基于RFID的预付费电能表管理系统的设计

预付费电能表采用“客户先购电，后用电”的电力营销模式，凸现了电量的商品属性，能有效地解决目前供电部门普遍存在的“收费难”问题。电力部门对企业和居民生活用电的计量计费是电力市场管理的基本任务，而传统的先用电后付费方式导致电费拖欠是长期困扰电力部门的难题。预付费电表及其管理系统提供了解决这一问题的技术手段，能有效降低供电管理成本，提升管理水平，确保电能计量准确可靠。                                    

1预付费电能表管理系统的硬件设计   

1.1系统的构成   

　　基于RFID的预付费电能表管理系统属于由上位机(预付费电能表管理系统)和下位机(基于RFID的单相电能表)构成的主从式结构。管理系统采用微机对上传的数据进行显示、分析和管理，电能表采用单片机系统对现场数据进行采集、计量和对用户负载进行监控，用射频卡作为二者之间进行信息交换的载体。基于RFID的预付费售电系统主要由三个部分构成：基于RFID的单相电能表、智能读卡器、预付费电能表管理系统。系统构成如图1所示。   

1.2系统的工作原理   

　　本系统介绍的电子式预付费电能表是通过电能测量集成电路对电压电流的取样信号进行处理，并输出与有功功率成正比的频率信号；微处理器通过对脉冲计数来计算所消耗的电量。首先在销售管理系统中建立用户基本档案信息，发行管理卡并充值，用户将已充值的管理卡放在RFID预付费电能表感应区内，电能表读取卡中数据，解密并判断数据的有效性。MCU通过射频芯片读取卡的金额，将其存储E2PROM，同时此卡清零。电能表将通过LCD显示来提醒用户充值成功。若数据有效则开启电能表继电器，允许用户用电。同时，电能表将会自动把表记的当前工作状态、运行状态等数据写入到用户卡中。当用户持卡再次充值时，管理部门能够记录用户表的运行信息，以便监测用户的使用情况。当用户剩余电量用尽时，RFID预付费电能表将自动跳开继电器，切断电源，直到用户持卡充值并重新刷卡后才能继续恢复使用。   

　　射频卡式预付费电能表管理系统通过信息载体－射频卡，实现信息的双向传递，电能表用户与预付费管理系统之间通过射频卡建立联系，实现电能使用的预付费管理。预付费电能表通过继电器的开关动作，以达到管理用户预付费用电的目的。

   

图1 基于RFID的预付费电能表管理系统构成图    

2 预付费电能表管理系统软件设计   

2.1 软件系统结构设计   

基于RFID的预付费电能表管理系统，采用了Microsoft Visual Studio.NET开发平台和 SQL Server数据库以及串口通信技术，能够对区域内所有用户的用电情况进行现代化管理，方便了用户购电。该预付费系统兼有预付费售电以及电能表运行监测功能包括系统维护、员工信息管理、用电分析、售电业务管理、报表打印、用户信息管理六项功能。如图2所示。   

 

图2 系统功能结构图   

2.1.1员工信息管理   

　　员工信息管理是指在系统初始化过程中，每一个系统操作员必须填入一些基本信息，如：姓名、性别、出生年月、联系电话、操作权限等。员工信息管理可以帮助用电管理部门对系统操作员进行更高效的管理，员工信息管理将记录所有登陆或使用本系统的时间与权限，便于用点管理部门及时掌握所辖小区内员工的工作情况，这样的设计将能够有效的保证所有的售电记录有据可查。   

2.1.2用户信息管理   

　　在本系统中，每块电能表对应唯一的射频卡。当安装一块电能表时，先定义客户相关信息，客户信息包括客户姓名、地址、联系电话以及用电类型等，然后在客户信息的基础上定义电能表信息资料，包括电能表型号、类型资产号以及电能表相关参数等；最后确定由哪个区域所管理。首先由售电点的工作人员对客户信息进行核对，将以上信息填入数据库，并给每个用户分配唯一用户号，并且将电能表号写入射频卡。系统信息管理的主要目的是通过对客户和电能表信息定义，确定电能表、客户间的关系，用电监察人员方便快捷确定监测目标。   

2.1.3 用电分析   

　　用电分析功能主要包括以下两个方面，售电历史记录分析以及电能表安全记录分析。用电管理部门通过对所辖用户售电历史记录的分析，可以了解用户的用电习惯、充值周期，从而对用户进行分组管理。基于RFID的预付费电能表具有强大的存储功能，除记录电量外还可以用来记录电能表的工作状况，且这些记录采用E2ROM 存储器存储，掉电后数据也不会丢失。这些记录被称为安全记录。电能表的安全记录由事件记录和负荷曲线构成，其中事件记录包括系统事件、故障事件等，负荷曲线包括有功、无功电量、电流、电压等。电能表监测是在电能表数据获取之后，对数据进行当前快速的分析。它可以监测到设定的电能表在某一时间中所发生的事件。所谓事件记录，就是多功能电能表某些参数出现异常时，记录下发生异常状况的时间以及当时电能表的状态，以备分析异常原因和追补电量并且能够判断有没有窃电行为的发生。   

2.1.4系统维护   

　　系统维护包括以下五项具体功能：数据库恢复、数据库备份、售电记录维护、用户信息维护以及系统密钥更新。售电点可以将营业记录、用户个人信息记录、电表监测记录分开保存，以实现系统管理的规范化。为了进一步提高系统的安全性，在系统设计与开发过程中加入了密钥更新功能，对用户的充值密钥进行定期升级与维护。   

