Chytrý čítač založený na nízkonapěťovém nosiči dat po elektrické síti

1. Návrh a základní pozice​

1. ​Technický a tržní kontext​
   S rychlým rozvojem počítačové technologie, mikroelektroniky a komunikačních technologií se technologie nízkofrekvenčního nosiče na elektrických článcích (220V) vyvíjela a zaujala dominantní postavení v oblasti systémů pro automatické čtení měřidel. Naopak, vysokofrekvenční elektrické články, kvůli mnoha rušivým faktorům a vysokým nákladům na implementaci, nedosáhly rozsáhlé aplikace podobné optickým vláknům nebo satelitní komunikaci.
2. ​Pozice systému​
   Chytrý měřič navržený v tomto řešení slouží jako základní multifunkční jednotka systému pro dálkové čtení měřidel s nízkofrekvenčním nosičem na elektrických článcích. Spolupracuje s koncentrátry dat a backendovými systémy správy, aby nahradil ruční čtení měřidel v různých scénářích, jako jsou nízkonapěťoví bytoví uživatelé, velcí spotřebitelé (klíčoví uživatelé) a transformační stanice, s cílem dosáhnout plné automatizace a inteligence ve správě elektrické energie.

​II. Hardwarový návrh chytrého měřiče​

1. ​Celková hardwarová architektura​
   Hardwarový systém je založen na mikroprocesorové jednotce (MCU), integrované s podpůrnými moduly, jako je watchdog, úložiště dat, detekce vypnutí, převod energie, komunikace s nosičem, zobrazovací jednotka, reléové ovládání a napájení měřiče. Každý modul spolupracuje k zajištění stabilního a spolehlivého fungování měřiče. (Odkaz na obrázek 1 v původním dokumentu pro strukturní diagram.)
2. ​Podrobnosti klíčových hardwarových modulů​
   | Hardwarový modul | Základní komponenta / specifikace | Hlavní funkce |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Ovládací jednotka (MCU) | Mikrokontrolér AT89C2051 | Zpracování dat měření (výpočet, ukládání); reakce na příkazy koncentrátoru (odesílání dat o energetickém výkonu, provedení vypnutí/připojení elektřiny); ovládání zobrazovací jednotky. |
   | Převodní obvod energie | Vysokopřesný integrovaný čip AD7755 | Převod spotřeby energie uživatele (kW·h) na digitální impulzy zpracovatelné MCU; klíčová funkce elektronických měřičů. |
   | Modul komunikace s nosičem | - | Připojení k elektrické síti prostřednictvím kruhového obvodu spojení; modulace a demodulace digitálních a analogových signálů pro obousměrnou přenos dat. |
   | Zobrazovací jednotka | - | Zobrazení spotřeby energie, času, období využití (vrchol/rovina/údolí), sazeb atd., řízené softwarem. |
   | Relé | - | Přijímá příkazy MCU; zůstává uzavřeno během normálního provozu, provádí vypnutí při nedoplatku nebo vzdáleném příkazu pro správu elektřiny. |
   | Úložiště dat | Seriálový čip úložiště 24CoX | Ukládá klíčová data (např. spotřeba energie) během výpadku proudu; podporuje zachování dat při vypnutí, dlouhou dobu uchování a používá metodu čtení/zápisu I2C. |
   | Napájení měřiče | - | Poskytuje stabilní napájení všech hardwarových obvodů, včetně MCU, komunikačního modulu a zobrazovací jednotky. |
   | Detekce vypnutí a watchdog | - | Detekce vypnutí: Sleduje napětí a aktivuje ochranu dat při odchylnostech; Watchdog: Brání programovým zablokováním a umožňuje automatické restartování systému. |
3. ​Princip fungování měřiče​
   • ​Měření energie: Spotřeba energie uživatele je převedena na digitální impulzy pomocí čipu AD7755. MCU počítá specifický počet impulzů jako 1 kW·h na základě přednastavených parametrů a akumuluje a ukládá je podle období vrcholu, roviny a údolí.
   • ​Interakce dat: Koncentrátor dat vydává příkazy pro čtení měřiče nebo kontrolu. Měřič odesílá uložená data o energetickém výkonu přes modul nosiče po elektrické síti. Pokud je přijat příkaz k vypnutí, MCU okamžitě ovládne relé ke spuštění operace vypnutí.
   • ​Ochrana při výjimkách: Obvod detekce vypnutí upozorní MCU, aby rychle přeneslo klíčová data do čipu 24CoX při detekci problémů s napájením. Modul watchdog donutí systém k restartování v případě selhání programu, což zajistí spolehlivost.

