Soluzione per Contatore Intelligente Basata su Portatore a Basso Voltaggio

1. Contesto di progettazione e posizionamento centrale​

1. ​Contesto tecnico e di mercato​
   Con lo sviluppo rapido della tecnologia informatica, microelettronica e delle comunicazioni, la tecnologia del trasporto a corrente portante su linee elettriche a bassa tensione (220V) è maturata e ha stabilito una posizione dominante nel campo dei sistemi di lettura automatica dei contatori. In contrasto, le linee elettriche ad alta tensione, a causa di vari fattori di interferenza e costi elevati di implementazione, non hanno raggiunto applicazioni su larga scala simili a quelle della fibra ottica o delle comunicazioni satellitari.
2. ​Posizionamento del sistema​
   Il contatore intelligente progettato in questa soluzione funge da unità sottostante centrale di un sistema multifunzionale di lettura remota dei contatori basato su linee elettriche a bassa tensione. Lavora in coordinazione con i concentratori dati e i sistemi di gestione back-end, mirando a sostituire la lettura manuale dei contatori in vari scenari come utenti residenziali a bassa tensione, grandi consumatori (utenti chiave) e stazioni di trasformazione, con l'obiettivo finale di realizzare una gestione completa dell'energia automatizzata e intelligente.

​II. Progettazione hardware del contatore intelligente​

1. ​Architettura hardware complessiva​
   Il sistema hardware si concentra intorno a un'unità di microelaborazione (MCU), integrata con moduli di supporto come il watchdog, lo storage dati, la rilevazione di interruzione di alimentazione, la conversione energetica, la comunicazione a corrente portante, l'unità di visualizzazione, il controllo del relè e l'alimentazione del contatore. Ogni modulo collabora per garantire il funzionamento stabile e affidabile del contatore. (Si veda la figura 1 nel documento originale per il diagramma strutturale.)
2. ​Dettagli dei moduli hardware chiave​
   | Modulo hardware | Componente centrale / Specifiche | Funzione principale |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Unità di controllo (MCU) | Microcontrollore AT89C2051 | Elabora i dati di misurazione (calcolo, archiviazione); risponde ai comandi del concentratore (upload dei dati di energia, esecuzione di accensione/spegnimento); controlla la visualizzazione. |
   | Circuito di conversione energetica | Chip integrato ad alta precisione AD7755 | Converte l'energia consumata dall'utente (kW·h) in impulsi digitali processabili dal MCU; una caratteristica centrale dei contatori elettronici. |
   | Modulo di comunicazione a corrente portante | - | Si connette alla linea elettrica tramite un circuito di accoppiamento; modula e demodula segnali digitali e analogici per la trasmissione bidirezionale dei dati. |
   | Unità di visualizzazione | - | Visualizza il consumo di energia, l'orario, i periodi di utilizzo (picco/piano/valle), le tariffe, ecc., guidato dal software. |
   | Relè | - | Riceve i comandi del MCU; rimane chiuso durante il normale funzionamento, esegue lo spegnimento in caso di mancato pagamento o comandi remoti per la gestione dell'energia. |
   | Archiviazione dati | Chip di archiviazione serie 24CoX | Memorizza dati critici (ad esempio, consumo di energia) durante gli interventi di manutenzione; supporta la conservazione durante l'interruzione di alimentazione, lunga durata di archiviazione e utilizza il metodo di lettura/scrittura I2C. |
   | Alimentazione del contatore | - | Fornisce alimentazione stabile a tutti i circuiti hardware, inclusi il MCU, il modulo di comunicazione e l'unità di visualizzazione. |
   | Rilevazione di interruzione di alimentazione e watchdog | - | Rilevazione di interruzione di alimentazione: Monitora la tensione e attiva la protezione dei dati in caso di anomalie; Watchdog: Previene i deadlock del programma e abilita il reset automatico del sistema. |
3. ​Principio di funzionamento del contatore​
   • ​Misurazione dell'energia: Il consumo di energia dell'utente viene convertito in impulsi digitali dal chip AD7755. Il MCU conta un numero specifico di impulsi come 1 kW·h in base ai parametri predefiniti e li accumula e memorizza in base ai periodi di picco, piano e valle.
   • ​Interazione dei dati: Il concentratore dati invia comandi di lettura o controllo. Il contatore invia i dati di energia memorizzati tramite il modulo a corrente portante sulla linea elettrica. Se viene ricevuto un comando di spegnimento, il MCU controlla immediatamente il relè per eseguire l'operazione di spegnimento.
   • ​Protezione in caso di eccezioni: Il circuito di rilevazione di interruzione di alimentazione notifica al MCU di trasferire rapidamente i dati critici al chip 24CoX quando vengono rilevate anomalie di alimentazione. Il modulo watchdog forza un reset del sistema in caso di malfunzionamenti del programma, garantendo la affidabilità.

