Solución de Contador Intelixente Baseada en Portadora de Liña de Baixa Tensión

1. Deseño de fondo e posición central​

1. ​Fondo técnico e de mercado​
   Co desenvolvemento rápido da tecnoloxía informática, a microelectrónica e a tecnoloxía de comunicacións, a tecnoloxía de portadora de liña eléctrica de baixa tensión (220V) xa está madura e estableceu unha posición dominante no campo dos sistemas de lectura automática de contadores. En contraste, as liñas eléctricas de alta tensión, debido a múltiples factores de interferencia e custos de implementación elevados, non lograron aplicacións a gran escala similares ás fibras ópticas ou ás comunicaciones por satélite.
2. ​Posicionamento do sistema​
   O contador intelixente deseñado nesta solución actúa como a unidade subxacente central dun sistema remoto multifuncional de lectura de contadores de portadora de liña eléctrica de baixa tensión. Funciona en coordinación con concentradores de datos e sistemas de xestión de backend, co obxectivo de substituír a lectura manual de contadores en diversos escenarios, como usuarios residenciais de baixa tensión, grandes consumidores (usuarios clave) e subestacións, alcanzando finalmente a automatización e intelixencia total na xestión da enerxía eléctrica.

​II. Deseño de hardware do contador intelixente​

1. ​Arquitectura de hardware global​
   O hardware do sistema está centrado nunha unidade de microprocesado (MCU), integrada con módulos de soporte como un watchdog, almacenamento de datos, detección de apagado, conversión de enerxía, comunicación de portadora, unidade de visualización, control de relés e alimentación do contador. Cada módulo colabora para asegurar o funcionamento estable e fiable do contador. (Ver a figura 1 no documento orixinal para o diagrama estrutural.)
2. ​Detalles dos módulos de hardware clave​
   | Módulo de hardware | Componente central / Especificación | Función principal |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Unidade de control (MCU) | Microcontrolador AT89C2051 | Procesa os datos de medida (cálculo, almacenamento); responde ós comandos do concentrador (envío de datos de enerxía, execución de encendido/apagado); controla a visualización. |
   | Circuito de conversión de enerxía | Chip integrado de alta precisión AD7755 | Converte a enerxía consumida polo usuario (kW·h) en pulsos dixitais procesables polo MCU; unha característica central dos contadores electrónicos. |
   | Módulo de comunicación de portadora | - | Conecta á liña eléctrica a través dun circuito de acoplamento; modula e demodula señales dixitais e analóxicas para a transmisión bidireccional de datos. |
   | Unidade de visualización | - | Visualiza o consumo de enerxía, a hora, os períodos de uso (pico/plano/vale), as tarifas, etc., impulsada por software. |
   | Relé | - | Recibe comandos do MCU; permanece pechado durante o funcionamento normal, executa o apagado en caso de non pago ou comandos remotos para a xestión da enerxía. |
   | Almacenamento de datos | Chip de almacenamento da serie 24CoX | Almacena datos críticos (por exemplo, o consumo de enerxía) durante cortes de corrente; soporta a preservación de datos en caso de corte, tempo de almacenamento longo e utiliza o método de lectura/escritura I2C. |
   | Alimentación do contador | - | Proporciona alimentación estable a todos os circuitos de hardware, incluíndo o MCU, o módulo de comunicación e a unidade de visualización. |
   | Detección de apagado e watchdog | - | Detección de apagado: Monitoriza a tensión e activa a protección de datos en caso de anormalidades; Watchdog: Prevén bloqueos de programa e permite o reinicio automático do sistema. |
3. ​Principio de funcionamento do contador​
   • ​Medición de enerxía: O consumo de enerxía do usuario é convertido en pulsos dixitais polo chip AD7755. O MCU conta un número específico de pulsos como 1 kW·h segundo parámetros predefinidos e os acumula e almacena segundo os períodos de pico, plano e vale.
   • ​Interacción de datos: O concentrador de datos emite comandos de lectura de contador ou de control. O contador envía os datos de enerxía almacenados a través do módulo de portadora pola liña eléctrica. Se recibe un comando de apagado, o MCU controla inmediatamente o relé para executar a operación de apagado.
   • ​Protección de excepción: O circuito de detección de apagado notifica ao MCU para transferir rapidamente os datos críticos ao chip 24CoX cando se detectan anomalias de corrente. O módulo watchdog forza un reinicio do sistema en caso de fallos de programa, asegurando a fiabilidade.