​III. Softwarový návrh chytrého měřiče​

1. ​Přístup k programování a hlavní cíle​
   Používá se kombinace jazyka assembler a C, což umožňuje vyvážit efektivitu programu a flexibilitu vývoje. Hlavní cílem je automatizovat a inteligentizovat funkce měřiče, zároveň minimalizovat využití úložiště MCU.
2. ​Hlavní programové moduly​
   • ​Modul sběru a zpracování dat: Shromažďuje energetické impulzy, vypočítává celkovou spotřebu energie uživatele a kategorizuje statistiky podle období (vrchol/rovina/údolí).
   • ​Modul komunikační interakce: Umožňuje obousměrnou komunikaci s koncentrátem, včetně synchronizace hodin, odesílání aktuálních/měsíčních dat o energetickém výkonu a přijímání a provádění příkazů relé (např. ovládání vypnutí/připojení elektřiny).
   • ​Modul ochrany a zpracování výjimek: Integruje softwarový watchdog, spolehlivé určení zapnutí (prevention proti poškození dat), detekci vypnutí a zpracování dat, pracuje s hardwarem k zajištění stability systému.
   • ​Modul správy období a sazeb: Nastaví pravidla pro vícekriteriální sazby, určí aktuální období v reálném čase a poskytuje základ pro diferencované měření.
   • ​Modul ovládání zobrazení: Ovládá zobrazovací jednotku k zobrazení spotřeby energie, času, sazeb a dalších informací podle potřeby, zajistí intuitivní vizualizaci dat.
3. ​Hlavní tok programu​
   Po spuštění systému se provádí "spolehlivé určení zapnutí" → inicializace parametrů nebo čtení historických dat podle výsledku určení → nastavení časových intervalů a určení aktuálního období využití → kontrola, zda je to den čtení měřiče, a příprava dat → detekce vypnutí v reálném čase a aktivace ochrany → detekce příkazů nosiče a zpracování komunikace → resetování intervalů a opakování cyklu. (Odkaz na obrázek 2 v původním dokumentu pro detailní tok.)

​IV. Systém pro dálkové měření a perspektivy aplikace​

1. ​Složení a funkce systému​
   Kompletní systém pro dálkové měření se skládá ze tří částí:
   • ​Chytrý měřič: Zodpovědný za terminální měření a provádění příkazů.
   • ​Koncentrátor dat: Zodpovědný za agregaci dat a distribuci příkazů.
   • ​Backendový systém správy: Zodpovědný za statistiku, analýzu, výpočet ztrát na lince, upozornění na výjimky a generování zpráv.
   Klíčovou funkcí systému je dosáhnout plné automatizace od shromáždění energie → přenos dat → statistické dotazy → analýza ztrát na lince → upozornění na výjimky → generování zpráv, což úplně nahradí ruční čtení měřiče.
2. ​Výhody a perspektivy​
   Ve srovnání s bezdrátovými nebo speciálními linkami využívá tento systém existující elektrické články, což nabízí nízké investiční náklady, snadnou údržbu a významný potenciál pro široké využití. Klade pevný technologický základ pro budoucí inteligentní komunity k dosažení "vzdáleného přenosu tří měřičů" (elektřina, voda, plyn) a může být dále integrován s bankovními systémy pro automatické odčítání poplatků za elektřinu, což velmi zlepší pohodlí obyvatel.
3. ​Budoucí výzvy​
   • ​Technická úroveň: Neustálé zlepšování rychlosti sběru dat z měřiče (zajištění úspěšného přenosu dat) a optimalizace algoritmů relé k zlepšení stability komunikace v komplexních elektrických sítích.
   • ​Úroveň aplikace: Adaptace na trendy v oblasti reformy energetiky, podpora hlubší integrace systému s pokročilými funkcemi správy, jako je regulační zatížení a analýza úspory energie.