【正文】 外文原文及翻譯 ........................................................ 47 致謝 .................................................................... 60 附錄 1 ................................................................... 63 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 課題背景及意義 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，各行業(yè)對(duì)電力能源的需求不斷增加的同時(shí)對(duì)電力計(jì)量的精度和電能的收費(fèi)方式也提出了更高的要求。由于我國(guó)電力系統(tǒng)普遍存在著技術(shù)落后、設(shè)備陳 舊等問題，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的管理水平和配電自動(dòng)化程度較低，大部分地區(qū)長(zhǎng)期以來一直采用人工抄表的收費(fèi)方式，導(dǎo)致大量的電費(fèi)不能及時(shí)回收。因此普遍存在“收費(fèi)難”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的存在不僅影響和制約著電力企業(yè)的發(fā)展，同時(shí)抑制著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，能量計(jì)的發(fā)展從機(jī)電式費(fèi)拉里計(jì)數(shù)器發(fā)展為全面的電子式計(jì)數(shù)，電子表的發(fā)明不僅提高了計(jì)量的精度且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)抄表并能測(cè)量以前無法測(cè)量的功率因數(shù)等參數(shù)。此外，它的通信潛力幾乎無限，使得公共設(shè)施服務(wù)供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)了多費(fèi)率賬單編制、智能卡預(yù)支付、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理等操作。近年來預(yù) 付費(fèi)電能表的面世已基本解決了普通感應(yīng)式電能表帶來的“抄表困難、需定期校準(zhǔn)、收費(fèi)難”的現(xiàn)象，它的出現(xiàn)使得我國(guó)長(zhǎng)久以來采取“先用電、后核算”的收費(fèi)方式，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻簟跋荣?gòu)電，后用電”的電力營(yíng)銷模式，凸顯了電量的商品屬性。目前對(duì)于預(yù)付費(fèi)電子式電能表的方案有很多種實(shí)現(xiàn)方式，基于接觸 IC 卡模式和 Keypad 模式的電能表比較多，但隨之而來采用高科技手段破解 IC 卡密碼的竊電現(xiàn)象也不斷增多，由于安全性差、壽命短、使用不方便等原因?qū)е逻@兩種電表的推廣較為困難。隨著容量大，保密性好，可反復(fù)使用，攜帶方便等特 點(diǎn) 的 RFID 技 術(shù) 在 我 國(guó) 廣 泛 使 用 ， 基 于 射 頻 識(shí) 別 (Radio Frequency Identification， RFID)技術(shù)的預(yù)付費(fèi)電能表應(yīng)運(yùn)而生，它能在很大程度上解決其他電能表存在的諸多問題，原因在于它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作方便快捷，價(jià)格低廉，能有效降低供電管理成本，提升管理水平，確保電能計(jì)量準(zhǔn)確，信息安全可靠。因此研制一種非接觸式且具有自動(dòng)識(shí)別功能的電能表具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。 如今 ,接觸式 IC 卡在人們的 日常生活中得到了普遍的應(yīng)用在接觸式 IC 卡的普及過程中 ,逐漸發(fā)現(xiàn)了許多的弊端 :卡在讀寫模塊上經(jīng)常拔插造成的磨損導(dǎo)致接觸不良 ,從而引起數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤 ,并且卡與讀寫模塊之間的磨損也大大縮短了卡和讀寫模塊的使用壽命 。另外 ,接觸式 IC 卡的通訊速率較低 ,再加上插拔卡的動(dòng)作延誤 ,造成每一筆交易需要較長(zhǎng)時(shí)間的等待。為了解決這些問題推出了非接觸式 IC 卡。非接觸式 IC卡又稱射頻卡 ,由 IC 芯片、感應(yīng)天線組成 ,封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PVC 卡片內(nèi) ,芯片及天線無任何外露部分。是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù) ,它成功的將射頻識(shí)別技術(shù)和 IC卡 技術(shù)結(jié)合起來 ,結(jié)束了無源 (卡中無電源 )和免接觸這一難題 ,是電子器件領(lǐng)域的一大突破?？ㄆ谝惶m州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 定距離范圍 (通常為 5 一 10~)靠近讀寫模塊表面 ,通過無線電波的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。 