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 预付费电能表管理系统功能结构图

    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。