راه‌حل سنج قطعه هوشمند بر اساس حمل کننده خط برق پایین ولتاژ

1. زمینه طراحی و جایگاه اصلی

1. زمینه فنی و بازار
   با پیشرفت سریع تکنولوژی کامپیوتر، میکروالکترونیک و ارتباطات، تکنولوژی حامل خطوط برق نیمه‌پرتو (220V) به вызفیگی رسیده و در زمینه سیستم‌های خودکار خواندن شمارنده‌ها جایگاه غالبی به دست آورده است. در مقایسه، خطوط برق بالا-ولتاژ به دلیل عوامل مختل‌کننده متعدد و هزینه‌های پیاده‌سازی بالا، کاربرد گسترده مشابه با الیاف نوری یا ارتباطات ماهواره‌ای را به دست نیاورده‌اند.
2. جایگاه سیستم
   شمارنده هوشمند طراحی شده در این راه‌حل به عنوان واحد اساسی زیربنایی یک سیستم خواندن دوردست شمارنده‌های چندکاره حامل خطوط برق نیمه‌پرتو عمل می‌کند. این سیستم با جمع‌آوری‌کنندگان داده و سیستم‌های مدیریت پشتیبان هماهنگ کار می‌کند و هدف آن جایگزینی خواندن دستی شمارنده‌ها در سناریوهای مختلف مانند کاربران مسکونی نیمه‌پرتو، مصرف‌کنندگان بزرگ (کاربران مهم) و زیرстанسیون‌ها است تا در نهایت مدیریت برق به صورت کاملاً خودکار و هوشمند باشد.

II. طراحی سخت‌افزار شمارنده هوشمند

1. معماری کلی سخت‌افزار
   سیستم سخت‌افزاری حول واحد پردازش میکرو (MCU) مرکز یافته 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 مستند اصلی مراجعه کنید.)
2. جزئیات کلیدی ماژول‌های سخت‌افزاری
   | ماژول سخت‌افزاری | مؤلفه اصلی / مشخصات | عملکرد اصلی |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | واحد کنترل (MCU) | میکروکنترلر AT89C2051 | پردازش داده‌های اندازه‌گیری (محاسبه، ذخیره‌سازی)؛ پاسخ به دستورات جمع‌آوری‌کننده (بارگذاری داده‌های انرژی، اجرای روشن/خاموش)؛ کنترل نمایش. |
   | مدار تبدیل انرژی | مدار مجتمع پردازش دقیق AD7755 | 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 کوپلینگ؛ مدولاسیون و دمودولاسیون سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ برای انتقال دوطرفه داده. |
   | واحد نمایش | - | نمایش مصرف انرژی، زمان، دوره‌های مصرف (پیک/مسطح/دره)، نرخ‌های قیمت‌گذاری و غیره تحت کنترل نرم‌افزار. |
   | رله | - | دریافت دستورات از MCU؛ در حالت عادی بسته می‌ماند، در صورت عدم پرداخت حق برق یا دستورات دوردست اجرای قطع برق را انجام می‌دهد. |
   | ذخیره‌سازی داده | مدار ذخیره‌سازی سری 24CoX | ذخیره داده‌های مهم (مانند مصرف انرژی) در حالت قطع برق؛ پشتیبانی از حفظ داده 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 ارتباطات و واحد نمایش. |
   | تشخیص قطع برق و ناظم | - | تشخیص قطع برق: نظارت بر ولتاژ و تحریک حفاظت داده در شرایط ناهماهنگی؛ ناظم: جلوگیری از گیر کردن برنامه و امکان ریست کردن خودکار سیستم. |
3. اصول کار شمارنده
   • اندازه‌گیری انرژی: مصرف انرژی کاربر توسط مدار AD7755 به پالس‌های دیجیتال تبدیل می‌شود. MCU بر اساس پارامترهای پیش‌فرض تعداد خاصی از پالس‌ها را به عنوان 1 kW·h شمارش می‌کند و آن‌ها را بر اساس دوره‌های پیک، مسطح و دره تجمع و ذخیره می‌کند.
   • تعامل داده: جمع‌آوری‌کننده داده دستورات خواندن یا کنترل را صادر می‌کند. شمارنده داده‌های ذخیره شده را از طریq 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 ناهماهنگی: مدار تشخیص قطع برق CPU را اطلاع می‌دهد تا داده‌های مهم را به سریع‌ترین زمان ممکن به مدار 24CoX منتقل کند. ماژول ناظم سیستم را در صورت اختلال در برنامه مجبور به ریست کردن می‌کند تا قابلیت اطمینان را تضمین کند.