​III. Deseño de software do contador intelixente​

1. ​Enfoque de programación e obxectivos centrais​
   Úsase unha combinación de linguaxe de montaxe e linguaxe C para a programación, equilibrando a eficiencia do programa e a flexibilidade de desenvolvemento. Os obxectivos centrais son automatizar e intelixentizar as funcións do contador mentres se minimiza o uso de almacenamento do MCU.
2. ​Módulos principais do programa​
   • ​Módulo de adquisición e procesamento de datos: Recolecta pulsos de enerxía, calcula o consumo total de enerxía do usuario e clasifica as estatísticas por período (pico/plano/vale).
   • ​Módulo de interacción de comunicación: Permite a comunicación bidireccional co concentrador, incluíndo a sincronización de reloxos, o envío de datos de enerxía en tempo real/mensual e a recepción e execución de comandos de relé (por exemplo, control de encendido/apagado).
   • ​Módulo de protección e manejo de excepcións: Integra un watchdog de software, determinación fiable de encendido (para evitar a corrupción de datos), detección de apagado e procesamiento de datos, traballando co hardware para asegurar a estabilidade do sistema.
   • ​Módulo de xestión de períodos e tarifas: Establece regras de períodos para aplicativos de múltiples tarifas, determina o período actual en tempo real e proporciona unha base para a medida diferenciada.
   • ​Módulo de control de visualización: Impulsa a unidade de visualización para mostrar o consumo de enerxía, a hora, as tarifas e outras información según sexa necesario, asegurando a visualización intuitiva de datos.
3. ​Fluxo principal do programa de software​
   Despois do inicio do sistema, realiza unha "determinación de encendido fiable" → inicialízanse os parámetros ou léense os datos históricos segundo o resultado da determinación → establecéñose intervalos de tempo e determinase o período de uso actual → compróbase se é o día de lectura do contador e preparanse os datos → detectase o apagado en tempo real e activase a protección → detectanse comandos de portadora e execútase o procesamiento de comunicación → réstápanse os intervalos, e repítese o ciclo. (Ver a figura 2 no documento orixinal para o fluxo detallado.)

​IV. Sistema de lectura remota e perspectivas de aplicación​

1. ​Composición e funcións do sistema​
   O sistema completo de lectura remota consta de tres partes:
   • ​Contador intelixente: Responsable da medida terminal e da execución de comandos.
   • ​Concentrador de datos: Responsable da agregación de datos intermedia e da distribución de comandos.
   • ​Sistema de xestión de backend: Responsable da estadística de datos, análise, cálculo de perdas de liña, alertas de excepcións e xeración de informes.
   A función central do sistema é lograr a automatización completa desde a recolección de enerxía → transmisión de datos → consultas estatísticas → análise de perdas de liña → alertas de excepcións → xeración de informes, substituíndo completamente a lectura manual de contadores.
2. ​Vantaxes e perspectivas​
   En comparación cos sistemas sen fíos ou de liña dedicada, este sistema aproveita as liñas eléctricas existentes, ofrecendo custos de investimento baixos, facilidade de manutención e un potencial significativo para a adopción amplia. Establece unha sólida base técnica para que as comunidades intelixentes futuras logren a "transmisión remota dos tres contadores" (electricidade, auga, gas) e pode integrarse ademais coas sistemas bancarios para a dedución automática das tarifas de electricidade, mellorando enormemente a comodidade dos residentes.
3. ​Desafíos futuros​
   • ​Nivel técnico: Melora continua nas taxas de recuperación de datos do contador (asegurando a transmisión exitosa de datos) e optimización dos algoritmos de relé para aumentar a estabilidade da comunicación en entornos complexos de liñas eléctricas.
   • ​Nivel de aplicación: Adaptarse ás tendencias de reforma eléctrica, promovendo a integración máis profunda do sistema con funcións avanzadas de xestión, como a reguración de carga e o análise de aforro de enerxía.