​III. Progettazione software del contatore intelligente​

1. ​Approccio alla programmazione e obiettivi centrali​
   Viene utilizzato un mix di linguaggio assembly e C per la programmazione, bilanciando l'efficienza del programma e la flessibilità dello sviluppo. Gli obiettivi centrali sono l'automazione e l'intelligenza delle funzioni del contatore, minimizzando l'utilizzo della memoria del MCU.
2. ​Moduli principali del programma​
   • ​Modulo di acquisizione e elaborazione dei dati: Raccoglie gli impulsi di energia, calcola il consumo totale di energia dell'utente e classifica le statistiche per periodo (picco/piano/valle).
   • ​Modulo di interazione di comunicazione: Abilita la comunicazione bidirezionale con il concentratore, inclusa la sincronizzazione dell'orologio, l'upload dei dati di energia in tempo reale/mensili e la ricezione ed esecuzione dei comandi del relè (ad esempio, controllo di accensione/spegnimento).
   • ​Modulo di protezione e gestione delle eccezioni: Integra il watchdog software, determinazione affidabile dell'accensione (prevenzione della corruzione dei dati), rilevazione di interruzione di alimentazione e elaborazione dei dati, lavorando con l'hardware per garantire la stabilità del sistema.
   • ​Modulo di gestione dei periodi e delle tariffe: Imposta le regole dei periodi per applicazioni a più tariffe, determina il periodo corrente in tempo reale e fornisce una base per la misurazione differenziata.
   • ​Modulo di controllo della visualizzazione: Guida l'unità di visualizzazione per mostrare il consumo di energia, l'orario, le tariffe e altre informazioni necessarie, assicurando una visualizzazione intuitiva dei dati.
3. ​Flusso principale del programma software​
   Dopo l'avvio del sistema, viene eseguita una determinazione "di accensione affidabile" → i parametri vengono inizializzati o vengono letti i dati storici in base al risultato della determinazione → vengono impostati gli intervalli temporali e viene determinato il periodo di utilizzo corrente → viene verificato se è il giorno di lettura del contatore e vengono preparati i dati → viene rilevata in tempo reale l'interruzione di alimentazione e viene attivata la protezione → vengono rilevati i comandi a corrente portante e viene eseguita l'elaborazione delle comunicazioni → gli intervalli vengono resettati e il ciclo si ripete. (Si veda la figura 2 nel documento originale per il flusso dettagliato.)

​IV. Sistema di lettura remota e prospettive di applicazione​

1. ​Composizione del sistema e funzioni​
   Il sistema completo di lettura remota è composto da tre parti:
   • ​Contatore intelligente: Responsabile della misurazione terminale e dell'esecuzione dei comandi.
   • ​Concentratore dati: Responsabile dell'aggregazione intermedia dei dati e della distribuzione dei comandi.
   • ​Sistema di gestione back-end: Responsabile della statistica, analisi, calcolo delle perdite sulle linee, avvisi di eccezione e generazione di report.
   La funzione centrale del sistema è di realizzare l'automazione completa dalla raccolta dell'energia→trasmissione dei dati→query statistiche→analisi delle perdite sulle linee→avvisi di eccezione→generazione di report, sostituendo completamente la lettura manuale dei contatori.
2. ​Vantaggi e prospettive​
   In confronto alle soluzioni wireless o a linea dedicata, questo sistema sfrutta le linee elettriche esistenti, offrendo costi di investimento bassi, facilità di manutenzione e un potenziale significativo per una diffusione ampia. Pone una solida base tecnica per le future comunità intelligenti per la "trasmissione remota dei tre contatori" (elettricità, acqua, gas) e può ulteriormente integrarsi con i sistemi bancari per la deduzione automatica delle spese di elettricità, migliorando notevolmente la convenienza per i residenti.
3. ​Sfide future​
   • ​Livello tecnico: Miglioramento continuo dei tassi di recupero dei dati del contatore (garantendo la trasmissione dei dati) e ottimizzazione degli algoritmi del relè per migliorare la stabilità della comunicazione in ambienti di linee elettriche complesse.
   • ​Livello di applicazione: Adattarsi alle tendenze della riforma energetica, promuovere l'integrazione più profonda del sistema con funzioni avanzate di gestione come la regolazione del carico e l'analisi dell'energia risparmiata.