智能遠(yuǎn)程水表表頭及集中器的設(shè)計(jì)探討

李必果（桂林市自來(lái)水公司，廣西 桂林 541002）

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智能遠(yuǎn)程水表表頭及集中器的設(shè)計(jì)探討

李必果（桂林市自來(lái)水公司，廣西 桂林 541002）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，在水表抄表中傳統(tǒng)抄表方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、管理不便，與現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展需求不適應(yīng)。隨著智能化設(shè)備的發(fā)展，人工抄表、收費(fèi)及結(jié)算方式等逐漸被智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)所替代。智能遠(yuǎn)程水表抄表系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)采集、傳輸、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)及計(jì)費(fèi)一體化的管理。本文主要針對(duì)只能遠(yuǎn)程水表表頭及集中器的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析。

智能遠(yuǎn)程水表；表頭；集中器；設(shè)計(jì)

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，自來(lái)水用戶的用水收費(fèi)管理多數(shù)采用人工入戶抄表實(shí)現(xiàn)，這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、管理不便，且容易摻雜認(rèn)為因素，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性差?，F(xiàn)階段，高層建筑越來(lái)越多，水表基本都安裝在每一層的水表井內(nèi)，抄表環(huán)境復(fù)雜，抄表人員工作難度也比較大，影響抄表工作的及時(shí)率。目前，很多電子技術(shù)公司也在推廣多種自動(dòng)抄表系統(tǒng)，如IC卡付費(fèi)水表自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)、總線智能抄表系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?、抗干擾性及能耗方面還存在一些問(wèn)題，諸多地方需要改善?？偩€智能抄表系統(tǒng)是目前使用比較多的一種，由采集器、集中器、通信設(shè)備、主站及收費(fèi)系統(tǒng)等組成。本文主要針對(duì)水表表頭與集中器硬件及軟件設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。

1　硬件設(shè)計(jì)

硬件部分，我公司采用的智能抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為總線制系統(tǒng)，為總線制自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線分為兩種形式，分別是四線制和兩線制。公司最開(kāi)始使用的是四線制智能水表，后來(lái)絕大部分采用的是兩線制智能水表。四線制水表用RVVP4*0.5的屏蔽線，兩條通訊線，一條電源線，一條地線，電源線上的12V直流電源只在通訊時(shí)供電，與集中器間采用RS485通信；兩線制水表用RVVP2*0.75屏蔽線，用M-Bus通訊協(xié)議進(jìn)行通信?？偩€上任意處斷開(kāi)可以掛接一個(gè)總線制直讀表，表與表并連，智能水表可以連接到一個(gè)智能數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的同一條通道上。節(jié)點(diǎn)的每一條通道相對(duì)獨(dú)立，簡(jiǎn)化了布線與施工。通過(guò)區(qū)域集中器可以在城市的任意位置收集到城市內(nèi)任意區(qū)域的表的數(shù)據(jù)，而形成事實(shí)的中間層，直正抄表到戶。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)果如圖1。系統(tǒng)整個(gè)硬件部分包含表頭與集中器（區(qū)域集中器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)）兩部分，表頭實(shí)現(xiàn)了水表讀數(shù)的輸入和現(xiàn)實(shí)，并且與集中器通過(guò)RS485或M-Bus實(shí)現(xiàn)通訊功能；集中器則對(duì)表頭信號(hào)集中進(jìn)行采集存儲(chǔ)。此外，集中器與通訊控制器通過(guò)RS485總線連接，通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)傳設(shè)備與控制中心的中央管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)向上傳遞的功能。

圖1　智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.1表頭的硬件設(shè)計(jì)

我公司使用的水表為譯碼總線制直讀水表，它的設(shè)計(jì)原理為：在每一位字輪上編碼，對(duì)應(yīng)每一位字輪，有一位譯碼器來(lái)識(shí)別該字輪的讀數(shù)。與現(xiàn)在超市里普遍采用條碼識(shí)別器識(shí)別條碼來(lái)收款有相同的原理。這種編碼是一種連續(xù)編碼法。

根據(jù)譯碼表的原理可知，譯碼表平時(shí)是不需要電源，表的內(nèi)部不需要使用電池。在讀表的時(shí)候，由系統(tǒng)送電到表里，譯碼器開(kāi)始工作，將譯出的讀數(shù)由表內(nèi)的電子單元送到系統(tǒng)。

