遠傳智能網絡水表抄表系統設計方案

　　摘要：隨著電子通信與計算機網絡技術的發展，遠程抄表技術在水、電和煤氣計量方面得以推廣應用。為適應這個發展方向，在研制出有線遠傳水表及其數據采集器的基礎上，開發了的數據集中器，以實現遠傳水表抄表系統。該系統有三層網絡結構：上位機管理系統、集中器和智能網絡水表。智能網絡水表通過RS-485總線和集中器連接，集中器通過調制解調器MODEM和網連接進行遠程通訊，將數據通過網傳輸給上位機管理系統，在降低成本的同時提高了數據傳輸的可靠性。該系統具有良好的伸縮性，同時，上位機管理系統也可以和銀行聯網，組成四級網絡，為后續功能擴展奠定了基礎。
　　
　　1、智能網絡水表
　　
　　智能網絡水表的工作原理是在普通轉盤計數的水表中加裝干簧管和永磁鐵。雙干簧管固定安裝在計數轉盤上方附近，永磁鐵安裝在計數盤（本設計0.01m3）位上，計數盤每轉一圈，永磁鐵經過雙干簧管各一次，在信號端產生兩個計量脈沖。當接收到有效計脈沖時，單片機由休眠模式轉為工作模式，由微處理器執行相應的計費程序。其硬件主要包括：微處理器、脈沖采集電路、液晶顯示電路、閥門控制電路、通信接口電路等。
　　
　　1.1脈沖采集電路
　　
　　本設計使用了雙干簧管傳感器，即當檢測到一個干簧管吸合時，先記錄下來，再檢測另一個干簧管，只有檢測到另一個干簧管吸合后才認為信號有效。接線圖如圖1所示。　　
　　1.2液晶顯示電路及顯示器
　　
　　MSP430F413單片機內置一個24×4段的液晶顯示驅動器。本設計中選用的液晶顯示器是定制生產的字符式液晶顯示器，其視屏尺寸是65mm×40mm，漢字數字協調美觀。液晶顯示電路及顯示器如圖2所示。　　
　　液晶顯示器作為水表的輸出接口，除了顯示電磁閥門的開關狀態、表內剩余金額（當余額顯示為負時表示水表處于透支狀態）、累積用水量、電池狀態、本月累積用水量、分段（階梯水價時，每種水價水量的噸限）顯示、單價（當前水價）顯示、當前日期及當前時間之外，還具有提醒用戶及時充值的信息及顯示錯誤信息的功能。如：表示強磁干擾，（注：閥門會關閉）；表示欠壓狀態。
　　
　　1.3閥門控制電路
　　
　　本設計采用小功率電機通過減速，直接驅動球閥開閉。其優點是結構相對簡單，水阻小。缺點是球閥的球環加工精度要求高，使用一段時間后由于水垢或微顆粒等使轉動阻力增大，設計中采用每月定時開關閥門幾次來解決這一問題。閥門控制電路如圖3所示。　　
　　1.4通信接口
　　
　　智能網絡水表采用協議與集中器進行通信，集中器通過MODEM與上位機相連。RS-485相對于RS-232成本低，驅動器和接收器價格便宜，并且只需要單一的一個+5V（或者更低）的電源來產生差動輸出需要的1.5V的壓差。通信接口如圖4所示。　　
　　2、集中器設計
　　
　　在遠程集中抄表系統中，集中器起著數據中轉和總線隔離的作用，負責上位機和網絡水表的。其主要功能有兩項：一是完成與水表的通信，根據系統下達的指令抄收水表的數據或檢測狀態，可以定時抄收也可以實時抄收；二是根據系統要求完成與上位機的通信，將水表的數據信息或狀態信息傳輸給上位機管理系統。根據系統需求，集中器主單片機采用Microchip公司的PIC16F84芯片，其內部帶有64字節的EEPROM，用來儲存水表的工作參數，如用水量、狀態、地址編碼等。這些數據在水表工作期間可能不斷變化，而又要求系統斷電之后不能丟失，在系統下次加電工作時自動恢復原先的數據。現場調試一般用到安裝了測試軟件的便攜機。便攜機接口協議為RS-232，因此集中器電路設中需預留一個RS-232接口，采用MAX232芯片。
　　
　　2.1集中器硬件設計
　　
　　集中器由主控芯片PIC16F84、上行通信接口電路、下行通信接口電路、電源電路等幾部分組成。集中器硬件電路如圖5所示。
　　
　　1）上行通信接口電路：集中器通過上行通信接口電路和調制解調器MODEM相連，然后再通過網和上位機管理系統進行通信，如圖5（a）所示。　　
　　2）下行通信接口電路：用來和智能網絡水表進行通信，采用RS-485總線傳輸方式，如圖5（b）所示。使用MAX485芯片和智能網絡水表進行通信。　　
　　2.2集中器軟件設計
　　
　　集中器的軟件設計主要包括集中器主程序的設計、集中器接受命令子程序的設計、集中器向采集器發命令子程序軟件的設計、集中器向PC機應答子程序的設計。集中器主程序流程圖如圖6所示。　　
　　2.3上位機與集中器之間通信協議的幀格式
　　
　　上位機與集中器之間通信協議的幀格式有命令幀格式和應答幀格式。通信協議的幀格式由幀頭、類型碼、地址碼、數據碼、校驗碼和幀尾組成，其定義如表1所示。各個部分的具體含義解釋如下：　　
　　1）幀頭：一幀的起始字節，代表一個新幀的開始1個字節，命令幀固定為1AH，應答幀固定為ICH.
