LonWorks技術(shù)智能抄表系統(tǒng)的設計

樓曉春 何麗莉

(杭州職業(yè)技術(shù)學院青年汽車學院1，浙江 杭州 310018;杭州職業(yè)技術(shù)學院友嘉機電學院2，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和居民生活質(zhì)量的日益提高，水、電、煤氣等的用量急劇上升。目前，使用的電表和氣表普遍都是以人工入戶抄表的形式進行的，這種形式存在人工讀數(shù)誤差、居民對入戶安全的要求以及抄表效率低等諸多弊端[1－2]。數(shù)據(jù)采集完全依賴人工完成的傳統(tǒng)方法已成為制約公用事業(yè)企業(yè)發(fā)展的重要障礙。

1991年，美國Echelon公司推出了LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)。它是一種局部操作網(wǎng)絡(LON網(wǎng))，主要通過Cypress、Toshiba和Motorola等公司生產(chǎn)的一系列神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、嵌入在神經(jīng)元芯片中的LonTalk通信協(xié)議、LonMark協(xié)會規(guī)約的互操作性技術(shù)規(guī)范實現(xiàn)[3－5]。目前，LonWorks技術(shù)已成為我國建設部唯一推薦采用的智能建筑技術(shù)。

本文結(jié)合LonWorks總線技術(shù)的特點，設計了智能抄表系統(tǒng)，將小區(qū)內(nèi)分散的水表、電表、煤氣表的數(shù)據(jù)由抄表采集器上傳到管理計算機，由物業(yè)管理中心計算機進行集中處理，并可以經(jīng)通信服務器及公共電信線路遠傳至公用事業(yè)中心進行統(tǒng)一結(jié)算管理。

1 抄表采集器

采集器實時采集和計算各表具的輸出脈沖，并存放在RAM和外部存儲器中。同時，根據(jù)設定的分段時間和當前時刻，將采集到的數(shù)據(jù)累計到不同的時間段上，實現(xiàn)分時段計數(shù)。抄表模塊的存儲器具有掉電保護功能，能防止掉電丟失和脈沖累加值。

1.1 硬件設計

抄表采集器的核心器件是神經(jīng)元芯片和智能收發(fā)器。神經(jīng)元芯片采用Neuron3150系列，最高工作頻率為20 MHz，片內(nèi)含RAM和EEPROM，但還需外擴ROM或Flash，用來存儲系統(tǒng)映象和設備應用程序。神經(jīng)元芯片通過11個I/O引腳與計量表具連接。神經(jīng)元芯片的服務引腳是一個輸入/輸出雙向引腳，當作為輸入引腳時，可用于安裝網(wǎng)絡和配置抄表采集器;當作為輸出引腳時，可通過其外接的LED來指示抄表采集器的狀態(tài)和故障。神經(jīng)元芯片有CP0～CP4共5個通信引腳，可以配置成單端、差分和專用模式的輸入方式。

采集器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集器硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of collector

收發(fā)器采用FFT-10A自由拓撲收發(fā)器，支持無極性、自由拓撲(包括總線型、星型、環(huán)型、樹型甚至幾種方式的組合)的互連方式。FTT-10A收發(fā)器包含1個隔離變壓器、1個曼徹斯特編碼通信收發(fā)器和信號處理器件，采用厚膜電路將它們集成在同一個芯片中，通信速率為78 kbit/s，最長通信距離為2 700 m。收發(fā)器連接方式如圖2所示。

圖2 收發(fā)器連接方式Fig.2 Connections of the transceiver

本設計中，將神經(jīng)元芯片的通信端口配置成單端模式，則CP0為數(shù)據(jù)輸入引腳、CP1為數(shù)據(jù)輸出引腳、CP4為網(wǎng)絡沖突檢測輸入引腳。

1.2 軟件設計

采集器軟件流程如圖3所示。

圖3 采集器軟件流程圖Fig.3 Software flowchart of collector

抄表采集器的軟件流程主要包括器件初始化、引腳定義、歷史記錄數(shù)據(jù)恢復及發(fā)生事件時的處理程序。

LonWorks設備提供了NodeBuilder軟件工具，設備的應用程序采用Neuron C編寫。Neuron C是一種基于ANSIC，并能對簡單網(wǎng)絡通信、硬件I/O和事件驅(qū)動處理加以擴展的高級編程語言[3，5]。

在用戶編寫應用程序的過程中，需要對神經(jīng)元芯片的I/O引腳進行初始化。本設計中神經(jīng)元芯片的11個I/O引腳分別與各計量表具連接，用以接收計量表具產(chǎn)生的脈沖。I/O引腳定義如表1所示。

表1 I/O引腳定義Tab.1 Pin definition

Neuron C語言是一種事件驅(qū)動的高級編程語言。在應用程序中，用戶需要定義當某一事件發(fā)生時執(zhí)行相應的操作。當抄表采集器的I/O引腳上檢測到計量表具的輸出脈沖時，可以在脈沖的高電平、低電平、上升沿或下降沿進行脈沖計數(shù)。本文中，抄表采集器在脈沖的下降沿對計量表具產(chǎn)生的脈沖數(shù)進行累計。

在抄表采集器的軟件中，設置了定時器1和定時器2這2個定時器。定時器1的主要功能是將當前累計的各計量表具的數(shù)據(jù)備份到片外的存儲器，防止系統(tǒng)掉電時的數(shù)據(jù)丟失;定時器2的主要功能是更新各計量表具的網(wǎng)絡變量值。

