Älykkäiden mittarien ratkaisu pohjautuen alijänniteverkon signaalinviejään

1. Suunnittelun tausta ja ydinpaikka​

1. ​Tekninen ja markkinatausta​
   Tietokonetekniikan, mikroelektroniikan ja tietoliikennetekniikan nopean kehityksen myötä alijännitteisten sähkölinjojen (220V) kantajateknologia on kypsyne ja saavuttanut vahvan aseman automaattisissa mittarilukujärjestelmissä. Vastaavasti korkeajännitteiset sähkölinjat, joissa on useita häiriötekijöitä ja korkeat toteutuskustannukset, eivät ole saavuttaneet laajamittaista käyttöä optisiin kaapeleihin tai satelliittiviestintään verrattuna.
2. ​Järjestelmän paikka​
   Tämän ratkaisun suunnitellussa älymittarissa on keskeinen alajuonteen yksikkö monitoimiseen alijännitteisen sähkölinjan kantajatekniikkaa hyödyntävään etämittarilukujärjestelmään. Se toimii yhteistyössä datakeräämislaitteiden ja taustajärjestelmien kanssa, pyrkien korvaamaan manuaalisen mittarilukemisen eri tilanteissa, kuten alijännitteisillä asuinalueilla, isojen kuluttajien (tärkeiden asiakkaiden) ja sähköasemien käsittelyssä, lopulta saavuttaen sähkön hallinnon täydellisen automatisoinnin ja älykkyyden.

​II. Älymittarin järjestelmäarkkitehtuuri​

1. ​Koko järjestelmän järjestelmäarkkitehtuuri​
   Järjestelmän ohjainyksikkö (MCU) on keskiössä, integroituna tukevin moduulein, kuten vahtikoira, tiedonsäilytys, sähkökatkotunnistus, energianmuunnos, kantajaviestintä, näyttöyksikkö, relen hallinta ja mittarin sähkölähdeteollisuus. Jokainen moduuli yhteistyössä varmistaa mittarin vakavan ja luotettavan toiminnan. (Katso alkuperäisessä asiakirjassa rakennekaavio 1.)
2. ​Avaintekniikoiden yksityiskohdat​
   | Ohjausyksikkö (MCU) | AT89C2051 mikrokontrolleri | Käsittelee mittausdataa (laskenta, tallennus); vastaa keräämislaitteen komentoihin (energian datan lähettäminen, sähkön kytkeminen päälle/pois); hallitsee näyttöä. |
   | Energianmuuntokappale | AD7755 korkeaprecisoitu integroitu piiri | Muuntaa käyttäjän kulutetun energian (kW·h) digitaaliseksi pulssiksi, jotka MCU voi käsitellä; sähkömittareiden ydinominaisuus. |
   | Kantajaviestintämooduli | - | Yhdistetään sähköverkkoon kytkentäpiirin kautta; muuntaa digitaalisia ja analogisia signaaleja kaksisuuntaiseen tiedonsiirtotoimintaan. |
   | Näyttöyksikkö | - | Näyttää energiankulutuksen, ajan, käyttöaikojen (huippu/taso/laakso), hinnoittelutiedot jne., ohjelmistolla ajetaan. |
   | Rele | - | Vastaanottaa MCU-komentoja; pysyy suljettuna normaalissa toiminnassa, suorittaa sähkökatkon, jos maksu ei ole maksettu tai etäkomennolle sähkön hallinta. |
   | Tiedonsäilytys | 24CoX-sarjan säilytyspiiri | Säilyttää tärkeitä tietoja (esim. energiankulutus) sähkökatkon aikana; tukee sähkökatkon säilytystä, pitkää säilytysaikaa ja käyttää I2C-luku/kirjoitusmenetelmää. |
   | Mittarin sähkölähdeteollisuus | - | Tarjoaa vakavan sähkövoiman kaikkiin ohjainyksiköihin, mukaan lukien kommunikaatiomoduuli ja näyttöyksikkö. |
   | Sähkökatkotunnistus & Vahtikoira | - | Sähkökatkotunnistus: Valvoo jännitettä ja käynnistää datan suojaamisen poikkeuksissa; Vahtikoira: Estää ohjelmiston kuoleman ja mahdollistaa järjestelmän automaattisen uudelleenkäynnistyksen. |
3. ​Mittarin toimintaperiaate​
   • ​Energianmittaus: Käyttäjän energiankulutus muunnetaan digitaaliseksi pulssiksi AD7755-piirin avulla. MCU laskee tietyt pulssit 1 kW·h:n määräksi esiasetetuilla parametreilla ja kertyy ja tallentuu huippu-, tasoa- ja laaksoaikojen mukaan.
   • ​Datatiedon vaihto: Datakeräämislaitteet lähettävät mittarilukemisen tai hallintakomennot. Mittari lähettää tallennetun energiadatan kantajamoduulin kautta sähköverkon yli. Jos sähkökatkokomennosta vastaanotetaan, MCU suoraan hallitsee releen suorittamaan sähkökatkon toiminnon.
   • ​Poikkeusten suojelu: Sähkökatkotunnistuspiiri ilmoittaa MCU:lle siirtymään tärkeät tiedot 24CoX-piiriin, kun sähköpoikkeuksia havaitaan. Vahtikoiramoduuli pakottaa järjestelmän uudelleenkäynnistyksen ohjelmiston virheen tapahtuessa, varmistaa luotettavuuden.