　　
　　2）類型碼：1個字節，命令幀類型碼用來規定上位機管理系統下達指令的具體內容，不同的內容對應不同的類型碼。集中器執行相應指令后上傳相應的應答幀類型碼，不同的內容對應不同的類型碼，命令幀和應答幀類型碼如表2所示。　　
　　3）地址碼：8個字節，本地址碼依次為集中器號（4個字節），智能網絡水表號（4個字節）。
　　
　　規定前4個字節全F代表所有集中器，后4個字節全F代表所有智能網絡水表。
　　
　　4）數據碼：2～10個字節，包括設置集中器和水表的號碼、設置集中器的密碼、設置的時間、水表的狀態、水表上傳的數據等。
　　
　　5）校驗碼：1個字節，本設計采用累加和校驗，對幀頭、類型碼、地址碼和數據域進行字節累加，結果取1個字節。集中器接收到指令后，對指令的相應字節進行累加，然后再與校驗字相比較。
　　
　　6）幀尾：表示一幀的結束字節，命令幀固定為IBH;應答幀固定為DH.
　　
　　3、總線直讀式網絡結構
　　
　　本設計采用總線直讀式網絡結構中典型的聯網管理方式，如圖7所示。即采集器到集中器的連接方式和局域網管理方式。將若干集中器集中起來連結到廣域網接入器，再通過線與異地或遠距離的PC機進行通信。1臺計算機zui多可以管理128個集中器，1個集中器可以管理255個采集器。這樣系統更簡單、成本更低。　　
　　4、上位機管理系統設計
　　
　　主站是遠程集中抄表系統的數據處理中心，處于系統的zui高層次。在集中器、網絡水表協助下通過網絡接口負責完成設備管理、用戶管理、水量的抄收以及報表打印等功能，遠傳水表管理系統。根據SQLSever的數據庫體系結構和自動抄表管理軟件系統的數據內容，得出如圖8所示的Autometer數據結構圖。　　
　　水表遠程抄表系統上位機管理軟件系統的功能主要有：
　　
　　l）自動抄表：能夠實時、定時、自動地抄錄前端水表的讀數，隨時了解住戶的使用情況，便于計量和收費的自動管理。
　　
　　2）預置參數和通訊測試：能夠對某一塊智能表預先設置參數，如水表讀數、狀態、編號等，也能夠對所有的水表預先設置讀數值；能夠自動測試系統計算機與前端任何一個住戶采集器之間的通訊是否正常。
　　
　　3）住戶信息管理：能夠查詢所有住戶的信息，能夠對相應的住戶信息進行添加、修改、刪除、統計等操作。
　　
　　4）收費信息管理：能夠查詢所有住戶的用水信息，包括住戶的歷史用水量、當月用水量，價格可以設置為一定價，或者階梯水價，并自動計算出應繳水費，同時記錄交費信息，還能夠對相應的收費信息進行添加、修改、刪除等。
　　
　　5）自動報表生成：能夠根據住戶當月用水情況，自動生成住戶當月報表，并打印相關單據。
　　
　　6）系統用戶分級管理：對軟件系統的用戶實行分級管理，分別賦予3種不同權限。即一般用戶只有查詢信息的權限，一般管理員除了查詢信息的權限外還有部分抄表管理和通信管理的權限。只有系統管理員才具有系統管理、信息管理、抄表管理和通信管理等全部權限。
　　
　　鑒于篇幅，這里只列出實現增加一個用戶時的主要代碼。　　
　　5、結語
　　
　　本遠程抄表系統已被某自來水公司采用，并在該自來水公司所在城市的3個小區內使用。整個系統施工簡便、維護簡單、功耗低，運用了通信協議，有效降低了系統通信電流強度。此外，采用多點間歇的脈沖形式進行數據采集，持續時間非常短（僅為25ms）。當數據發送完畢后，又恢復到休眠狀態，靜態功耗極低。本系統有著廣泛的市場應用空間，發展潛力較大。隨著無線通信技術的發展，無線抄表系統將是未來自動抄表系統發展的必然趨勢。