0引言

    近年来我国高校公寓管理不断商业化、市场化，但是调研发现目前大部分高校公寓电费收费采用宿舍内学生均分的现象，改变公寓的电费收费不合理的现状已经成为一种社会的发展趋势。另外，虽然部分高校公寓已经安装了计费系统，但这些系统存在着体积庞大、计费准确度不高、维护困难等弊端[1]，因此，也需要对目前的计费系统进行升级和改造。该方案以高校学生公寓为研究对象，从高校公寓房间的实际出发，研制了具有身分识别功能的电能监控系统，该系统能有效克服目前各种电量计量所存在的不足之处，采用在房间内计量，精度高、功能全，并能够实现按个人的使用量收费的需求，也便于组成监控系统，使电量计量向人性化、智能化的方向发展。

1系统总体设计

    系统的基本框架设计如图1所示。

    该系统分为四层结构，由监控机、CAN-USB转换卡、中继器、电能计量装置组成。电能计量装置是系统的核心，在每个学生宿舍中安装1台，负责用电量的计量，另外有过电流报警与断电、预付费不足报警、欠费断电等功能；该装置利用CAN总线信号将所用电量、过电流等信息传送至监控机[2]。

2硬件设计

    2.1电量计量装置设计

    2.1.1硬件总体设计

    电能计量装置主要由微控制器基本电路、智能开关电路、电力参数采集电路、CAN接口电路等组成。硬件结构框图如图2所示。
 

图2 具有身分识别功能的电量计量装置结构框图

    该装置对宿舍内的N个使用者进行独立的用电量计量。该宿舍内成员通过非接触式射频卡进行身份识别后，对应于该用户的插座就进行供电（通过控制继电器通断实现），然后就可以使用。通过电流和电压互感器分别进行电流和电压信号的变换，通过调理电路和A/D转换后，微处理器把转换的结果进行相应的处理计算出用电量。

    值得注意的是，由于存在多个用户共同照明的问题，提出了公共电作为第N+1个用户收费的解决方案，解决了学生公寓内的公共电的问题，与自己的利益挂钩，使得学生自觉的节约用电。另一方面，若长时间不用，通过检测该支路电流，进行自动断电。

    2.1.2 主控制器选择

    根据高校内的学生公寓的电量计量的实际情况，本装置要达到0.5级的整体水平，因此选用基于ARM7TDMI为内核STR730FZ2微控制器，该芯片具有极高的处理速度和丰富的资源。STR730FZ2基本系统的设计部分包括晶振电路、复位电路、JTAG接口电路和抗干扰电路等。

    2.1.3智能开关电路

    智能开关主要实现两个过程，分别是身份识别过程和识别后通断电控制过程。

    1）身份识别功能主要由非接触式射频卡来实现的。本系统采用MF RC500来实现读卡功能的，MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员，该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议MF RC500支持ISO14443A所有的层[3]。MF RC500方便的并行接口可直接连接到微处理器上，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。读卡器电路如图3所示（其中MF ANT接读卡器天线），图中的C64、C65、C66、C67的值的设定直接影响读卡距离，经计算匹配成功。

    2）身份经过确认后，由微处理器发出控制信号，来控制继电器的通断，进而控制对应于该用户的插座是否供电。通断电控制电路如图4所示。为了增强I/O口的抗干扰及驱动能力，电路中使用了光耦TLP521；二极管VD13进行继电器的保护及快速放电而设计的。光耦和继电器两级隔离的方法把强电与弱电进行了隔离，保证了系统安全可靠的运行。
 

图3读卡器电路



图4通断电控制电路

    2.1.4电力参数采样电路

    考虑到装置要达到0.5级的标准，因此采用高精度的电压互感器和电流互感器进行采样[4]。由于学生宿舍的用电电流不能超过5A，以及A/D转换的基准电压设计为2.5V，因此本装置采用电压输出型电压变换器TR1102-2（300V/1.76V）和电压输出型电流变换器TR0102-2（5A/1.76V）。TR1102-2（300/1.76V）与TR0102-2（5A/1.76V）具有良好的共模和差模干扰抑制能力，因此可以大大简化接口电路的设计，能够增强装置的整体性能。

    2.1.5 CAN接口电路

    STR730FZ2集成了CAN2.0的控制器，但是没有集成CAN总线驱动器，因此必须进行CAN总线驱动接口电路的设计。经过比较采用PCA82C250作为总线驱动器具有良好的性价比。

    2.1.6其他控制电路设计

    本装置还加入了时钟电路、液晶显示、声光报警电路、电源电路等。

    时钟电路主要是为了复费率功能而设计的，选用DS12C887作为实时时钟芯片。本系统采用图形点阵液晶12864-16作为显示单元，12864-16液晶显示模块具有低功耗、供应电压范围宽等特点。报警电路采用了声光报警的形式，当发生故障、过电流以及欠费时，装置将发出报警信号；本装置通过不同颜色LED灯的组合来通知当前报警的类型，以便用户进行相应的处理。

    整个装置中的芯片需要两个电源供电，以保证系统工作的稳定性。因此，装置采用12V交流或直流电压供电，经过整流、滤波、7805稳压后输出+5V的直流电压，以满足装置的需求。

    2.2 CAN到USB转换卡

    该转换卡采用C8051F045、SN65HVD230和CP2102组成。CP2102是 USB转UART的单芯片桥接器，利用它可以使设计简化很多，降低了编程难度。

    2.3 中继器

    中继器主要完成节点扩展与线路延长的功能，实现了在两个CAN网段之间数据转发，有效的增加了网络通信的长度。一个中继器下面挂载50~70个点，可以根据每个楼层房间数进行设置中继器个数，来完成电能数据的传输。

3软件设计

    软件设计主要进行了电量计量装置的设计。软件主要完成采集后的电力参数的处理、CAN数据的处理、射频数据的交换、故障报警等功能。整个软件系统的设计是基于中断的思想来设计的，这样有利于降低系统的功耗。系统的主程序主要完成自检和初始化的任务，之后进入低功耗模式，其余的功能由中断来触发完成相应的功能。

    3.1中断处理程序

    中断程序主要包括电量数据采集中断（定时中断）、CAN中断、射频中断等，其中电量数据采集中断具有最高的优先级, 射频中断属于外部中断。

    1） 电量数据采集中断主要采用定时中断完成电力参数的采集，根据采样定理以及电能计算公式的要求，设定每200μs中断一次，进行A/D转换及对结果的处理，由于采样及处理在具有最高优先级的定时中断中完成，其余中断不能干扰采样的进行，保证了采样的实时性及准确性[5]。

    在此还需要考虑采集的通道数，设定用户数为N=8，所以有8路电流和1路电压采样通道，另外把公共电流也作为第N+1个用户，所以实际上采样的通道数为10个。所以在中断程序中要进行10次A/D转换数据的读取。
电量数据采集的流程图如图5所示。
 

图5电量数据采集中断流程图

    2）CAN中断完成CAN数据的接收以及进行相应的处理。由于CAN中断是由于上位机的呼叫产生的，因此根据数据协议主要是完成上传用电数据和断电的功能[6] 。

    3）射频中断子程序中，当用户想开启自己的供电通道时进行刷卡，产生相应的中断，在中断中完成射频数据的交换及相应供电通道的开启[7]。射频电路中断流程图如图6所示。
 

图6射频中断流程图