射頻識(shí)別（ Radio Frequency Identification，簡(jiǎn)寫 RFID）是一種新型的非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可工作在各種惡劣環(huán)境中。它可以通過接受射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并且獲取得相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作不需要人工干預(yù)。 RFID 技術(shù)使用安全、可靠、方便、快鍵。科學(xué)家弗格森通過實(shí)驗(yàn)證實(shí) RFID 是一種突破性的技術(shù)：第一 ， RFID 可以識(shí)別具體的物體，而不是像條形碼那樣只能識(shí)別一類物體；第二，其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)，而條形碼必須靠激光來讀取信息；第三，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)讀，而條形碼只能一個(gè)一個(gè)地讀。此外，儲(chǔ)存的信息量也非常大。該技術(shù)目前在物流、門禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、自動(dòng)收費(fèi)等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前，接觸式 IC 卡在預(yù)付費(fèi)應(yīng)用較多，但缺點(diǎn)是顯而易見的。隨著 RFID 技術(shù)的成熟、發(fā)展，非接觸式的 IC 卡的應(yīng)用將會(huì)成為可能，它有很多優(yōu)點(diǎn)。在 RFID 領(lǐng)域以 頻段的發(fā)展最為成熟 ，我國(guó)的奧運(yùn)會(huì)門票和第二代居民身份證就采用的是這種技術(shù)。本課題將此技術(shù)應(yīng)用到電能表領(lǐng)域，能解決接觸式 IC 卡電能表的諸多問題?？梢哉f RFID 技術(shù)是預(yù)付費(fèi)電能表發(fā)現(xiàn)的一項(xiàng)重大的突破，而且將會(huì)有更大的作為。 課題任務(wù)及目標(biāo) 本設(shè)計(jì)主要利用非接觸 IC 卡及其讀卡器進(jìn)行電費(fèi)預(yù)付費(fèi)，通過電流傳感器和電壓傳感器采樣分析實(shí)現(xiàn)當(dāng)前用電量計(jì)算顯示。瞬時(shí)功率檢測(cè)顯示，電量余額顯示，用電過流保護(hù)功能。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能 ： 1） 當(dāng)前總用電量顯示； 2）用戶余額顯示； 3）余額不足報(bào)警； 4）余額為零自動(dòng)斷電； 5）供電過流保護(hù) 。 主要技術(shù)指標(biāo) ： 1)工作電壓 220V； 2)最大輸出功率 40KW。 研究現(xiàn)狀 預(yù)付費(fèi)電能表 預(yù)付費(fèi)電能表分類及發(fā)展史 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 國(guó)際上預(yù)付費(fèi)電能表經(jīng)過了投幣、磁卡、電鑰匙、 IC 卡的發(fā)展過程 ,80 年代末推出了 IC 卡預(yù)付費(fèi)電能表 ,它是 IC 卡在電話、金融等領(lǐng)域后的又一成功應(yīng)用。 按結(jié)構(gòu)可分為整體式預(yù)付費(fèi)電能表和分體式預(yù)付費(fèi)電能表。 整體式預(yù)付費(fèi)電能表就是將斷電機(jī)構(gòu)置于表內(nèi)。整體式預(yù)付費(fèi)電能表的特點(diǎn)是外觀整潔 ,安裝方便 ,容易密封 其缺點(diǎn)是當(dāng)電流較大時(shí) ,由于斷電機(jī)構(gòu)置于表內(nèi) ,體積較 小 ,斷電機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)發(fā)熱及滅弧問題很難解決。斷電機(jī)構(gòu)跳閘時(shí) ,觸點(diǎn)有可能被燒死 ,從而當(dāng)下次需要跳閘時(shí)卻跳不開 ,因此 ,當(dāng)電流較大時(shí) ,一般不采用整體式結(jié)構(gòu) 另外 ,整體式結(jié)構(gòu)將電路集中在表殼內(nèi) ,當(dāng)斷電機(jī)構(gòu)跳閘時(shí) ,會(huì)給表計(jì)帶來干擾 ,如果布局不合理 ,勢(shì)必對(duì)表計(jì)的可靠性有很大影響。 分體式預(yù)付費(fèi)電能表是將斷電機(jī)構(gòu)置于表外 ,表計(jì)本身僅發(fā)出斷電信號(hào) ,斷電信號(hào)經(jīng)線路傳輸?shù)綌嚯姍C(jī)構(gòu)。由于斷電機(jī)構(gòu)在表外 ,其體積不受約束 ,當(dāng)電流較大時(shí) ,其可靠性仍很高 但這種形式的預(yù)付費(fèi)電能表成本較高 ,一般當(dāng)電流較大時(shí)采用這種方式。 按電能測(cè)量單元的原 理可分為機(jī)電式預(yù)付費(fèi)電能表和全電子式預(yù)付費(fèi)電能表 機(jī)電式預(yù)付費(fèi)電能表是采用機(jī)械電能表作為電能測(cè)量單元 ,即用感應(yīng)式電能表作為其基表 (也叫母表 )。由于感應(yīng)式電能表發(fā)展歷史較長(zhǎng) ,已經(jīng)相當(dāng)成熟 ,特別是它對(duì)電源瞬變及各種頻率的無線電干擾不敏感。