計所測試的電能表是掛在計量箱內部，所以本測試是通過JF24C無線模塊進行抄表，測試采用的電能表地址為000000563825。在正常天氣下，不同距離對電能表進行多次的抄收，并記錄下成功抄收次數和失敗次數，其測試結果如表2所示。

    本系統通過無線通信和紅外通信的相互配合完成了對電能表電能數據的抄收，并將電能數據抄收與數據管理相結合，不僅保證了用電采集系統的可靠性，而且更加方便電力管理部門對用電信息的統計。通過實際的測試和長時間運行，本系統具有良好的穩定性和通用性，能夠快速準確地完成電能表電能數據的抄收。
參考文獻
[1] 徐金亮, 程必宏. 用電信息采集系統技術與應用[M].北京：中國電力出版社，2102.
[2] 周長紅，劉敬彪．智能抄表系統的設計與實現[J]．現代電子技術，2004(172)：35-37．
[3] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] DL/T 645- 2007，多功能表通信規約標準[S].2007.
[5] 王振朝，郭偉東，王伊瑾．基于電力載波通信技術的抄表通信模塊設計[J]．電測與儀表，2009(19)：72-76．
[6] 任哲，潘樹林，房紅征. 嵌入式操作系統基礎μC/OSII和Linux[M]. 北京: 北京航天航空大學出版社，2006.