戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

劉慕雙,山紅偉

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校機(jī)械工程系,河北承德 067000)

戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

劉慕雙,山紅偉

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校機(jī)械工程系,河北承德 067000)

介紹了物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄控戶用儀表的數(shù)據(jù)傳輸和控制方法,采用M-Bus總線作為戶用儀表的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),M SP430嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)作為戶用儀表現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)主站,GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式作為小區(qū)主站與城市戶用儀表管理中心之間相互通信的手段,構(gòu)建了具有Internet共享瀏覽數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制及故障診斷功能的戶用儀表物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng);戶用儀表;數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳

戶用儀表是用來(lái)計(jì)量居民家庭的水、電、氣、熱等使用量的儀表。水、電、氣、熱是居民家庭生活的基本物質(zhì)資料,這些物質(zhì)資料的消耗量關(guān)系到居民家庭生活的消費(fèi)支出、舒適程度,對(duì)減小污染、降低排放和創(chuàng)立節(jié)能社會(huì)都具有重要的意義。無(wú)論是普通居民,還是水、電、氣、熱提供商,以及政府相關(guān)管理部門(mén)都需要及時(shí)了解水、電、氣、熱的消耗量值。因此,構(gòu)建具有戶用儀表的數(shù)據(jù)信息讀取、傳輸、發(fā)布和管理監(jiān)控功能的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)社會(huì)和諧、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄控戶用儀表的構(gòu)造

1.1 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳戶用儀表的結(jié)構(gòu)和計(jì)量方法

圖1 遠(yuǎn)程抄控水表示意圖Fig.1 Long-distanceread and control watermeter

為了構(gòu)建戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng),就要對(duì)戶用儀表進(jìn)行改造,使之成為帶傳感器的可發(fā)訊息的儀表。戶用儀表可用的傳感器有超聲波、干簧管、韋根和無(wú)磁等幾種形式。在水的計(jì)量中,超聲波流量計(jì)通常用在大口徑水的管路計(jì)量中,極少用在小口徑管路的居民用戶供水計(jì)量中。在戶用儀表中使用干簧管計(jì)量是靠旋轉(zhuǎn)磁極的作用形成電路開(kāi)路或閉路變化,從而產(chǎn)生電脈沖來(lái)計(jì)量水、電、氣、熱的使用量。干簧管在磁極的作用下開(kāi)合屬于機(jī)械動(dòng)作,隨著開(kāi)合次數(shù)的增加,干簧管就會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂而發(fā)生失效。韋根傳感器的抗干擾能力差,在外界有電磁干擾的情況下產(chǎn)生較大的流量計(jì)量誤差。在戶用儀表中應(yīng)用無(wú)磁的方式計(jì)量,不存在上述缺點(diǎn),是優(yōu)選方案。圖1是一種無(wú)磁遠(yuǎn)程抄控水表,其工作原理[1]是采用無(wú)磁轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)測(cè)試電路,在流量測(cè)量場(chǎng)合應(yīng)用時(shí),在無(wú)磁流量傳感器中采集部分流量只需要1個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)和幾個(gè)電感電容。在轉(zhuǎn)盤(pán)的一半涂上具有阻尼特性的金屬膜(如錫、鋁),電感成120°分布,電感線圈靠近轉(zhuǎn)盤(pán)表面,轉(zhuǎn)盤(pán)固定在葉輪表面。當(dāng)流體流動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng),電感相對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)的金屬表面和非金屬表面的位置交替變化,同時(shí)M SP430嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)定時(shí)給LC回路激勵(lì)信號(hào),從而使電感產(chǎn)生阻尼振蕩。這樣,當(dāng)電感處于金屬膜的位置時(shí),阻尼衰減幅度大;反之,衰減幅度較小。通過(guò)M SP430檢測(cè)波形衰減的幅度,就可以判斷電感的狀態(tài),從而達(dá)到計(jì)量的效果。

1.2 戶用儀表遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)方法

戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)具有強(qiáng)大的功能,除了能在遠(yuǎn)程抄錄每個(gè)儀表的數(shù)據(jù),還應(yīng)該能遠(yuǎn)程控制每個(gè)用戶的水、電、氣、熱的使用。圖1的遠(yuǎn)程抄控水表,它既可以計(jì)量用戶水的用量,還可以對(duì)管路實(shí)施遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)閥的控制,這種遠(yuǎn)程抄控水表可用于居民用戶的水和熱管路的流量計(jì)量和控制。遠(yuǎn)程抄控戶用儀表由微功耗閥門(mén)、計(jì)量傳感器電路、防竊氣電路、電壓測(cè)試電路、流量監(jiān)測(cè)等部分組成,具有數(shù)據(jù)提示功能、精確計(jì)數(shù)功能、欠壓處理功能、閥門(mén)自動(dòng)處理功能等?？煽刂剖沁h(yuǎn)程抄控戶用儀表的重要功能,采用圖1所示的水表實(shí)現(xiàn)了Internet遠(yuǎn)程控制用戶管路的功能。