表輸出的是帶校驗(yàn)碼（16位的CRC碼）的準(zhǔn)確的表讀數(shù)，如果表讀數(shù)在傳輸過(guò)程中受到干擾，表讀數(shù)在接收端不準(zhǔn)確，那么校驗(yàn)碼也會(huì)錯(cuò)誤碼，系統(tǒng)收到后能檢驗(yàn)出來(lái)表讀數(shù)已經(jīng)歧變，系統(tǒng)再發(fā)指令到表，表可以再將表讀數(shù)送出，保證系統(tǒng)讀到的表讀數(shù)不會(huì)因傳輸而發(fā)生錯(cuò)誤。

表有唯一的地址，系統(tǒng)讀數(shù)時(shí)才有唯一性，無(wú)論這只表在哪里，系統(tǒng)只認(rèn)表地址，不會(huì)出現(xiàn)因接錯(cuò)線而導(dǎo)致讀數(shù)混亂的情況。

1.2集中器的硬件設(shè)計(jì)

集中器是將控制中心與智能水表連接的中間環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用，集中器的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)收集到的信息的接收、存儲(chǔ)及發(fā)送等，將表頭信號(hào)集中進(jìn)行采集與存儲(chǔ)。集中器CPU選擇Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128增強(qiáng)型單片機(jī)，具有兩個(gè)串口，能夠滿足上位機(jī)與下位機(jī)同時(shí)通信的需求，而兩線接口也可實(shí)現(xiàn)和時(shí)鐘芯片通信的功能，處理速度比較快。集中器內(nèi)，包含控制器資源分配、電源調(diào)理模塊、M-Bus通信模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、信息存儲(chǔ)模塊、串口通訊模塊、LED狀態(tài)指示、接口設(shè)計(jì)等部分，針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)集中器所需具備的功能。

2　軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)智能遠(yuǎn)程水表系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在軟件程序語(yǔ)言上主要包含C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩種，功能簡(jiǎn)單且對(duì)效率要求高的設(shè)計(jì)中匯編語(yǔ)言比較適用；而C語(yǔ)言則具有編程容易，層次結(jié)構(gòu)清晰，更符合人們的思維習(xí)慣，可有效降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與調(diào)試的時(shí)間，所以，AVR上軟件設(shè)計(jì)多數(shù)采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。本次研究選擇C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)軟件進(jìn)行編程。

2.1集中器的軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)樵撓到y(tǒng)中，不但要與上位機(jī)通信，還要與下位機(jī)通信，即同時(shí)與PC機(jī)和表頭進(jìn)行信息交互，集中器接受到上位機(jī)的命令后，執(zhí)行與表頭之間的通信。因此，主程序要求采用循環(huán)模式，計(jì)時(shí)器T/C0計(jì)時(shí)到位即中斷，對(duì)上位機(jī)發(fā)出的命令是否接收到進(jìn)行判斷，對(duì)命令標(biāo)志相應(yīng)的值進(jìn)行設(shè)置。如果接收到上位機(jī)的命令，則集中器執(zhí)行命令，打開(kāi)閥門對(duì)表頭信息進(jìn)行采集。主程序?qū)γ顦?biāo)志不斷循環(huán)檢查，根據(jù)命令標(biāo)志執(zhí)行相應(yīng)的命令。集中器主程序流程如圖2所示。

圖2　集中器主程序流程圖

2.2系統(tǒng)通訊協(xié)議

M-Bus是專門用于公共事業(yè)儀表的總線結(jié)構(gòu)，M-Bus系統(tǒng)則是一個(gè)帶有通訊控制主機(jī)的多級(jí)系統(tǒng)，由主機(jī)和多個(gè)終端設(shè)備采用兩根電纜連接而成，所有終端設(shè)備并聯(lián)在總線上，從總線上可獲取電源。M-Bus協(xié)議是以IEC870協(xié)議為基礎(chǔ)的，將該協(xié)議用于智能水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，主要是由于MBus總線具有提高電壓與傳輸數(shù)據(jù)的功能，即主機(jī)通過(guò)地址編碼向?qū)?yīng)終端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)終端接收到主機(jī)命令后為其提供數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中，主機(jī)是連續(xù)不斷的向終端提供M-Bus電壓的，通過(guò)電壓調(diào)制實(shí)現(xiàn)主機(jī)向終端發(fā)送信息；終端則通過(guò)自身電流消耗反饋給主機(jī)信息，而終端向主機(jī)發(fā)送信息是通過(guò)電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)的?？梢?jiàn)，M-Bus總線具有傳輸信號(hào)與提供電源的功能，終端不需要再配備電源，有效的解決了終端電池使用壽命有限的問(wèn)題，也降低了儀表故障的發(fā)生率。因?yàn)镸-Bus儀表總線屬于局域網(wǎng)范疇，因此也同樣具備局域網(wǎng)的特征，即范圍、傳輸技術(shù)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3數(shù)據(jù)處理方法

