حل ذكي للمتر القائم على حامل الإشارة الكهربائية منخفض الجهد

1. تصميم الخلفية والتوضع الأساسي​

1. ​الخلفية التقنية والسوقية​
   مع التطور السريع لتكنولوجيا الحاسوب والدوائر المتكاملة والتواصل، أصبحت تقنية ناقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد المنخفض (220 فولت) مُستقرة وأصبح لها مكانة رائدة في مجال أنظمة قراءة العدادات الآلية. على النقيض من ذلك، لم تحقق خطوط الطاقة ذات الجهد العالي تطبيقات كبيرة مثل الألياف الضوئية أو الاتصالات عبر الأقمار الصناعية بسبب عوامل التداخل المتعددة وتكلفة التنفيذ العالية.
2. ​التوضع النظامي​
   تم تصميم العداد الذكي في هذه الحلول ليكون الوحدة الأساسية لشبكة متعددة الوظائف لنظام قراءة العدادات عن بعد باستخدام ناقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد المنخفض. يعمل معًا مع جامعات البيانات وأنظمة الإدارة الخلفية بهدف استبدال قراءة العدادات يدويًا في سيناريوهات مختلفة مثل المستخدمين السكنيين ذوي الجهد المنخفض، والمستهلكين الكبار (المستخدمون الرئيسيون)، والمراكز الفرعية، لتحقيق التحكم الكامل في الطاقة بشكل آلي وذكي.

​II. تصميم الأجهزة للعداد الذكي​

1. ​الهيكل العام للأجهزة​
   يقع مركز النظام حول وحدة المعالجة الدقيقة (MCU)، مدمجة مع الوحدات الداعمة مثل ساعة الحراسة، وتخزين البيانات، وكشف انقطاع الطاقة، وتحويل الطاقة، والتواصل عبر الناقل، ووحدة العرض، وتحكم الريلاي، ومصدر طاقة العداد. تعمل كل وحدة معًا لضمان التشغيل المستقر والموثوق للعداد. (راجع الشكل 1 في الوثيقة الأصلية للرسم البياني للهيكل.)
2. ​تفاصيل الوحدات الرئيسية للأجهزة​
   | وحدة الأجهزة | المكون الأساسي / المواصفات | الوظيفة الرئيسية |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | وحدة التحكم (MCU) | المتحكم الدقيق AT89C2051 | معالجة بيانات القراءة (الحساب، التخزين)؛ الاستجابة لأوامر جامع البيانات (تحميل بيانات الطاقة، تنفيذ تشغيل/إيقاف الطاقة)؛ التحكم في العرض. |
   | دارة تحويل الطاقة | الشريحة المتكاملة عالية الدقة AD7755 | تحويل الطاقة المستهلكة من قبل المستخدم (كيلووات ساعة) إلى نبضات رقمية يمكن للمعالج الدقيق التعامل معها؛ وهو ميزة أساسية للعدادات الإلكترونية. |
   | وحدة التواصل عبر الناقل | - | الاتصال بخط الطاقة عبر دائرة التوصيل؛ ترميز وإلغاء ترميز الإشارات الرقمية وال аналогية للنقل ثنائي الاتجاه للبيانات. |
   | وحدة العرض | - | عرض استهلاك الطاقة، الوقت، فترات الاستخدام (الذروة/المتوسط/القاع)، معدلات التعريفة، إلخ، مدفوعة بالبرمجيات. |
   | الريلاي | - | تلقي أوامر MCU؛ يبقى مغلقاً أثناء التشغيل الطبيعي، ويقوم بإيقاف الطاقة في حالة عدم الدفع أو الأوامر البعيدة للتحكم في الطاقة. |
   | تخزين البيانات | شريحة التخزين 24CoX | تخزين البيانات الهامة (مثل استهلاك الطاقة) أثناء انقطاع الطاقة؛ يدعم الحفاظ على البيانات عند انقطاع الطاقة، وقت التخزين الطويل، واستخدام طريقة القراءة والكتابة I2C. |
   | مصدر طاقة العداد | - | توفير طاقة مستقرة لكل الدارات الإلكترونية، بما في ذلك MCU، وحدة التواصل، ووحدة العرض. |
   | كشف انقطاع الطاقة والساعة الحراسة | - | كشف انقطاع الطاقة: مراقبة الجهد وتوجيه حماية البيانات عند حدوث حالات غير طبيعية؛ الساعة الحراسة: منع احتجاز البرنامج وتحقيق إعادة تشغيل النظام تلقائيًا. |
3. ​مبدأ عمل العداد​
   • ​قياس الطاقة: يتم تحويل استهلاك الطاقة بواسطة شريحة AD7755 إلى نبضات رقمية. يقوم MCU بحساب عدد معين من النبضات كـ 1 كيلوواط ساعة بناءً على المعلمات المحددة ويجمعها ويحفظها وفقًا لفترات الذروة والمتوسط والقاع.
   • ​تبادل البيانات: يصدر جامع البيانات أوامر قراءة العداد أو التحكم. يقوم العداد بتحميل بيانات الطاقة المخزنة عبر وحدة الناقل عبر خط الطاقة. إذا تم استلام أمر إيقاف الطاقة، يتحكم MCU فوراً في الريلاي لتنفيذ عملية إيقاف الطاقة.
   • ​حماية الاستثناءات: تقوم دائرة كشف انقطاع الطاقة بإخطار MCU لنقل البيانات الحرجة بسرعة إلى شريحة 24CoX عند اكتشاف حالات غير طبيعية. تقوم وحدة الساعة الحراسة بإجبار إعادة تشغيل النظام في حالة حدوث أعطال في البرنامج، مما يضمن الموثوقية.

