小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)研究

曾仕途

摘 要：計量表是我國水、電、燃氣、熱量使用量計量的主要設備，目前我國許多地區(qū)在水、燃氣、熱量收費方面仍需要通過人工抄表的方式來進行計量統(tǒng)計，這種方式不僅工作量巨大、效率低、成本高，同時也會因一系列人為不確定因素產(chǎn)生計量差錯，給用戶帶來不便，因而已不能與我國經(jīng)濟社會的發(fā)展形勢相適應，采用更加智能高效的四表集中抄表方式具有很大的必要性。

關鍵詞：小區(qū)；智能化集中抄表系統(tǒng)；設計；實現(xiàn)

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A

傳統(tǒng)人工抄表方式所面臨的最大挑戰(zhàn)來自于用戶分散性，一般情況下一家能源供應公司所覆蓋的服務范圍往往包含許多小區(qū)，所包含的用戶數(shù)量更是十分龐大，人工抄表要挨家挨戶進行，不僅抄表員體力上難以承受，同時整體效率也難以提高。而利用現(xiàn)代科學技術(shù)成果，設計適合的小區(qū)智能化四表集中抄表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)抄表作業(yè)簡化，對于提高抄表效率、質(zhì)量，提高計量管理水平有著重要的意義。

1 小區(qū)智能化抄表系統(tǒng)工作原理

1.1 智能電表

智能電表系統(tǒng)主要是采取現(xiàn)代通訊技術(shù)，實現(xiàn)遠程抄表與信息監(jiān)控的功能，整個系統(tǒng)包括三個關鍵性部分，即電表節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點以及服務器站點。電表節(jié)點通過裝配的短距離通信模塊，將電表相關數(shù)據(jù)發(fā)送至臺區(qū)網(wǎng)關節(jié)點（集中器）上，以進行抄表及信息交互。網(wǎng)關節(jié)點則是小區(qū)內(nèi)智能電表系統(tǒng)各組成電表設備及服務站間實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交互與傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，是連接電表節(jié)點與服務器站點的重要紐帶與通訊渠道，其主要組成包括三個部分，即下行通信模塊、GPRS模塊和MCU。基于現(xiàn)代通訊技術(shù)的運用，智能電表系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速的信息交互，并且可以同時完成大量信息的處理與獲取，在提高抄表工作效率的同時，也降低了成本。

1.2 智能水表

智能化水表系統(tǒng)是將傳統(tǒng)機械水表計量的葉輪裝置與電子信號感應裝置相結(jié)合，根據(jù)葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生電信號與用水量之間的比例關系，準確對用水量進行計量，并以電子信號的形式通過信號發(fā)射裝置進行傳輸，這也就為遠程用水量數(shù)據(jù)傳輸與測抄提供了可能。在此基礎上，配合計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，從而提高抄表作業(yè)及水表數(shù)據(jù)管理的整體效率。智能化水表可選用抗干擾能力強、使用壽命長的新型傳感器，數(shù)據(jù)計量更準確、可靠；采用遠距離傳輸裝置可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)統(tǒng)一傳輸至總服務器系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，降低抄表工作量，提升管理水平。

1.3 智能氣表

接入智能四表集抄系統(tǒng)的為遠傳燃氣表，其具有基表表數(shù)讀取和數(shù)據(jù)遠傳功能，通過數(shù)據(jù)傳感采集器讀取基表表數(shù)，并將讀取的表數(shù)通過有線或無線通信方式向表外發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)信號可經(jīng)室外的中繼器、集中器或無線遠傳POS最終送至燃氣公司的相應收費管理系統(tǒng)，從而完成有線自動或無線遠傳POS抄表，由燃氣公司的收費管理系統(tǒng)完成用氣量計算和扣費結(jié)算。

1.4 智能熱量表

除日常水、電、燃氣需要計量表進行數(shù)據(jù)計量和采集外，熱量供給也需要相應的計量表進行供熱數(shù)據(jù)的監(jiān)測與計量。智能熱量表所計量的主要是相應供暖區(qū)域內(nèi)消耗的熱量值，其所采用的計量裝置包括流量計、溫度傳感器及積分儀等，通過這些裝置采集相應的溫度及流量信息，并通過熱量系數(shù)和介質(zhì)密度等對其熱量值進行準確的計算，利用所配置的微處理芯片和低功耗通信模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸完成抄表作業(yè)。

2 集中抄表系統(tǒng)設計

2.1 集中器硬件設計

集中抄表系統(tǒng)由分散分戶抄表向集中抄表的轉(zhuǎn)變主要是通過集中器來實現(xiàn)的，其以中間站（網(wǎng)關）的形式連接主站與用戶終端，對用戶各種計量表數(shù)據(jù)進行集中采集、儲存以及傳輸，并能夠按照主站所發(fā)出的命令對用戶計量表進行設置與集中管理。

2.1.1 集中器工作原理

主處理芯片STR710FZ2通過與各通訊口的通訊，完成與外設和從處理芯片數(shù)據(jù)的交換及處理；設置數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)等保存在FLASH、FRAM、SRAM等存儲器中；通過遙信/脈沖接入口，獲取開關或電能表脈沖信息；時鐘芯片采用EPSON公司的串行時鐘芯片RX8025。

