Pametna mjernica temeljena na niskonaponskom prenosu signala putem električne mreže

1. Dizajn i ključna pozicioniranja​

1. ​Tehnička i tržišna pozadina​
   S brzim razvojem računalne tehnologije, mikroelektronike i komunikacijske tehnologije, tehnologija prijenosa signala niskonaponskim električnim vodovima (220V) dozrijevala je i postavila dominantnu poziciju u području sustava automatskog čitanja brojila. U suprotnosti, visokonaponski električni vodovi, zbog više faktora interferencije i visokih troškova implementacije, nisu postigli masovnu primjenu sličnu vlaknenom ili satelitskom komunikacijskom sustavu.
2. ​Pozicioniranje sustava​
   Pametno brojilo dizajnirano u ovom rješenju služi kao ključna temeljna jedinica multifunkcijskog sustava udaljenog čitanja brojila putem niskonaponskih električnih vodova. Suradi s koncentratorima podataka i sustavima za upravljanje na strani poslužitelja, s ciljem zamjene ručnog čitanja brojila u različitim scenarijima poput niskonaponskih stanarničkih korisnika, velikih potrošača (ključnih korisnika) i transformatornih stanica, konačno ostvarujući potpunu automatizaciju i inteligentnost upravljanja strujom.

​II. Hardverski dizajn pametnog brojila​

1. ​Ukupna hardverska arhitektura​
   Hardverski sustav usmjeren je oko procesorskog modula (MCU), integriranog s podržavnim modulima poput čuvanja, pohrane podataka, otkrivanja isključivanja struje, pretvorbe energije, prijenosa signala, zaslona, upravljanja relejem i napajanja brojila. Svaki modul surađuje kako bi osigurao stabilan i pouzdan rad brojila. (Pogledajte sliku 1 u izvornom dokumentu za dijagram strukture.)
2. ​Detalji ključnih hardverskih modula​
   | Hardverski modul | Ključni dio / specifikacija | Glavna funkcija |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Kontrolni modul (MCU) | Mikrokontroler AT89C2051 | Obrada podataka mjerenja (računanje, pohrana); odgovaranje na naredbe koncentratora (slanje podataka o energiji, izvršavanje uključivanja/isključivanja struje); upravljanje zaslonom. |
   | Kola za pretvorbu energije | Visoko precizni integrirani čip AD7755 | Pretvara potrošenu energiju korisnika (kW·h) u digitalne impulse koje MCU može obraditi; ključna značajka elektroničkih brojila. |
   | Modul za prijenos signala | - | Povezuje se s električnim vodom putem spojnog kruga; modulira i demodulira digitalne i analogni signale za dvosmjernu prenos podataka. |
   | Zaslon | - | Prikazuje potrošnju energije, vrijeme, razdoblja korištenja (vrh/flat/dolina), tarife, itd., pokreće softver. |
   | Relé | - | Prima naredbe MCU-a; ostaje zatvoreno tijekom normalnog rada, izvršava isključivanje struje u slučaju neplaćenih troškova ili udaljenih naredbi za upravljanje strujom. |
   | Pohrana podataka | Serijski čip pohrane 24CoX | Pohranjuje važne podatke (npr. potrošnja energije) tijekom isključivanja struje; podržava očuvanje podataka tijekom isključivanja, dugotrajnu pohranu i koristi I2C metodu čitanja/pisanja. |
   | Napajanje brojila | - | Osigurava stabilno napajanje svih hardverskih krugova, uključujući MCU, modul za komunikaciju i zaslon. |
   | Otkrivanje isključivanja struje i čuvanje | - | Otkrivanje isključivanja struje: Nadgleda napon i aktivira zaštitu podataka tijekom nepravilnosti; Čuvanje: Sprječava stagnaciju programa i omogućuje automatsko resetiranje sustava. |
3. ​Princip rada brojila​
   • ​Mjeriteljstvo energije: Potrošnja energije korisnika pretvoren je u digitalne impulse pomoću čipa AD7755. MCU broji određeni broj impulsa kao 1 kW·h na temelju unaprijed postavljenih parametara i akumulira i pohranjuje ih prema razdobljima vrha, flat i doline.
   • ​Interakcija podataka: Koncentrator podataka šalje naredbe o čitanju brojila ili kontrolu. Brojilo šalje pohranjene podatke o energiji putem modula za prijenos signala preko električnog voda. Ako se primi naredba za isključivanje struje, MCU odmah upravlja reléom da izvrši operaciju isključivanja struje.
   • ​Zaštita od izuzetaka: Krug za otkrivanje isključivanja struje obavještava MCU da brzo prenese važne podatke na čip 24CoX kada se otkriju nepravilnosti sa strujom. Modul čuvanja prisilno resetira sustav u slučaju grešaka programa, osiguravajući pouzdanost.