​III. تصميم البرمجيات للعداد الذكي​

1. ​نهج البرمجة والأهداف الأساسية​
   يتم استخدام مزيج من لغة التجميع ولغة C للبرمجة، مما يوفر توازنًا بين كفاءة البرنامج ومرونة التطوير. الأهداف الأساسية هي تأمين أتمتة وتذكية وظائف العداد مع تقليل استخدام ذاكرة MCU.
2. ​وحدات البرنامج الرئيسية​
   • ​وحدة جمع ومعالجة البيانات: جمع نبضات الطاقة، حساب استهلاك الطاقة الإجمالي للمستخدم، وتصنيف الإحصاءات حسب الفترة (الذروة/المتوسط/القاع).
   • ​وحدة التفاعل بالتواصل: تتيح التواصل ثنائي الاتجاه مع جامع البيانات، بما في ذلك مزامنة الساعة، تحميل بيانات الطاقة الفعلية/الشهرية، والاستجابة لأوامر الريلاي (مثل التحكم في تشغيل/إيقاف الطاقة).
   • ​وحدة الحماية وإدارة الاستثناءات: تدمج الساعة الحراسة، تحديد بدء التشغيل الموثوق (للحفاظ على سلامة البيانات)، وكشف انقطاع الطاقة ومعالجة البيانات، تعمل مع الأجهزة لضمان استقرار النظام.
   • ​وحدة إدارة الفترات والتعريفات: تحديد قواعد الفترات لتطبيقات التعريفات المتعددة، تحديد الفترة الحالية في الوقت الحقيقي، وتوفير أساس لقياس متميز.
   • ​وحدة التحكم في العرض: تشغيل وحدة العرض لعرض استهلاك الطاقة، الوقت، التعريفات، وغيرها من المعلومات حسب الحاجة، لضمان تصور البيانات بشكل بديهي.
3. ​تدفق البرنامج الرئيسي للبرمجيات​
   بعد بدء النظام، يتم أداء تحديد "بدء التشغيل الموثوق"→تهيئة المعلمات أو قراءة البيانات التاريخية بناءً على نتيجة التحديد→تعيين فترات زمنية وتحديد الفترة الحالية→فحص ما إذا كان اليوم هو يوم قراءة العداد وإعداد البيانات→كشف انقطاع الطاقة في الوقت الحقيقي وتفعيل الحماية→كشف أوامر الناقل ومعالجة التواصل→إعادة تعيين الفترات، وتكرار الدورة. (راجع الشكل 2 في الوثيقة الأصلية للتدفق المفصل.)

​IV. نظام القياس عن بعد وآفاق التطبيق​

1. ​تكوين النظام والوظائف​
   يتكون النظام الكامل للقياس عن بعد من ثلاثة أجزاء:
   • ​العداد الذكي: مسؤول عن القياس النهائي وتنفيذ الأوامر.
   • ​جامع البيانات: مسؤول عن تجميع البيانات الوسيطة وتوزيع الأوامر.
   • ​نظام الإدارة الخلفي: مسؤول عن إحصاءات البيانات، التحليل، حساب خسارة الخطوط، تنبيهات الاستثناءات، وإنشاء التقارير.
   الوظيفة الأساسية للنظام هي تحقيق الأتمتة الكاملة من جمع الطاقة→نقل البيانات→استعلامات الإحصاء→تحليل خسارة الخطوط→تنبيهات الاستثناءات→إنشاء التقارير، واستبدال قراءة العدادات يدويًا تمامًا.
2. ​المزايا والآفاق​
   مقارنة بالحلول اللاسلكية أو الخطوط المخصصة، يستفيد هذا النظام من خطوط الطاقة الموجودة، مما يوفر تكاليف استثمار منخفضة، وسهولة الصيانة، وقوة كبيرة للانتشار الواسع. يضع الأساس التقني المتين للمجتمعات الذكية المستقبلية لتحقيق "النقل البعيد للثلاثة عدادات" (كهرباء، مياه، غاز) ويمكنه دمج المزيد مع أنظمة البنوك لخصم رسوم الكهرباء تلقائيًا، مما يعزز بشكل كبير راحة السكان.
3. ​التحديات المستقبلية​
   • ​على المستوى التقني: تحسين مستمر في معدلات استرجاع بيانات العداد (ضمان نقل البيانات الناجح) وتحسين خوارزميات الريلاي لتعزيز استقرار التواصل في بيئات خطوط الطاقة المعقدة.
   • ​على المستوى التطبيقي: التكيف مع اتجاهات الإصلاح الكهربائي، وتعزيز التكامل العميق للنظام مع وظائف الإدارة المتقدمة مثل تنظيم الحمل وتحليل توفير الطاقة.