​III. Älymittarin ohjelmistosuunnittelu​

1. ​Ohjelmointimenetelmä ja ytimekkäät tavoitteet​
   Käytetään sekoitusta ensiasemaksi kielissä ja C-kielissä ohjelmoinnissa, tasapainottaen ohjelman tehokkuuden ja kehityksen joustavuuden. Ytimekkäät tavoitteet ovat automatisoida ja älykkäistää mittarin toimintoja minimoiden MCU:n tallennustilan käyttöä.
2. ​Pääohjelmamodulit​
   • ​Datakäsittelymoduuli: Kerää energiapulssit, laskee kokonaissähköntarve, ja jakaa tilastot aikojen (huippu/taso/laakso) mukaan.
   • ​Viestintäinteraktiomoduuli: Mahdollistaa kaksisuuntaisen viestinnän keräämislaitteiden kanssa, mukaan lukien kellon synkronointi, reaaliaikaisen/kuukausittaisen energiadatan lähettäminen, ja vastaanottaminen ja suorittaminen relen komentoja (esim. sähkön kytkeminen päälle/pois).
   • ​Suojelu ja poikkeustenkäsittelymoduuli: Integroi ohjelmallisen vahtikoiran, luotettavan sähkölähteen tunnistamisen (estää datan korruptoitumisen), sähkökatkotunnistuksen ja datan käsittelyn, työskentelemällä laitteistoineen varmistaa järjestelmän vakauden.
   • ​Aikajaksojen ja hinnoittelun hallintamoduuli: Asettaa aikajaksojen säännöt monihinnoitteisiin sovelluksiin, määrittelee nykyisen aikajaksossa reaaliaikaisesti, ja tarjoaa perustan erilaistettuun mittaukseen.
   • ​Näyttökorttimoduuli: Ohjaa näyttöyksikköä näyttämään energiankulutuksen, ajan, hinnoittelutiedot ja muut tiedot, varmistaa intuitiivisen datan visualisoinnin.
3. ​Ohjelmiston pääohjelma virta​
   Järjestelmän käynnistyksen jälkeen "luotettava sähkölähteen" tunnistus suoritetaan→parametrit alustetaan tai historialliset tiedot luetaan tunnistustuloksen mukaan→aikavälit asetetaan ja nykyinen käyttöjakso määritellään→tarkistetaan, onko se mittarilukupäivä, ja valmistellaan tiedot→sähkökatkot tunnistetaan reaaliaikaisesti ja suojelu käynnistetään→kantajakomennot tunnistetaan ja viestintäprosessointi suoritetaan→aikavälit nollautetaan, ja sykli toistetaan. (Katso alkuperäisessä asiakirjassa yksityiskohtainen virta 2.)

​IV. Etämittarilukujärjestelmä ja soveltamisnäkymät​

1. ​Järjestelmän koostuminen ja toiminnot​
   Koko etämittarilukujärjestelmä koostuu kolmesta osasta:
   • ​Älymittari: Vastuu päätepisteen mittauksista ja komentojen suorittamisesta.
   • ​Datakeräämislaitteet: Vastuu välittömien tietojen yhdistämisestä ja komentojen levittämisestä.
   • ​Taustajärjestelmä: Vastuu tietojen tilastointiin, analyysiin, linjahäviön laskentaan, poikkeusten hälytyksiin ja raporttien luomiseen.
   Järjestelmän ytimekkäät toiminnot ovat täydellinen automatisointi energian keräämisestä→datan siirtoon→tilastotiedon hakemiseen→linjahäviön analyysiin→poikkeusten hälytyksiin→raporttien luomiseen, täysin korvaamaan manuaalisen mittarilukemisen.
2. ​Eteneminen ja soveltamisnäkymät​
   Vertailun wireless- tai erityislinjasovelluksiin, tämä järjestelmä hyödyntää olemassa olevia sähkölinjoja, tarjoaa matalia investointikustannuksia, helppoa ylläpitoa, ja merkittäviä potentiaaleja laajalle leviämiseen. Se luo vankan teknisen perustan tuleville älyyhteisöille "kolmen mittarin etäsiirtoon" (sähkö, vesi, kaasu) ja voidaan edelleen integroida pankkijärjestelmien kanssa automaattiselle sähkömaksujen veloitukselle, parantaa huomattavasti asukasvalmiutta.
3. ​Tulevat haasteet​
   • ​Tekninen taso: Jatkuvaa parantamista mittarin datan hankkimisnopeuksissa (varmistaa onnistuneen datansiirron) ja relen algoritmien optimointia parantaakseen viestinnän vakautta monimutkaisissa sähkölinjaympäristöissä.
   • ​Sovellustaso: Soveltuminen sähköuudistuksen trendeihin, edistää järjestelmän syvempää yhdentymistä edistyneiden hallintotoimintojen, kuten kuormituksen säännöstelyn ja energiansäästöanalyysin, kanssa.