但這種表如對(duì)電能測(cè)量單元測(cè)量的電能進(jìn)行采樣的傳感器設(shè)計(jì)不當(dāng) ,質(zhì)量不可靠 ,就會(huì)造成機(jī)械計(jì)度器和電子計(jì)度器計(jì)量的電量不一致 ,從而造成不必要的糾紛。 全電子式預(yù)付費(fèi)電能表是采用模擬或數(shù)字乘法器對(duì)功率進(jìn)行積算 ,其元器件采用電子元件。按理論上計(jì)算全電子預(yù)付費(fèi)電能表平均無故障時(shí)間 MTBF(Mean Time Between Failures)可以達(dá) 10 年以上 ,但實(shí)際應(yīng)用中因受干擾、漂移及產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)等方面問題的影響 ,而達(dá)不到預(yù)期壽命 隨著半導(dǎo)體技術(shù)及工藝的進(jìn)步 ,全電子式預(yù)付費(fèi)電能表必將成為主流。 按使用的介質(zhì)不同可分為投幣式、磁卡式、電卡式及 IC卡式等 所謂介質(zhì) ,就是用來存儲(chǔ)和傳輸信息的物件。預(yù)付費(fèi)電能表按其使用的介質(zhì)不同而分為投幣式預(yù)付費(fèi)電能表、磁卡式預(yù)付費(fèi)電能表、電卡式預(yù)付費(fèi)電能表及 IC 卡式預(yù)付費(fèi)電能表。 預(yù)付費(fèi)電能表的特點(diǎn) 1）不需要人工抄表。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展 ,人民的物質(zhì)生活 水平得到了極大的提高 ,不少省份實(shí)現(xiàn)了村村通電。由于中國(guó)地域遼闊 ,有些地區(qū)用戶比較分散 ,有的用戶離供電部門較遠(yuǎn) ,對(duì)這些用戶的抄表就顯得比較費(fèi)勁 ,且效率較低。預(yù)付費(fèi)電能表采用的計(jì)量方式 ,是用戶持卡先到供電部門買電 ,然后才能用電。因此 ,不需要采用人工抄表 ,有效地解決了抄表難的問題。 2）可以解決一些電費(fèi)收繳困難用戶的收費(fèi)問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和文化交流活動(dòng)的增加 ,流動(dòng)人口越來越多。由于流動(dòng)人口活動(dòng)的不確定性 ,抄收人員很難找到他們 ,這蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 些人的電費(fèi)收繳很困難。特別是一些出租門面房、出租房屋及公寓等房主變動(dòng)頻繁的用戶 ,及經(jīng) 常出外做生意或經(jīng)常出差而很難找到房主的用戶 ,他們的電費(fèi)收繳尤其困難。使用預(yù)付費(fèi)電能表是先購(gòu)電后用電的方式 ,可有效地解決了電費(fèi)回收的問題。同時(shí) ,它也能很好地解決零散居民用戶、臨時(shí)用電用戶、經(jīng)常欠費(fèi)用戶的收費(fèi)問題。按照規(guī)定 ,用戶用電應(yīng)如實(shí)申報(bào)用電容量 ,以便于電力部門確定供電方式及準(zhǔn)確計(jì)算應(yīng)繳貼費(fèi)。但有些用戶為達(dá)到少交貼費(fèi)的目的 ,故意少報(bào)用電容量 ,從而造成了貼費(fèi)的流失。感應(yīng)式電能表沒有功率限定的功能 ,且其過載能力較大 ,不能限制用戶超容量用電。用戶超容量用電或供電方式選擇不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際 ,會(huì)使線路負(fù)載過重 ,造成線路過 熱且加大了線路損耗 ,嚴(yán)重的會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。預(yù)付費(fèi)電能表具有功率限制功能 ,當(dāng)用戶虛報(bào)用電容量時(shí) ,其實(shí)際負(fù)荷超過表內(nèi)設(shè)置限定功率 ,表計(jì)會(huì)自動(dòng)跳閘 ,可迫使用戶如實(shí)申報(bào)用電容量。 3）具有一定的防竊電能力。預(yù)付費(fèi)電能表對(duì)反向用電的處理方式 ,是將反向用電計(jì)入正向用電 ,因此 ,當(dāng)用戶采取反接電流進(jìn)出線或采用竊電器竊電時(shí) ,其反轉(zhuǎn)電量還會(huì)疊加在正向電量中去 ,竊電是無法得逞的。另外 ,全電子式預(yù)付費(fèi)電能表由于電流采用錳銅片分流 ,電流回路的電阻小 ,當(dāng)用戶在表外短接電流回路時(shí) ,基本上不起作用。預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)可以對(duì)用戶的用電 情況進(jìn)行監(jiān)視 ,當(dāng)用戶超過預(yù)期時(shí)間不來買電時(shí) ,預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)可以自動(dòng)生產(chǎn)清單 ,有關(guān)人員可根據(jù)清單進(jìn)行核查。因此 ,預(yù)付費(fèi)電能表因其表計(jì)本身的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理及預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ,而使預(yù)付費(fèi)電能表具有一定的防竊電能力。 4）有利于培養(yǎng)用戶電是商品的意識(shí)。電是一種商品 ,商品交換的一個(gè)基本原則就是實(shí)行等價(jià)交換 ,也就是當(dāng)你使用、占有商品時(shí) ,就必須支付一定的貨幣。