基于M－Bus傳輸協(xié)議的便攜式水表運行監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

劉淑杰，田 野

（深圳市興源鼎新科技有限公司，廣東 深圳 518000）

基于M－Bus傳輸協(xié)議的便攜式水表運行監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

劉淑杰，田 野

（深圳市興源鼎新科技有限公司，廣東 深圳 518000）

文章介紹了M－Bus傳輸協(xié)議的便攜式水表運行監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)背景，開發(fā)過程中采用的技術(shù)路線以及關(guān)鍵技術(shù)，該套系統(tǒng)是對全自動抄表系統(tǒng)的一種補充，給用戶提供多一種抄表方案的選擇。

M－Bus傳輸協(xié)議；便攜式；M－Bus轉(zhuǎn)換器

供水企業(yè)的管理模式是基于計量表具而建立起來的，變革管理模式，必然首先要變革計量水表，再結(jié)合計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)，才能從根本上變革管理模式，提高管理效益。此外，為了通過價格杠桿調(diào)節(jié)水需求、水資源配置，達(dá)到節(jié)約用水的目的，國家建設(shè)部曾多次下發(fā)文件要求實行階梯水價，對自來水實行分類計量收費和超定額累進(jìn)加價制度。該制度實施過程中涉及的因素很多，如人均定額用水、家庭人口、用水類型、定額平價、超額加價等，且這些因素會隨實際情況的變化而變化，如人口、用水類型變化等，傳統(tǒng)的計量器具無法實現(xiàn)。階梯式計價需要水表的智能化程度，實現(xiàn)的方式和功能方面有新的設(shè)置和創(chuàng)新點。

1 項目研發(fā)的必要性及前景

全國很多城市正在進(jìn)行一戶一表的改造工程，如果改造完成后仍然采用普通水表，供水企業(yè)勢必增加相當(dāng)數(shù)量的抄表人員，在人工成本不斷提高的今天，對自負(fù)盈虧的供水企業(yè)是不經(jīng)濟的；供水企業(yè)迫切需要一種安裝調(diào)試簡單、配置靈活、投資相對低廉的能夠?qū)⒏鲬舻乃頂?shù)據(jù)短距離的傳輸?shù)焦潭c上的抄表系統(tǒng)，由抄表員到幾個固定的點上把數(shù)據(jù)拿回來，既節(jié)約人工，又相對節(jié)約投資。

2 項目技術(shù)研發(fā)計劃實施方案和目標(biāo)

2.1 基于M－Bus傳輸協(xié)議的便攜式水表運行監(jiān)測系統(tǒng)

M－Bus傳輸協(xié)議的便攜式水表運行監(jiān)測系統(tǒng)采用了測量、傳感、通信及微電子技術(shù)，將散裝在各戶或各樓道的水表通過數(shù)據(jù)線傳到安裝在單元入口處的集抄器，抄表日抄表人員手持掌上電腦，依次到集中抄表器處將其所管轄的水表數(shù)據(jù)讀取到掌上電腦中，抄表員回到營業(yè)中心后，將掌上電腦中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦里，進(jìn)行分析處理及收費，見圖1。

2.1.1 集中抄表器的設(shè)計

M－Bus集中抄表器（簡稱為集抄器）是一種全新設(shè)計新型集抄器，因其電路簡單且沒有與表的通信部分，因此雷擊損壞的可能性大大降低。產(chǎn)品只有一個存儲芯片存儲小區(qū)、用戶等臨時數(shù)據(jù)，通過主機（也就是M－Bus轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，平時不供電處于不工作狀態(tài)，低功耗且不需要維護(hù)，滿足了高可靠性。

2.1.2 M－Bus轉(zhuǎn)換器設(shè)計

M－Bus轉(zhuǎn)換器是為降低集抄器成本而新設(shè)計的產(chǎn)品，它集紅外通信、M－Bus協(xié)議轉(zhuǎn)換、電源、保護(hù)電路為一體。紅外與配套的蘭德掌上電腦通信，M－Bus與水表通信。轉(zhuǎn)換器完成M－Bus到紅外之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并把抄表的數(shù)據(jù)上傳到配套的蘭德掌上電腦內(nèi)。

2.1.3 電源

M－Bus轉(zhuǎn)換器需要24 V直流電源，由于蓄電池具有體積大并且有記憶效應(yīng)、充電時間長等缺點，所以我們用高性能的鋰聚合物電池，并佩帶充放電均衡保護(hù)板。

2.1.4 蘭德掌上電腦抄表軟件

紅外與轉(zhuǎn)換器通信讀取用水量、小區(qū)等數(shù)據(jù)，并存于內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，可查看用戶用水量，并可以上傳數(shù)據(jù)庫到PC分析處理。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）水表存儲出廠編號、水表示值、電子單元工作狀態(tài)。