在M-Bus總線上，信號(hào)傳輸過(guò)程包含三種狀態(tài)：主站向終端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求、主站從終端接收數(shù)據(jù)及總線空閑時(shí)主站與終端都保持傳號(hào)狀態(tài)。主站向終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線電壓發(fā)生改變，總線電流不變，通過(guò)電壓調(diào)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，總線上只允許一個(gè)主站連接，在工作時(shí)，向總站提供電源，主站通過(guò)電平變化傳輸信息；終端至主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，采用總線電流調(diào)制，即總線電壓不變；總線空閑時(shí)，主站與終端均保持傳號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)，在數(shù)據(jù)交換過(guò)沉重沒(méi)有中斷M-Bus電壓，所以可持續(xù)為終端提供電源。

3　硬件和軟件測(cè)試

在硬件調(diào)試中，硬件電路板是系統(tǒng)最基本的組成，要確保硬件電路不出現(xiàn)任何差錯(cuò)，因此需要對(duì)印制電路板進(jìn)行測(cè)試：①對(duì)電源線及地線連接情況進(jìn)行檢查，對(duì)所有元器件逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試；②對(duì)系統(tǒng)外部電位器接線進(jìn)行測(cè)試，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確輸入；③與硬件原理圖進(jìn)行對(duì)照，逐個(gè)檢查電路板各個(gè)器件的連接，確保正確連接，防止出現(xiàn)斷路或短路現(xiàn)象。該兩線制M-Bus總線系統(tǒng)中，表頭部位因?yàn)闆](méi)有獨(dú)立的電源，需要在M-Bus總線上將電壓穩(wěn)壓后為表頭提供電源，M-Bus通訊主站向終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，電壓范圍必須滿足要求，所以，對(duì)M-Bus上的電壓進(jìn)行測(cè)試是非常重要的環(huán)節(jié)。在M-BusTXD端口分別置一與置零，也就是主站分別向終端發(fā)送1和0，然后對(duì)M-Bus+與M-Bus-之間的電壓值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為發(fā)送1時(shí)，電壓為19.72V，發(fā)送0時(shí)，電壓為10.75V，由此可知，電壓范圍定要滿足M-Bus通訊規(guī)則。

在軟件調(diào)試中，主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：①子函數(shù)調(diào)試。對(duì)于Atmel的AVR器件，其已經(jīng)具備了完全變成與偏上調(diào)試的功能，對(duì)芯片硬件利用AVR JTAG仿真器進(jìn)行仿真，如程序單步執(zhí)行、斷點(diǎn)設(shè)置等，通過(guò)仿真對(duì)芯片立面程序的詳細(xì)運(yùn)行情況進(jìn)行了解。利用AVR Studio仿真界面，對(duì)程序運(yùn)行時(shí)單片機(jī)各時(shí)鐘、引腳、串口、寄存器等狀態(tài)變化進(jìn)行觀察。在對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試時(shí)，可以先寫比較簡(jiǎn)單的程序，查看單片機(jī)是否能夠正常工作，對(duì)單片機(jī)工作正常進(jìn)行驗(yàn)證后，再對(duì)單片機(jī)各種初始化函數(shù)進(jìn)行寫入，然后依據(jù)硬件設(shè)計(jì)及功能需求，對(duì)相關(guān)軟件程序進(jìn)行編寫。需要注意的是，軟件程序需要每編寫完一個(gè)以后，要檢查編譯是否準(zhǔn)確無(wú)誤，也就是利用AVR Studio仿真功能進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，無(wú)誤后即可進(jìn)行下一個(gè)子函數(shù)的編寫，所有子函數(shù)編寫與單獨(dú)測(cè)試完成后，全部加入主程序進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試。②遠(yuǎn)程水表抄錄系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。在各子函數(shù)調(diào)試完成后，可生成集中器的主程序。經(jīng)過(guò)下載表頭主程序及設(shè)置相關(guān)通訊串口參數(shù)以后，通過(guò)VC上位機(jī)界面對(duì)集中器下達(dá)指令，進(jìn)行表頭數(shù)據(jù)采集、讀取歷史數(shù)據(jù)、修改ID等操作，沒(méi)有異常后，及完成智能遠(yuǎn)程水表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、方便了管理、采集的數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確。由于系統(tǒng)組成的單元模塊比較多，本研究只是對(duì)系統(tǒng)部分功能進(jìn)行了介紹，還需要進(jìn)一步深入研究。

［1］吳海峰，李德敏，鄒劍.基于M-Bus的智能水表數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2011（10）：97～98+101.

［2］宣冶.遠(yuǎn)程水表數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012 （03）：206～208+212.

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2016-4-20

TP274.2

A

2095-2066（2016）17-0061-02