2.1.2 集中器硬件設計的技術(shù)特點

采用獨特的數(shù)據(jù)壓縮、寬頻傳輸技術(shù)和自適應跟蹤，軟件自動路由通訊技術(shù)，硬件實時中繼技術(shù)，抗高壓保護技術(shù)，并采用冗余校驗糾錯技術(shù)，有效克服了低壓電網(wǎng)通信媒介的干擾強、信號衰減大等不足，大大提高通信成功率和數(shù)據(jù)可靠性。

采用模塊化設計。數(shù)據(jù)處理模塊、載波控制模塊、載波耦合接收和發(fā)射模塊、上行通訊模塊、顯示模塊、電源模塊等都采用模塊化設計，方便產(chǎn)品的檢測、維修更換及更新升級。

多種數(shù)據(jù)通訊方式混合組網(wǎng)，還可根據(jù)用戶不同通信條件，靈活配置上行通信模塊（選配不同插件模塊），支持GSM/GPRS、CDMA等通信方式，使終端具有更好的擴展性；而且速度快，工作電流小，抗干擾性強，從而使得數(shù)據(jù)傳輸具有高可靠性。支持天線一體化，內(nèi)置、外置方式等不同選擇。

工業(yè)級設計。本終端CPU采用支持嵌入式操作系統(tǒng)平臺的32位ARM處理器，實時運算處理能力強。配有不掉電工作RAM和高性能CPU監(jiān)控芯片，設備工作穩(wěn)定可靠。

多種可靠性設計手段。各種終端的電磁兼容性能優(yōu)良，能抵御高壓尖峰脈沖、強磁場、強靜電、雷擊浪涌的干擾；各功能模塊均采用了軟、硬件防誤跳設計，硬件看門狗電路及復位電路。

2.2 集中器軟件設計

集中器軟件主程序是對集中器各個模塊要完成的任務進行初始化設計，其主要有串口初始化設計、系統(tǒng)時鐘初始化設計、定時器初始化、存儲器初始化等外部模塊的初始化。

2.3 抄表網(wǎng)絡設計

抄表網(wǎng)絡設計的關鍵在于網(wǎng)絡布線規(guī)劃的合理性，通訊平臺的選用具有著至關重要的意義，隸屬于OSI模型的RS485標準平臺即是一種相對較為適用的通信平臺，其在小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)中的實際應用具有著性價比高、數(shù)據(jù)傳輸快、通信距離遠、噪聲控制能力強、共模范圍寬等一系列的優(yōu)勢，這也使得該通信平臺獲得了良好的推廣和應用，但同時RS485平臺在布線規(guī)劃也面臨著一定的難題，即當總線節(jié)點數(shù)目上升至一定程度或不規(guī)則分布情況較多時，利用總線布線會變得較為困難，對此，加強網(wǎng)絡間隔離，保持負載平衡并確保布線規(guī)劃的合理性也將成為影響整個集中抄表系統(tǒng)運行可靠性的關鍵因素。

2.3.1 RS485電氣規(guī)定

由于RS485僅僅規(guī)定了接收端和發(fā)送端的電氣特性，而沒有規(guī)定或推薦任何數(shù)據(jù)協(xié)議，因此用戶可以很方便地根據(jù)自己的需要制定出相應的通信協(xié)議。RS485接口采用的是差分傳輸方式DDM（Different Driver Mode），抗共模干擾能力增強，具有較好的抗噪聲干擾性，而且傳輸距離遠、信號傳輸速度快。

RS485接口的主要特點如下：

第一，支持多點通信；

第二，采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合傳輸；

第三，-7V～+12V總線共模范圍；

第四，總線最多可接32個單位負載；

第五，最大傳輸速率為10Mbps；

第六，最大電纜長度為1200M。

2.3.2 RS485傳輸距離

RS485的傳輸距離及速率通常受波特率因素影響，在通訊電纜為一般常用的標準0.56mm雙絞線的情況下，如出現(xiàn)電磁干擾問題以及總線接入過多設備時，會導致其通訊的最遠傳輸距離縮短，當然如通訊電纜的粗細程度也會對傳輸距離產(chǎn)生一定的影響，電纜越細最遠傳輸距離則越短。相應的在有效消除電磁干擾、總線接入設備合理或較少、更換較粗電纜的情況下也能夠使系統(tǒng)最遠數(shù)據(jù)傳輸距離得到一定的延長。

2.3.3 影響RS485通信速率和可靠性因素

信號反射是影響RS485通信速率的一個重要因素，其造成原因主要來自于系統(tǒng)阻抗問題，即阻抗連續(xù)性問題和匹配性問題兩方面。其中阻抗連續(xù)性問題主要是由于信號在電纜線末端突遇阻抗消失或過小的情況，進而引發(fā)信號反射，而應對措施則是將一個與電纜特性阻抗相同的終端阻抗計入電纜末端，以提高阻抗連續(xù)性。阻抗匹配性主要是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率要求而決定的，一般情況下如數(shù)據(jù)傳輸要求不高則通常無需接入終端阻抗，而不合理接入還可能造成線路負載增加，影響通訊質(zhì)量，當數(shù)據(jù)傳輸率要求較高時，則需要通過調(diào)試合理接入終端電阻，應確保輸出波形符合傳輸實際需要。