（2）通信方式：表到M－Bus轉(zhuǎn)換器——M－Bus協(xié)議；M－Bus轉(zhuǎn)換器到集中抄表器——IIC；M－Bus轉(zhuǎn)換器到蘭德掌上電腦——紅外；蘭德掌上電腦到PC——RS232。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案圖

（3）供電電源：M－Bus轉(zhuǎn)換器——24 V 2 000 mAH可充電鋰聚合物電池。

（4）工作電流：表電流小于1.5 mA。

（5）工作環(huán)境：溫度：水表5～＋55 ℃，電子單元部分－25 ℃～＋55 ℃；濕度：0～97% RH。

2.3 基于M－Bus傳輸協(xié)議的便攜式水表運行監(jiān)測系統(tǒng)主要的研發(fā)內(nèi)容

水表部分——網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的建立；集中抄表器部分——三插結(jié)構(gòu)的TV母頭的可實施性；轉(zhuǎn)換器部分——各類數(shù)據(jù)處理以及協(xié)議轉(zhuǎn)換；M－Bus便攜式抄表系統(tǒng)——顯示客戶信息，將蘭德掌上電腦上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，從而實現(xiàn)對用戶水表的自動讀取，減少人為錯誤同時又節(jié)約抄表時間。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)和解決關(guān)鍵技術(shù)途徑

2.4.1 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)：①M－Bus便攜式抄表系統(tǒng)的低功耗設(shè)計；②直讀水表技術(shù)；③短路保護(hù)技術(shù)；④M－Bus總線協(xié)議；⑤防水、防陽光技術(shù)；⑥數(shù)據(jù)信息壓縮技術(shù)。

2.4.2 解決關(guān)鍵技術(shù)的途徑

（1）M－Bus表只有實現(xiàn)低功耗設(shè)計，主機才能夠連接更多的水表，同時也增加電池使用壽命。

具體設(shè)計步驟如下：

1）處理器的選擇。一般情況下是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面進(jìn)行比較和選擇。通常可以采用每執(zhí)行1 M次指令所消耗的能量來進(jìn)行衡量，即Watt/MIPS。但這僅是一個參考指標(biāo)，實際上各個CPU的體系結(jié)構(gòu)相差很大，衡量性能的方式也不盡相同。

我們把CPU的功率消耗分為兩大部分：內(nèi)核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，總的功率等于兩者之和，即P＝PCORE＋PI/O。對于PCORE，關(guān)鍵在于其供電電壓和時鐘頻率的高低；對于PI/O來講，除了留意各個專門I/O控制器的功耗外，還必須關(guān)注地址和數(shù)據(jù)總線寬度。

2）接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計。接口電路的低功耗設(shè)計，在這個環(huán)節(jié)里，除了考慮選用靜態(tài)電流較低的外圍芯片外，還應(yīng)該考慮以下幾個因素：①上拉電阻/下拉電阻的選??；②對懸空腳的處理；③Buffer的必要性。簡單計算一下，如果在一個3.3 V的系統(tǒng)里用4.7 KΩ為上拉電阻，當(dāng)輸出為低的時候，每只腳上的電流消耗就為0.7 mA，如果有10個這樣的信號腳時，就會有7 mA電流消耗在這上面。所以我們應(yīng)該考慮在能夠正常驅(qū)動后級的情況下（即考慮IC的VIH或VIL），盡可能選取更大的阻值?，F(xiàn)在很多應(yīng)用設(shè)計中的上拉電阻值甚至高達(dá)幾百KΩ。另外，當(dāng)一個信號在多數(shù)情況下時為低的時候，也可以考慮用下拉電阻以節(jié)省功率。CMOS器件的懸空腳中未使用到的輸入端接到VCC或地。

3）動態(tài)電源管理（DPM）。①選取不同工作模式。CPU內(nèi)部的各種頻率都是通過外部晶振頻率經(jīng)由內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）倍頻式后產(chǎn)生的，通過內(nèi)部寄存器設(shè)置各種工作頻率的高低成為控制功耗的一個關(guān)鍵因素。現(xiàn)在很多CPU都有多種工作模式，我們可以通過控制CPU進(jìn)入不同的模式來達(dá)到省電的目的。②關(guān)閉不需要的外設(shè)控制器。不用的控制器可以處于各種狀態(tài)不用去管。但如果要節(jié)省功耗，則須將其關(guān)閉，否則仍然會消耗電流。

上面兩種方式只是動態(tài)電源管理的最為簡單的實現(xiàn)。在這兩種方式中，一種是通過改變系統(tǒng)的時鐘頻率，另一種是通過控制外設(shè)控制器的開關(guān)來達(dá)到節(jié)約能量的目的。

（2）直讀水表技術(shù)實現(xiàn)。字輪上特定位置的特定編碼，通過光電管的發(fā)射和接收判斷字輪所處的位置，譯碼字輪值傳入CPU內(nèi)部，實現(xiàn)從機械部件到電子部件的轉(zhuǎn)換。這樣在不消耗電能的情況下，依靠自身的機械部件也能正常計數(shù)，極大地提高了可靠性，減少能源消耗。