長(zhǎng)期以來 ,由于計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的影響 ,一些人頭腦中還沒有電是商品的概念 ,因此 ,“偷電不是偷”“欠電費(fèi)不算欠”等錯(cuò)誤觀念還有一定的市場(chǎng)。當(dāng)前 ,居高不下的線損、罕見的高 額欠費(fèi)仍深深困擾著電力部門 ,甚至妨礙了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作。預(yù)付費(fèi)電能表實(shí)行的是先買電后用電 ,完全是按商品交換的原則進(jìn)行 ,改變了過去先用電后交費(fèi)的方式 ,有利于培養(yǎng)用戶電是商品的意識(shí)。 5）有利于用電管理部門提高現(xiàn)代化管理水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,計(jì)算機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè) !各個(gè)部門 用電管理工作也將由傳統(tǒng)的管理模式向現(xiàn)代化管理模式轉(zhuǎn)變 ,實(shí)現(xiàn)無紙化管理。預(yù)付費(fèi)電能表的使用必須配合計(jì)算機(jī)管理才能進(jìn)行 ,因此 ,它有利于提高用電管理部門應(yīng)用計(jì)算機(jī)管理的水平 ,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 射頻識(shí)別技術(shù) 射頻識(shí)別技術(shù)的基 本概念與發(fā)展歷史 無線射頻識(shí)別技術(shù) (Radio Frequency Identification ,RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù) ,其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間禍合 (電感或電磁禍合 )傳輸特性 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 別物體的自動(dòng)識(shí)別。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成 ,即天線、射頻卡 (應(yīng)答器 ,Tag)和讀寫器 (讀頭 ,Reader)。射頻識(shí)別技術(shù)最早被用于物品的識(shí)別與管理 ,但隨著射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展 ,近年來還被廣泛用于非接觸式電子錢包、身份識(shí)別等領(lǐng)域。 射頻識(shí)別技術(shù)是一種直接繼承了雷達(dá)的原理 ,而發(fā)展起來的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。 1948 年 ,哈里178。斯托克曼 (Harry Stockman)發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識(shí)別的理論基礎(chǔ) ,成為射頻識(shí)別理論領(lǐng)域的不朽之作。 在過去的半個(gè)多世紀(jì)里 ,射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段 : 1941 一 1950 年雷達(dá)的改進(jìn)和應(yīng)用催生了 RFID 技術(shù) ,1948 年奠定 TRFID 技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 1951 一 1960 年早期 RFID 技術(shù)的探索階段 ,主要處于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。 1961 一 1970 年 RFID 技術(shù)的理論得到了發(fā)展 ,開始了一些應(yīng)用嘗試。 1971 一 1980 年 RFID 技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個(gè)大發(fā)展時(shí)期 ,各種 RFID 技術(shù)測(cè) 試得到加速 ,并出現(xiàn)了一些最早的 RFID 應(yīng)用。 1981 一 1990 年 RFID 技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段 ,各種規(guī)模應(yīng)用開始出現(xiàn)。 1991一 20xx年 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨得到重視 ,RFID產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用 ,RFID產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分。 從 20xx 年至今 ,射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨為人們所重視。射頻識(shí)別產(chǎn)品種類更加豐富 ,射頻卡成本不斷降低 ,規(guī)模應(yīng)用行業(yè)不斷擴(kuò)大 ,射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到了豐富和完善。特別是世界頭號(hào)零售商沃爾瑪宣布大范圍使用射頻識(shí)別技術(shù)和美國(guó)軍方宣布軍需物品均使 用射頻識(shí)別來進(jìn)行識(shí)別與跟蹤 ,這些極大地推動(dòng)了射頻識(shí)別技術(shù)的研究和應(yīng)用。 射頻識(shí)別技術(shù)的基本工作原理 最基本的射頻識(shí)別系統(tǒng)由三部分組成 : a、射頻卡 (Tag