پایه‌گذاری راه‌حل سنجش هوشمند بر اساس حمل کننده خط تغذیه پایین‌ولتاژ

1. زمینه طراحی و جایگاه اصلی​

1. ​زمینه فنی و بازاری​
   با پیشرفت سریع فناوری کامپیوتر، میکروالکترونیک و مخابرات، تکنولوژی حامل خطوط برق پایین ولتاژ (۲۲۰V) به مرحله ی رشد رسیده و در زمینه سیستم‌های خودکار خواندن شمارنده‌ها جایگاه غالبی به دست آورده است. در مقایسه، خطوط برق بالا ولتاژ به دلیل عوامل مختل کننده متعدد و هزینه‌های اجرایی بالا، کاربرد گسترده مشابه با فیبر نوری یا مخابرات ماهواره‌ای نیافته است.
2. ​جایگاه سیستم​
   شمارنده هوشمند طراحی شده در این راه حل به عنوان واحد اساسی زیربنایی یک سیستم خواندن دوردیسی چندکاره بر روی خطوط برق پایین ولتاژ عمل می‌کند. این سیستم با متمرکز کننده‌های داده و سیستم‌های مدیریت پشتیبان هماهنگ کار می‌کند و هدف آن جایگزینی خواندن دستی شمارنده‌ها در سناریوهای مختلفی مانند کاربران مسکونی پایین ولتاژ، مصرف‌کنندگان بزرگ (کاربران مهم) و زیراستانیون‌ها است و در نهایت به مدیریت کامل خودکار و هوشمندانه برق می‌انجامد.

​II. طراحی سخت‌افزاری شمارنده هوشمند​

1. ​ساختمان کلی سخت‌افزاری​
   سیستم سخت‌افزاری حول واحد پردازشی میکرو (MCU) متمرکز شده و با ماژول‌های پشتیبانی مانند ناظم، ذخیره‌سازی داده، تشخیص قطع برق، تبدیل انرژی، ارتباط حامل، واحد نمایش، کنترل رله و تغذیه شمارنده یکپارچه شده است. هر ماژول برای اطمینان از عملکرد پایدار و قابل اعتماد شمارنده همکاری می‌کند. (به نمودار ساختاری در متن اصلی مراجعه کنید.)
2. ​جزئیات کلیدی ماژول‌های سخت‌افزاری​
   | ماژول سخت‌افزاری | مولفه اصلی / مشخصات | عملکرد اصلی |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | واحد کنترل (MCU) | میکروکنترلر AT89C2051 | پردازش داده‌های اندازه‌گیری (محاسبه، ذخیره‌سازی)؛ پاسخ به دستورات متمرکز کننده (بارگذاری داده‌های انرژی، اجرای روشن/خاموش کردن برق)؛ کنترل نمایش. |
   | مدار تبدیل انرژی | تراشه یکپارچه AD7755 با دقت بالا | تبدیل انرژی مصرفی کاربر (kW·h) به پالس‌های دیجیتال قابل پردازش توسط MCU؛ یک ویژگی اصلی شمارنده‌های الکترونیکی. |
   | ماژول ارتباط حامل | - | اتصال به خط برق از طریق مدار جفت‌کننده؛ مدولاسیون و دمودولاسیون سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ برای انتقال دوطرفه داده. |
   | واحد نمایش | - | نمایش مصرف انرژی، زمان، دوره‌های استفاده (پیک/مسطح/دره)، نرخ‌های تعرفه و غیره، محرک شده توسط نرم‌افزار. |
   | رله | - | دریافت دستورات MCU؛ در حالت عادی بسته می‌ماند، در صورت عدم پرداخت حق برق یا دستورات دوردیسی برای مدیریت برق اجرای قطع برق. |
   | ذخیره‌سازی داده | تراشه ذخیره‌سازی سری 24CoX | ذخیره داده‌های مهم (مانند مصرف انرژی) در حالت قطع برق؛ پشتیبانی از حفظ داده‌ها در حالت قطع برق، زمان ذخیره‌سازی طولانی و استفاده از روش خواندن/نوشتن I2C. |
   | تغذیه شمارنده | - | ارائه تغذیه پایدار به تمام مدارهای سخت‌افزاری، از جمله MCU، ماژول ارتباط و واحد نمایش. |
   | تشخیص قطع برق و ناظم | - | تشخیص قطع برق: نظارت بر ولتاژ و فعال‌سازی حفاظت داده در وضعیت‌های ناهماهنگ؛ ناظم: جلوگیری از گیر کردن برنامه و امکان ریست کردن خودکار سیستم. |
3. ​اصل کار شمارنده​
   • ​اندازه‌گیری انرژی: مصرف انرژی کاربر توسط تراشه AD7755 به پالس‌های دیجیتال تبدیل می‌شود. MCU بر اساس پارامترهای پیش‌فرض تعداد خاصی از پالس‌ها را به 1 kW·h محاسبه کرده و آن‌ها را بر اساس دوره‌های پیک، مسطح و دره تجمعی و ذخیره می‌کند.
   • ​تعامل داده: متمرکز کننده داده دستورات خواندن یا کنترل را صادر می‌کند. شمارنده داده‌های ذخیره شده را از طریق ماژول حامل از طریق خط برق بارگذاری می‌کند. در صورت دریافت دستور قطع برق، MCU فوراً رله را کنترل می‌کند تا عملیات قطع برق را انجام دهد.
   • ​حفاظت از استثناء: مدار تشخیص قطع برق CPU را مطلع می‌کند تا در صورت تشخیص ناهماهنگی‌های برق، داده‌های مهم را به سریع‌ترین زمان ممکن به تراشه 24CoX منتقل کند. ماژول ناظم سیستم را در صورت بروز اختلال در برنامه مجبور به ریست کردن می‌کند و اطمینان از قابلیت اطمینان را فراهم می‌کند.