2.1.5售电业务管理   

　　售电业务管理主要包括两个方面，购电统计查询以及购电交易。购电统计查询是根据   

　　射频卡上用户号对电能表信息、用户信息、用电监察情况以及用电分析结果进行查询。如查询所有异常情况、按电能表进行查询或按时间进行查询以及按异常情况查询等。这样，使用户能方便快捷得到相应的信息数据。   

2.1.6报表输出   

　　电能表监测系统能够按照用户的要求定制相应的报表。用户根据需要将相关的信息数据进行报表输出，按文件的形式进行存档。 

2.2  管理系统操作界面 

　　本系统的操作界面分成三种：登陆管理界面、系统初始化主界面和售电操作主界面。在系统的运行时，首先进入登陆管理界面，根据员工所属的权限级别决定下一步完成的操作。如果员工权限为超级管理员则可进入系统初始化界面，对整个系统进行初始化设置；如果员工的权限为管理员或操作员，则直接进入售电操作主界面，完成系统的售电操作。 

2.2.1 登陆管理界面 

　　登录框是对系统的安全级别的一个控制，判断限制了用户对系统的使用权限。根据系统的权限定义，对使用系统的人员分三级权限管理，超级管理员、管理员、操作员。 

2.2.2 系统初始化主界面 

　　初次使用本系统时，可以由超级管理员通过本界面对系统进行初始化设置。初始化设置主要分为三个方面：员工权限划分、用户类型划分、密钥管理。员工权限划分是以营业网点分类管理员工，对员工个人信息、操作权限等设置进行修改操作。用户类型划分是将用户按照所属的营业点进行分区编号，同时根据用户选择系统费率模式不同，从而定义费率单价。此外，为了防值囤电行为的发生，系统还设计了灵活可变的充值有效期设置，在保证用户利益的同时有效的维护了用电管理部门的经济利益。密钥管理是对系统初始密钥进行设置，方便的控制管理系统密钥的更新查询。 

2.2.3售电操作主界面 
　
　　如果员工以管理员或操作员的身份进入系统，则会自动转入以下界面，根据用户的不同需求，系统可以完成开户注册、售电充值、用户注销、购电记录查询、电表信息查询、补办新卡等操作。 

2.3 管理系统串口通信软件设计 

　　基于RFID的预付费电能表管理系统兼有预付费售电和电能表管理两种功能，因此系统的通信模块也分成了两大部分，一部分是遵循DLMS/COSEM通信规约的电能表监测通信模块，主要指管理系统通过红外光电接口与电能表进行信息交互，另一部分是遵循STS预付费售电管理协议的通信模块，主要用于售电系统上位机与射频卡之间的通信。 

2.3.1电能表监测通信软件设计 

　　RF射频卡式预付费电能表在安装时，厂家使用智能终端编号器编辑每台计量表号。表号（即表地址识别号）是每块表唯一的识别号，只能由用电管理部门用专用设备进行修改。为了保证表号的唯一性，表号由11个十进制字组成范00000000000~99999999999。数据通信采用的方式为应答方式，即由管理系统上位机对某个计量表终端发送一个指令，该终端就返回一组数据，通信协议是基于DLMS/COSEM的。通信的流程如图3所示。 

图3 电能表监测通信程序流程图          



 图4 预付费售电通信流程图 

2.3.2 预付费售电通信软件设计 

　　预付费售电通信模块主要包括三个部分，包括计算机、射频卡读卡器和射频卡。依据射频卡的工作原理，射频卡内数据的写入或读出都是有读卡器向其发送电磁波，产生电磁能量而完成的。计算机与射频卡之间的数据交换是以射频卡读卡器为中间媒介的，读卡器将射频卡内的数据信息读出，然后通过RS-232接口送入计算机，同时上位机通过读卡器将数据信息写入射频卡。如图4所示，首先打开计算机串口并配制通信参数，然后根据预先制定的通信规则向读卡器发送握手命令，并执行读卡操作，将射频卡内数据存在缓冲区内，接着判断数据标志位是否正确，以证明卡内数据来源于电能表，如果标志位正确则进行下一步操作。提取读回的用户号并以此判断该用户所属类型，从系统密钥数据库中提取密钥对数据进行解密、分析、归档。通过从射频卡读回的信息进一步判断电能表工作是否正常，若电能表工作异常则发出系统提示。若没有出现异常情况则可以由系统操作员完成各项售电操作。 

4总结 

　　本文作者创新点是设计了一种符合STS国际标准的预付费电能表管理系统，并将DLMS通信协议应用于电能表检测模块，本项设计未见国内未见同类报道；其次基于RFID的电能表预付费管理系统是建立在.NET平台上的集面向对象的程序设计技术、电能计量技术、软件可靠性设计技术等高新技术为一体的新型电能表管理系统，具有功能全面、硬件结构简单、用户修改和扩充软件方便、操作界面友好、可视性与可读性强等优点。基于RFID的电能表预付费管理系统还简化了传统IC卡式电能表的售电操作，大大提高了系统工作效率。该项目实施一年以来，创造经济效益200多万元。 

参考文献 

[1] 刘媛.基于RFID和WSNS的仓储监管系统的设计. 微计算机信息,2006,10-2:283-285。 

[2] 游战清，刘克胜.无线射频识别技术（RFID）规划与实施[M].电子工业出版社，2005.9 

[3] 游战清，刘克胜.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].电子工业出版社，2004.10 

[4] 张建华.基于RFID 的现代食品物流系统模型研究[J].商场现代化,2005，9-1:10-12.