2 連接戶用儀表的現(xiàn)場(chǎng)總線

2.1 戶用儀表的M-Bus數(shù)據(jù)傳輸總線技術(shù)

建立戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)戶用儀表數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)上傳,需要建立居民小區(qū)的戶用儀表的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域中可用RS485,PRFBUS,CAN,HART等現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。由于建設(shè)成本、使用環(huán)境、技術(shù)要求等因素的影響,中國(guó)國(guó)內(nèi)的建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦戶用儀表采用M-Bus,RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。M-Bus總線是歐洲專(zhuān)為戶用儀表數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的總線系統(tǒng),M-Bus以其安裝布線方便和獨(dú)特的遠(yuǎn)傳供電方式而更顯優(yōu)勢(shì)。利用M-Bus總線技術(shù)構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)的戶用儀表小區(qū)樓宇基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),通信容量大,總線可提供600 m A電流的容量,通信速率高達(dá)9 600 b/s,通信設(shè)備布線成本低。采用普通雙絞線作為數(shù)據(jù)通信線纜,可實(shí)現(xiàn)無(wú)極性任意分支布線、恒流環(huán)通信方式,總線通信抗干擾能力強(qiáng),傳輸距離可達(dá)1 km[2]。采用M-Bus總線系統(tǒng),構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)小區(qū)樓宇的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),非常適合戶用儀表的數(shù)據(jù)傳輸,在居民小區(qū)還可用作家庭智能化控制,消防報(bào)警,小區(qū)水、電、氣、熱控制,中央空調(diào)控制等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 戶用儀表與M-Bus總線接口電路[3]

數(shù)據(jù)傳輸戶用儀表的單片機(jī)M SP430FW 427通過(guò)以 TSS721A為主芯片的接口電路(如圖2所示)與M-Bus總線相連接,此電路可將M-Bus總線的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換成2路 TX和RX與M SP430FW 427相連接。其中,VCC與 GND起為M SP430FW 427供電作用,TX與RX起數(shù)據(jù)傳送和接收作用。M-Bus數(shù)據(jù)通信總線具有總線供電作用,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)布線資源和戶用儀表的內(nèi)部電池。

3 戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)造及功能分析

3.1 戶用儀表傳感網(wǎng)的構(gòu)造

戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)由戶用儀表、樓宇中繼器、小區(qū)戶用儀表主站、城市數(shù)據(jù)傳輸中心等部分組成,如圖3所示。戶用儀表的數(shù)據(jù)信息通過(guò)M-Bus數(shù)據(jù)總線統(tǒng)一集中到M-Bus樓宇中繼器上,M-Bus樓宇中繼器通過(guò)小區(qū)M-Bus數(shù)據(jù)總線統(tǒng)一集中到M-Bus小區(qū)中繼器上,這樣小區(qū)中戶用儀表的數(shù)據(jù)就可通過(guò)在小區(qū)中的兩級(jí)M-Bus網(wǎng)絡(luò)傳到小區(qū)戶用儀表主站中來(lái)。小區(qū)戶用儀表主站中包括M-Bus小區(qū)中繼器、小區(qū)抄表計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、GPRS傳輸裝置等部分。每個(gè)小區(qū)中繼器可以帶256個(gè)樓宇中繼器,每個(gè)樓宇中繼器可以帶256個(gè)戶用儀表,所以一套小區(qū)M-Bus抄表系統(tǒng)最多可以接65 536個(gè)戶用儀表,可以滿足上萬(wàn)戶小區(qū)安裝戶用儀表的數(shù)量要求。

圖2 M-Bus總線與M SP430FW 427之間通信接口電路Fig.2 Communicatiion interface circuit between M-Bus and MSP430FW 427

圖3 戶用儀表物聯(lián)網(wǎng)Fig.3 Internet of household meter

小區(qū)中的M-Bus總線系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)遵循國(guó)家城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。M-Bus總線系統(tǒng)建設(shè)成本較低,安全性和可靠性較高。所有戶用儀表都可采用簡(jiǎn)單的雙線并聯(lián),局部戶用儀表的故障不影響網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行狀態(tài),M-Bus中繼器有總線短路過(guò)載保護(hù)功能,總線短路不會(huì)損壞總線上的設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)整體安全性較高。

3.2 戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)[4-5]

物聯(lián)網(wǎng)的定義如下:通過(guò)信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)首先要把各種傳感器儀表通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái),通過(guò)這個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)即可收集現(xiàn)場(chǎng)總線上傳感器儀表的數(shù)據(jù),也可對(duì)這些儀表發(fā)送數(shù)據(jù)指令;其次,就是使現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)與 Internet相連接。筆者采用M-Bus總線技術(shù)在居民小區(qū)構(gòu)建了戶用儀表傳感網(wǎng)絡(luò),在M-Bus總線上建立了計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)小區(qū)戶用儀表主站,采用 GPRS