​III. Softverski dizajn pametnog brojila​

1. ​Pristup programiranju i ključni ciljevi​
   Kombinacija jezičnih assemblera i C jezika koristi se za programiranje, balansirajući učinkovitost programa i fleksibilnost razvoja. Ključni ciljevi su automatizacija i inteligentizacija funkcija brojila uz minimalnu upotrebu pohrane MCU-a.
2. ​Glavni programski moduli​
   • ​Modul prikupljanja i obrade podataka: Prikuplja energetske impulse, računa ukupnu potrošnju energije korisnika i kategorizira statistiku po razdobljima (vrh/flat/dolina).
   • ​Modul interakcije komunikacije: Omogućuje dvosmjernu komunikaciju s koncentratorom, uključujući sinkronizaciju sata, slanje stvarnih/mjesečnih podataka o energiji i primanje i izvršavanje naredbi releja (npr. kontrola uključivanja/isključivanja struje).
   • ​Modul zaštite i obrade izuzetaka: Integrira softversko čuvanje, pouzdano utvrđivanje uključivanja struje (sprječavanje oštećenja podataka), otkrivanje isključivanja struje i obradu podataka, surađujući s hardverom kako bi se osigurala stabilnost sustava.
   • ​Modul upravljanja razdobljima i tarifama: Postavlja pravila razdoblja za višetarifne primjene, određuje trenutno razdoblje u stvarnom vremenu i pruža temelj za diferencirano mjeriteljstvo.
   • ​Modul upravljanja zaslonom: Pokreće zaslon za prikaz potrošnje energije, vremena, tarifa i drugih informacija prema potrebi, osiguravajući intuitivnu vizualizaciju podataka.
3. ​Tok glavnog softverskog programa​
   Nakon pokretanja sustava, izvršava se "pouzdano uključivanje" struje→parametri se inicijaliziraju ili se čitaju povijesni podaci na temelju rezultataópostavljaju se intervali i određuje se trenutno razdoblje korištenja→provjerava se je li dan čitanja brojila i pripremaju se podaci→u stvarnom vremenu otkrivaju se isključivanja struje i aktivira se zaštita→detektiraju se naredbe za prijenos signala i izvršava se obrada komunikacije→resetiraju se intervali, a ciklus se ponavlja. (Pogledajte sliku 2 u izvornom dokumentu za detaljni tok.)

​IV. Sustav udaljenog čitanja brojila i perspektive primjene​

1. ​Sastav i funkcije sustava​
   Cijeli sustav udaljenog čitanja brojila sastoji se od tri dijela:
   • ​Pametno brojilo: Odgovorno je za terminalno mjeriteljstvo i izvršavanje naredbi.
   • ​Koncentrator podataka: Odgovoran je za međuspremninsku agregaciju podataka i distribuciju naredbi.
   • ​Sustav za upravljanje na strani poslužitelja: Odgovoran je za statistiku podataka, analizu, izračun gubitaka na liniji, upozoravanje o izuzecima i generiranje izvješća.
   Ključna funkcija sustava je postići potpunu automatizaciju od prikupljanja energije→prenos podataka→statističke upite→analiza gubitaka na liniji→upozoravanje o izuzecima→generiranje izvješća, potpuno zamjenjujući ručno čitanje brojila.
2. ​Prednosti i perspektive​
   U usporedbi s bežičnim ili specifičnim linijama, ovaj sustav iskorištava postojeće električne vode, nudeći niske investicijske troškove, lako održavanje i značajni potencijal za široku primjenu. Stavlja čvrsti tehnički temelj za buduće pametne zajednice za "udaljeni prijenos tri brojila" (struja, voda, plin) i može se dalje integrirati s bancarskim sustavima za automatsko oduzimanje troškova struje, znatno povećavajući udobnost stanovanja.
3. ​Buduće izazove​
   • ​Tehnički nivo: Nastavak poboljšanja stopa preuzimanja podataka brojila (osiguravanje uspješnog prenosa podataka) i optimizacija algoritama releja kako bi se poboljšala stabilnost komunikacije u složenim okruženjima električnih voda.
   • ​Nivo primjene: Prilagodba trendovima reforme struje, promicanje dublje integracije sustava s naprednim upravljačkim funkcijama poput regulacije opterećenja i analize uštede energije.