2 LonWorks智能抄表系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

LonWorks智能抄表系統(tǒng)主要由管理中心上位機、LonWorks-IP路由服務器i.Lon600、抄表采集器和計量表具等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System structure

管理中心上位機作為管理機，可實現(xiàn)小區(qū)遠程抄表、計費、打印等功能，可將其連接在Internet網(wǎng)絡上。i.Lon600是一個遵循EIA 852協(xié)議的LonTalk到IP的路由器，能將 Internet或任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作為本地或遠程傳遞LonWorks控制信息的通道，為遠程存取訪問LonWorks設備提供了一個可靠的、安全的Internet通道。LonWorks網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)選用雙絞線。每個抄表采集器最多可外接11個計量表具。

管理計算機管理中心的上位機可查詢小區(qū)內(nèi)任一住戶的水表、電表和氣表的當前讀數(shù)和歷史記錄;對用戶每月消耗的水、電、煤氣的用量進行統(tǒng)計、計費、交費管理和歷史數(shù)據(jù)查詢;對欠費用戶進行自動打印欠費通知單。同時，管理計算機還可以通過LonWorks控制設備，對水、電、煤氣實現(xiàn)遠程開關控制，便于有效管理水、電、煤氣的供給。

Echelon公司為創(chuàng)建和維護LonWorks設備網(wǎng)絡提供了一套功能豐富的集成工具——LonMaker集成工具。LonMaker集成工具以Echelon公司的LNS網(wǎng)絡操作系統(tǒng)為基礎，集成了功能強大的客戶-服務器體系結(jié)構(gòu)和Microsoft Visio界面，用于設計和啟動分布式Lon-Works控制網(wǎng)絡。LNS DDE Server軟件包允許任何DDE或者SuiteLink相兼容的Microsoft軟件。

Windows應用程序監(jiān)視和控制LonWorks網(wǎng)絡而無需編程，如與人機界面應用程序、數(shù)據(jù)記錄和趨勢分析應用程序以及圖像處理顯示的接口。同時，與DDE相兼容的 Windows應用程序，通過建立 LNS和 Microsoft DDE協(xié)議的連接，可以和LonWorks控制設備進行交互網(wǎng)絡變量、配置信息和應用程序消息等。上位機軟件可采用組態(tài)王、VB或VC等軟件進行編寫，包括人機界面、通信功能和數(shù)據(jù)處理等。

2.2 上位機監(jiān)控軟件

管理中心上位機監(jiān)控軟件采用組態(tài)王進行設計。監(jiān)控軟件的設計過程主要包括以下5個方面。

①利用LonMaker軟件組建LonWorks控制網(wǎng)絡，并與Internet網(wǎng)絡集成。

②運行LNS DDE Server軟件，組態(tài)軟件的通信驅(qū)動程序配置中選擇DDE方式，監(jiān)控軟件作為一個DDE客戶程序，通過驅(qū)動程序向LNS DDE Server請求數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與抄表系統(tǒng)采集器的數(shù)據(jù)交換，從而監(jiān)控整個LonWorks網(wǎng)絡。

③設計監(jiān)控軟件操作界面，組態(tài)王提供了功能比較豐富的界面設計控件，便于開發(fā)人員設計友好的操作界面。

④數(shù)據(jù)變量設計，將組態(tài)軟件中的內(nèi)存變量和I/O變量等與LonWorks抄表采集器的輸入輸出網(wǎng)絡變量和I/O端口建立連接。

⑤編寫程序，主要包括定時子程序設計、抄表采集器數(shù)據(jù)預處理、界面動畫的變量處理等。

上位機監(jiān)控軟件操作界面分為主界面和查詢界面。其中，主界面可實現(xiàn)對每個住戶的水表、電表和氣表實際數(shù)據(jù)的抄讀;查詢界面可實現(xiàn)對每個住戶的水表、電表、氣表在各個時段的數(shù)據(jù)、費用、欠費和報警記錄的查詢。

2.3 系統(tǒng)主要功能

本文設計的智能抄表系統(tǒng)具有以下幾個主要功能：①抄表系統(tǒng)由管理上位機和抄表采集器、控制器、路由器組成數(shù)據(jù)采集/控制網(wǎng)絡，采用自由拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以雙絞線作為控制網(wǎng)絡通信介質(zhì);②在管理上位機上可以實現(xiàn)對每個住戶的水表、電表和氣表實際數(shù)據(jù)的抄讀;③可以按照不同時段的收費率，分別計算每個住戶每月水、電、氣的峰谷時段費用;④查詢每個住戶當前數(shù)據(jù)和歷史記錄;⑤對于欠費的用戶，可以暫時關斷水、電、煤氣的供給，當用戶交費后，再恢復供給;⑥報警。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的人工抄表方式效率低下，可能出現(xiàn)讀數(shù)和記錄錯誤，而且存在一定的安全隱患，不能滿足當前智能社區(qū)系統(tǒng)發(fā)展的要求。本文結(jié)合LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)，設計了抄表采集器的硬件與軟件，并建立了基于LonWorks技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了小區(qū)內(nèi)分散的水表、電表、煤氣表等計量表具的實時數(shù)據(jù)讀取、費用計算和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，

具有較強的工程實用性。

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