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小區(qū)戶用儀表主站與Internet的連接。

小區(qū)戶用儀表主站由小區(qū)M-Bus中繼器、M SP430嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置組成[6],其功能是通過(guò)M-Bus總線定時(shí)抄錄本小區(qū)之內(nèi)的戶用儀表的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。小區(qū)主站計(jì)算機(jī)根據(jù)事先規(guī)定的原則,對(duì)這些數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行分析,判斷各個(gè)戶用儀表的運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)行故障診斷分析。小區(qū)主站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò) GPRS裝置,將抄表數(shù)據(jù)和故障診斷的結(jié)果及時(shí)上傳到城市戶用儀表管理中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器上來(lái),這個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器與Internet相連接,就實(shí)現(xiàn)了抄表數(shù)據(jù)的各方面的共享。這樣就實(shí)現(xiàn)了城市小區(qū)的戶用儀表與Internet的連接,構(gòu)成了戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)。在城市中,建設(shè)戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),通過(guò)實(shí)時(shí)上傳到Internet上的戶用儀表的數(shù)據(jù),居民可以了解自己家庭的消費(fèi)情況,水、電、氣、熱提供商可以知道本公司的銷(xiāo)售情況和設(shè)備運(yùn)行情況,政府行政管理部門(mén)可以統(tǒng)計(jì)核算出城市的水、電、氣、熱消耗情況,為城市生產(chǎn)生活和運(yùn)行管理提供依據(jù),是未來(lái)城市信息化建設(shè)中解決戶用儀表數(shù)據(jù)抄錄、共享、管理問(wèn)題以及節(jié)省資源、避免重復(fù)建設(shè)的較為合理的方案 。

戶用儀表物聯(lián)網(wǎng)上的信息交換可以雙向進(jìn)行,除了上面所述的戶用儀表的數(shù)據(jù)上傳實(shí)現(xiàn)抄表功能外,還可利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)居民小區(qū)的戶用儀表等設(shè)施傳送信息,實(shí)現(xiàn)控制戶用儀表和居民小區(qū)的各種設(shè)施的功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)利用M-Bus總線技術(shù)構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)的戶用儀表小區(qū)樓宇基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有布線簡(jiǎn)單、成本低、容量大、帶載能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2)采用MSP430嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)建立小區(qū)戶用儀表主站,具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大及故障診斷的功能。

3)GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小區(qū)戶用儀表主站與城市收費(fèi)管理運(yùn)營(yíng)公司之間的無(wú)線數(shù)據(jù)交換,是城市區(qū)域戶用儀表物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié),構(gòu)建戶用儀表的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了城市基礎(chǔ)設(shè)施的有效利用。

[1] 周連廷.MSP430FW 427在熱表中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用(M icrocontroller&Embedded System),2004(6):82-84.

[2] 劉立群,孫志毅.基于M-Bus的超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用(M icrocontroller&Embedded System),2006(1):24-29.

[3] 劉慕雙,鄒克武.微功耗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳熱量表的研制[J].現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理(Advanced Measurement and Labo ratory Management),2006(4):5-7.

[4] 宋俊德.淺談物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀和未來(lái)[J].移動(dòng)通信(Mobile Communications),2010(15):8-10.

[5] 趙 靜,喻曉紅,黃 波,等.物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系與發(fā)展[J].通信技術(shù)(Communications Technology),2010,43(9):106-108.

[6] 馮凌杰,張 梅,范建豐.基于 GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)[J].微處理機(jī)(M icrop rocesso rs),2010(3):36-38.

[7] 楊 倩.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].電信科學(xué)(Telecommunications Science),2010(8A):139-142.

[8] 王靜哲,周永鵬.基于 GSM天線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Hebei University of Science and Technology),2003,24(4):53-56.

[9] 劉俊伏,劉金娥.基于GPRS的城市路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].河北工業(yè)科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),2007,24(5):286-288.

Construction of internet of things of household meter

L IU M u-shuang,SHAN Hong-wei
(Department of Mechanical Engineering,Chengde Petroleum College,Chengde Hebei 067000,China)

The paper introduced themethodsof household meter data transmission and control through internet of things.By using M-Bus as field bus network,MSP430 embedded MCU as cell site netwo rk,GPRSw ireless data transmission asmeansof communication between cell site netwo rk and urban household meter management center,an internet of things of household meters w ith characteristicsof data sharing,remote control and fault diagnosis is built.

internet of things;household meter;remo te data transmission

TN915.05

A

1008-1542(2011)01-0039-04

2010-06-21;

2010-09-29;責(zé)任編輯:陳書(shū)欣

中央預(yù)算內(nèi)投資計(jì)劃項(xiàng)目(20091168)

劉慕雙(1961-),男,河北唐山人,教授,碩士,主要從事機(jī)械電子工程及儀器、儀表產(chǎn)品的研制與開(kāi)發(fā)工作。