​III. طراحی نرم‌افزاری شمارنده هوشمند​

1. ​رویکرد برنامه‌نویسی و اهداف اصلی​
   برای برنامه‌نویسی از ترکیب زبان اسمبلی و C استفاده شده است که تعادل بین کارایی برنامه و انعطاف‌پذیری توسعه را فراهم می‌کند. اهداف اصلی اتوماتیک و هوشمندسازی عملکردهای شمارنده در حالی است که استفاده از حافظه MCU را به حداقل می‌رساند.
2. ​ماژول‌های اصلی برنامه​
   • ​ماژول جمع‌آوری و پردازش داده: جمع‌آوری پالس‌های انرژی، محاسبه مصرف کل انرژی کاربر و آمارگیری بر اساس دوره (پیک/مسطح/دره).
   • ​ماژول تعامل ارتباطی: امکان ارتباط دوطرفه با متمرکز کننده، شامل همگام‌سازی ساعت، بارگذاری داده‌های انرژی در زمان واقعی/ماهانه و دریافت و اجرای دستورات رله (مانند کنترل روشن/خاموش کردن برق).
   • ​ماژول محافظت و مدیریت استثناء: تلفیق ناظم نرم‌افزاری، تعیین قابل اعتماد روشن کردن برق (جلوگیری از خرابی داده‌ها)، تشخیص قطع برق و پردازش داده، همکاری با سخت‌افزار برای اطمینان از ثبات سیستم.
   • ​ماژول مدیریت دوره‌ها و تعرفه‌ها: تنظیم قوانین دوره‌ای برای کاربردهای چندتعرفه‌ای، تعیین دوره فعلی در زمان واقعی و ارائه پایه‌ای برای اندازه‌گیری متفاوت.
   • ​ماژول کنترل نمایش: محرک واحد نمایش برای نمایش مصرف انرژی، زمان، نرخ‌های تعرفه و سایر اطلاعات مورد نیاز، اطمینان از بصری‌سازی داده‌های شفاف.
3. ​جریان اصلی برنامه نرم‌افزاری​
   بعد از شروع سیستم، تعیین "قابل اعتماد روشن کردن برق" انجام می‌شود→پارامترها بر اساس نتیجه تعیین مقداردهی اولیه یا خواندن داده‌های تاریخی می‌شوند→تنظیم فواصل زمانی و تعیین دوره استفاده فعلی→بررسی اینکه آیا روز خواندن شمارنده است و آماده‌سازی داده→تشخیص قطع برق در زمان واقعی و فعال‌سازی محافظت→تشخیص دستورات حامل و اجرای پردازش ارتباطی→بازنشانی فواصل و تکرار چرخه. (به نمودار جریان در متن اصلی مراجعه کنید.)

​IV. سیستم خواندن دوردیسی و چشم‌انداز کاربردی​

1. ​مؤلفه‌ها و عملکردهای سیستم​
   سیستم خواندن دوردیسی کامل از سه بخش تشکیل شده است:
   • ​شمارنده هوشمند: مسئول اندازه‌گیری پایانه و اجرای دستورات.
   • ​متمرکز کننده داده: مسئول جمع‌آوری میانی داده و توزیع دستورات.
   • ​سیستم مدیریت پشتیبان: مسئول آمار، تحلیل، محاسبه تلفات خط، هشدار استثناء و تولید گزارش.
   عملکرد اصلی سیستم انجام کامل خودکار از جمع‌آوری انرژی→انتقال داده→پرس و جو آماری→تحلیل تلفات خط→هشدار استثناء→تولید گزارش، به طور کامل جایگزین خواندن دستی شمارنده‌ها می‌شود.
2. ​مزایا و چشم‌انداز​
   در مقایسه با راه‌حل‌های بی‌سیم یا خط تخصصی، این سیستم از خطوط برق موجود استفاده می‌کند و هزینه‌های سرمایه‌گذاری کم، نگهداری آسان و پتانسیل گسترده کاربرد را دارد. این سیستم پایه فنی محکمی برای جوامع هوشمند آینده برای "انتقال دوردیسی سه شمارنده" (برق، آب، گاز) فراهم می‌کند و می‌تواند با سیستم‌های بانکی برای کسر خودکار حق برق یکپارچه شود و به طور قابل توجهی راحتی مسکن را افزایش می‌دهد.
3. ​چالش‌های آینده​
   • ​سطح فنی: بهبود مداوم نرخ بازیابی داده‌های شمارنده (اطمینان از انتقال موفق داده) و بهینه‌سازی الگوریتم‌های رله برای افزایش ثبات ارتباط در محیط‌های پیچیده خط برق.
   • ​سطح کاربردی: سازگاری با روندهای اصلاح برق و ترویج یکپارچگی عمیق‌تر سیستم با عملکردهای مدیریت پیشرفته مانند تنظیم بار و تحلیل صرفه‌جویی در انرژی.