III. طراحی نرم‌افزار 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 این است که عملکردهای شمارنده را خودکار و هوشمند کند در حالی که استفاده از حافظه MCU را به حداقل برساند.
2. ماژول‌های اصلی برنامه
   • ماژول جمع‌آوری و پردازش داده: جمع‌آوری پالس‌های انرژی، محاسبه مجموع مصرف انرژی کاربر و آمارگیری بر اساس دوره (پیک/مسطح/دره).
   • ماژول تعامل ارتباطات: امکان ارتباط دوطرفه با جمع‌آوری‌کننده داده، شامل همزمان‌سازی ساعت، بارگذاری داده‌های انرژی به صورت زنده/ماهانه و دریافت و اجرای دستورات رله (مانند کنترل روشن/خاموش).
   • ماژول محافظت و مدیریت استثنا: یکپارچه‌سازی ناظم نرم‌افزاری، تعیین قابل اعتماد روشن شدن (جلوگیری از خرابی داده‌ها)، تشخیص قطع برق و پردازش داده، همکاری با سخت‌افزار برای اطمینان از پایداری سیستم.
   • ماژول مدیریت دوره زمانی و نرخ‌های قیمت‌گذاری: تنظیم قوانین دوره برای کاربردهای چند نرخی، تعیین دوره فعلی به صورت زنده و ارائه پایه‌ای برای اندازه‌گیری متمایز.
   • ماژول کنترل نمایش: محرک واحد نمایش برای نمایش مصرف انرژی، زمان، نرخ‌های قیمت‌گذاری و سایر اطلاعات مورد نیاز، تضمین بصری‌سازی داده‌ها به صورت واضح.
3. جریان اصلی برنامه نرم‌افزاری
   بعد از شروع سیستم، یک "تعیین قابل اعتماد روشن شدن" انجام می‌شود→پارامترها بر اساس نتیجه تعیین مقداردهی اولیه می‌شوند یا داده‌های تاریخی خوانده می‌شوند→فاصله زمانی تنظیم می‌شود و دوره فعلی مصرف تعیین می‌شود→بررسی اینکه آیا روز خواندن شمارنده است و آماده‌سازی داده‌ها→تشخیص قطع برق به صورت زنده و تحریک محافظت→تشخیص دستورات حامل و اجرای پردازش ارتباطات→بازنشانی فواصل و تکرار چرخه. (به نمودار جریان در مستند اصلی مراجعه کنید.)

IV. سیستم خواندن دوردست و چشم‌اندازهای کاربردی

1. اجزاء و عملکردهای سیستم
   سیستم خواندن دوردست کامل از سه بخش تشکیل شده است:
   • شمارنده هوشمند: مسئول اندازه‌گیری پایانه‌ای و اجرای دستورات.
   • جمع‌آوری‌کننده داده: مسئول جمع‌آوری داده‌های میانی و توزیع دستورات.
   • سیستم مدیریت پشتیبان: مسئول آمار، تحلیل، محاسبه اتلاف خط، هشدار استثناء و تولید گزارش.
   عملکرد اصلی سیستم این است که از جمع‌آوری انرژی→انتقال داده→پرس و جو آماری→تحلیل اتلاف خط→هشدار استثناء→تولید گزارش، به صورت کاملاً خودکار را فراهم کند و جایگزین خواندن دستی شمارنده‌ها شود.
2. مزایا و چشم‌اندازهای آینده
   در مقایسه با راه‌حل‌های بی‌سیم یا خط تخصصی، این سیستم از خطوط برق موجود استفاده می‌کند و هزینه سرمایه‌گذاری کم، نگهداری آسان و پتانسیل گسترده برای پذیرش را دارد. این سیستم پایه فنی محکمی برای دستیابی به "انتقال دوردست سه شمارنده" (برق، آب، گاز) در جوامع هوشمند آینده فراهم می‌کند و می‌تواند با سیستم‌های بانکی یکپارچه شده و پرداخت خودکار حق برق را امکان‌پذیر کند که به طور قابل توجهی راحتی مسکن را افزایش می‌دهد.
3. چالش‌های آینده
   • سطح فنی: بهبود مداوم نرخ بازیابی داده‌های شمارنده (اطمینان از انتقال موفق داده‌ها) و بهینه‌سازی الگوریتم‌های رله برای افزایش پایداری ارتباطات در محیط‌های پیچیده خط برق.
   • سطح کاربردی: تطبیق با روندهای اصلاح برق، ترویج یکپارچه‌سازی عمیق‌تر سیستم با عملکردهای مدیریت پیشرفته مانند تنظیم بار و تحلیل صرفه‌جویی در انرژی.