2.3.4 通信線路防雷措施

對于智能化集中抄表系統(tǒng)而言，雷擊同樣具有著較大的威脅性，集中抄表系統(tǒng)的通訊線路大都處在戶外環(huán)境中，如防雷措施不當很容易遭到雷擊損害，致使芯片損毀。目前較為主要的防雷措施包括以下幾方面：

（1）采用金屬護管保護傳輸線；

（2）采用屏蔽雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸；

（3）配置放電管排泄電路受雷擊所產(chǎn)生的過大電流；

（4）安裝保護電阻降低雷擊對主要部件的損害；

（5）配置瞬間過壓保護二極管防止瞬間過電壓造成的芯片損毀。

2.3.5 低壓電力線載波通信

電力線載波（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，是將高頻信號耦合到低壓電力線路上，實現(xiàn)載波通信的一種技術(shù)。目前較普遍應用于電能表終端數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠程抄表，也可用于低壓電器的遠程控制和數(shù)據(jù)、信號的傳送。低壓窄帶載波允許采用的頻段在9kHz～500kHz，不同頻段對應的允許最大輸出電平在120～134dB（μV）之間。低壓電力線載波通信的可靠性會受到信號衰減、反射、駐波以及線路干擾（包括諧波干擾、脈沖噪聲、震蕩波、寬帶白噪聲等）的影響，一般情況下如果終端離集中器較遠、線路干擾強時，應采用自組網(wǎng)的自動路由技術(shù)，也可以中間加中繼器進行信號同步放大，或者采用載波和其它通信方式如有線、小無線、ZigBee等進行混合組網(wǎng)的方式，來有效提高抄表的成功率和實時性。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計

小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)中涉及大量需記錄和處理的信息內(nèi)容，合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是保證信息處理與系統(tǒng)管理有效性的關鍵，集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息存儲與管理主要是通過數(shù)據(jù)表來實現(xiàn)的。

3.1 小區(qū)及業(yè)主

小區(qū)與業(yè)主的關系可以首先通過小區(qū)建筑結(jié)構(gòu)關系來進行分析，即小區(qū)>樓宇>單元>套戶，上一級包含下一級，在數(shù)據(jù)表上相鄰兩表也呈現(xiàn)出相應父子表關系，實際小區(qū)中業(yè)主與套戶并非一對一的關系，業(yè)主可同時擁有多套住宅、同一住宅也可經(jīng)歷多個業(yè)主，基于此，最終小區(qū)、業(yè)主、套戶之間會形成多對多的關系，需要利用關系表來表達。

3.2 計量表及讀數(shù)

由于住戶正常生活所需要的資源是多方面的，水、電、氣、熱都要有相應的表來計量，因此套戶與計量表存在著一對多的關系，但每個計量表的讀數(shù)只表示一種資源的使用信息。小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫既要統(tǒng)計具有自動抄表功能的計量表數(shù)據(jù)，同時也要對各類非自動抄表計量表的數(shù)據(jù)進行記錄管理，因此，在計量表中使用了字段類別來標識該計量表的抄表方式。

3.3 收費項目及收費信息

根據(jù)資源類型的不同，其收費項目與收費方式也不同，對于單一項目的計費公式可概括為：參數(shù)x時間x單價x比例+附加額，其中參數(shù)選取實際收費項目的計費標準參數(shù)，比例主要是指相應給出的折扣比例系數(shù)，附加額則是指相應的收費優(yōu)惠或最低額度等，在此基礎上將項目與套戶關聯(lián)。為方便管理，可引入收費類型的概念，收費類型是指針對一個套戶所包含的收費項目和收費公式的集合。

3.4 系統(tǒng)用戶及權(quán)限

系統(tǒng)用戶與權(quán)限是相互對應的，只有用戶獲得相應權(quán)限才能進行相應的操作，權(quán)限是區(qū)分系統(tǒng)用戶可執(zhí)行操作的分級標準，在集中抄表系統(tǒng)中，為實現(xiàn)有效的權(quán)限管理，引入了角色概念，即將擁有相同權(quán)限的一類用戶總體劃分為一個角色，并根據(jù)需要進行分組，通過口令驗證與系統(tǒng)編碼，實現(xiàn)對用戶角色及組別的區(qū)分管理。

結(jié)論

小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)的設計與應用能夠有效地提高小區(qū)各項生活能源計量及管理的效率，也能夠大大減輕抄表員的工作壓力，對于現(xiàn)代化城市小區(qū)建設而言具有著重要的推動作用，加強對智能化集中抄表系統(tǒng)的技術(shù)完善，對于促進社會發(fā)展，方便小區(qū)居民生活具有著十分積極的意義。

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