（3）短路保護(hù)技術(shù)。圖2所示為鋰電池的短路保護(hù)電路：

圖2 短路保護(hù)電路

當(dāng)正常工作時，MOSFET管Q2因R1上拉導(dǎo)通，P－端和BAT－端的壓差很小，而且電阻R2和R3的阻值很大，所以流過電阻R2和R3的電流幾乎為零，短路保護(hù)MOSFET管Q1不工作。當(dāng)發(fā)生短路現(xiàn)象時，P＋和P－之間的壓差突然變小，P－和BAT－之間的壓差突然變大。電阻R2和R3的分壓導(dǎo)致了短路保護(hù)MOSFET管Q1的柵極電壓比源柵極要高，短路保護(hù)MOSFET管Q1導(dǎo)通，使Q2的柵極電壓變低，從而切斷，鋰離子電池組就停止放電，得到保護(hù)。由于MOSFET管Q1的源柵極的最大壓差約為20 V，而多組鋰離子電池組的總電壓大于20 V。短路時，短路保護(hù)MOSFET管Q1源柵極的電壓差將大于20 V，從而受損。電阻R2和R3的作用就是通過分壓來保證短路保護(hù)Q1，R2和R3阻值的調(diào)整，要保證短路保護(hù)Q1能在發(fā)生短路現(xiàn)象時源柵極電壓大于開啟電壓。4組以下的鋰離子電池組不需要分壓電阻，把R3短路、R2開路即可。電容C1的作用是防止電路誤動作，RT1的作用是過流啟動保護(hù)。

（4）M－Bus總線協(xié)議。

1）物理層。物理層的功能是提供一條“非結(jié)構(gòu)位流”傳送的物理通道，并為數(shù)據(jù)鏈路層提供建立、維護(hù)和解除物理連接。物理層規(guī)定了主站與從站之間的物理接口的物理和電氣特性，負(fù)責(zé)物理媒體上信息的接收和發(fā)送。M－Bus的物理層采用M－Bus總線標(biāo)準(zhǔn)。

2）數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是在物理連接的基礎(chǔ)上建立、維護(hù)和解除數(shù)據(jù)連接。數(shù)據(jù)鏈路層以幀為單位傳輸信息，在每幀信息中附加了許多協(xié)議控制信息（如同步信息、地址信息、糾錯信息、應(yīng)答信息等），以保證信息無差錯傳送。M－Bus的數(shù)據(jù)鏈路層采用IEC870標(biāo)準(zhǔn)。

3）應(yīng)用層。M－Bus的應(yīng)用層采用EN1434－3標(biāo)準(zhǔn)。MBus總線協(xié)議為主－從結(jié)構(gòu)的半雙工通訊方式，可以進(jìn)行一主一從或一主多從的操作，從站均有各自的地址編碼。在M－Bus總線協(xié)議中數(shù)據(jù)傳送時，所有多字節(jié)數(shù)據(jù)域均先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。發(fā)送方按字節(jié)進(jìn)行加33H處理，接收方按字節(jié)進(jìn)行減33H處理。M－Bus抄表系統(tǒng)遵循M－Bus總線協(xié)議。

（5）對安裝電子單元部分采用密封墊圈和黑色的遮光紙有效的解決了防水和防光。

（6）數(shù)據(jù)信息壓縮技術(shù)的實現(xiàn)。在整個抄表系統(tǒng)中從讀表到表讀數(shù)傳輸?shù)诫娔X內(nèi)，整個過程數(shù)據(jù)傳輸速度成為整個系統(tǒng)采集的最大瓶頸。提高傳輸速度和減少傳輸編碼都能有效的解決此問題。但提高傳輸速度，數(shù)據(jù)出錯可靠性大幅度降低，因此我們采用壓縮編碼的方式，減少傳輸時間。因減少了編碼傳輸，數(shù)據(jù)可靠性也大幅度提高。

3 結(jié)束語

市場的需求是多樣化的，客戶的實際情況也是千差萬別的，單一的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際的市場需要。抄表系統(tǒng)的今后發(fā)展應(yīng)該是多樣化的，不僅在抄表方式上選擇有無線方式、全自動方式、便攜式，技術(shù)選擇上也可以是RS485或者M(jìn)－Bus，由客戶根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇。計量儀表智能化，不僅是中國的一種趨勢，也是世界性的趨勢。

1 楊萬海.多傳感器數(shù)據(jù)融合及其應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.4

2 （美）KevinSkahill.可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計技術(shù)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，1998

Based on M-Bus Transport Protocols Portable Water Meter

Liu Shujie, Tian Ye

This article introduced the M-Bus transport protocols’s portable water meter movement observation system’s development background, in the performance history uses the technology route as well as the key technologies, this set of systems are copy the table system’s one kind of supplement to the completely automatic, provides many one kinds to the user to copy table plan the choice.

M－Bus transport protocols; portable; M－Bus switch

TH814

A

1000－8136（2011）03－0015－03