（控制理论与控制工程专业论文）远传智能水表集抄系统的设计.pdf

武汉理【大学硕士学位论文 摘要 目前我国的水费计量方式主要依靠抄表人员入户抄收，不仅浪费人力物力， 又不可避免存在人为因素造成的误差，而且对用户的日常生活造成不便。随着 城市现代化建设的发展，建设智能小区成为必然趋势，原来的人工抄表已不能 胜任现在的工作，新的抄表方式应运而生，随着通信和计算机技术的发展，使 得远程抄表成为可能。近年来国家正在推广户外计量技术，以实现方便查表， 不干扰住户，使大量人工查表工作逐步过渡到数字化传送。当前的远程抄表系 统种类很多，但在实际应用过程中都存在种种弊端，本课题所设计的水表远程 抄表系统正是在某新建小区的需求背景下开始研制的。 本文介绍了水表远程抄表系统的应用背景，课题意义，总结了国内外的抄 表技术和发展现状，提出了本课题需要完成的主要工作，设计了系统总体方案， 介绍了设计中的关键技术。 本系统利用低成本、高性能的单片机作为主体进行硬件设计，使用了广泛 应用的基于r s - 4 8 5 电气接口的异步串行通讯技术作为通讯方式，文中分析了发 送数据帧的过程，并制定了通讯协议。同时，利用s q l s e r v e r 技术和v i s u a lc + + 编程语言设计了远程抄表系统的上位机管理软件。 另外，本文对系统的各种不可靠和干扰因素进行了系统分析，在设计采取 了一系列有效的措施来提高系统的可靠性和抗干扰能力。系统的实际运行和测 试表明：该系统安装调试方便，运行可靠、稳定，操作简单，抄得的数据准确， 达到了预定的目标，满足了实际的需求，具有较高的工程应用价值。 关键词：远程抄表，单片机，r s 4 8 5 武汉理工大学硕士学位论文 a tp r e s e n tt h em e a s u r em e a n so fr e a d i n gw a t e rm e t e ri sd e p e n d e do nd r i v e r st o c o p yt h ed a t ab yi n t e r r i n gt h ec o n s u m e r s , n o to n l yt h em a l l p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e sa r e w a s t e d ，i n e v i t a b l y m a k ee r r o r s b ym i s t a k e ，b u t a l s ob r i n g s i n c o n v e n i e n c et o d a i l yl i f eo fc o n s u m e r s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t y m o d e r n i z a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n s t r u c ti n t e l l i g e n tr e # 伽，t h ep r i m a r ym e a n so f m e t e rr e a d i n gw a sn o te q u a lt ot h ep r e s e n tw o r k , a n dt h en e w r e a d i n gm e a n sd e v e l o p s ， a n da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i t m a k e sr e m o t er e a d i n gp o s s i b l e r e s e n ty e a r so u rc o u n t r yw a sp o p u l a r i z i n go u t d o o r m e a s u r et e c h n o l o g y , m a k et r u et h a t c o p yp o w e rc o n v e n i e n t l y , n o td i s t u r b e d c o n s u m e r s ，ag r e a td e a lo fm a nc o p y i n gw o r kg r a d u a l l yt r a n s i t i o n st on u m e r i c t r a n s m i s s i o n t h e r ea r ek i n d so fl o n g - d i s t a n c ec o p y i n gs y s t e m s ，b u tt h e r ea r em a n y d i s a d v a n t a g e si np r a c t i c ea p p l i c a t i o np r o c e s s t h ew a t e rm e t e ri n s t r u m e n tr e m o t e r e a d i n g s y s t e md e s i g n e db yt h es u b j e c tw a ss t a r t e dt od e v e l o pa tt h eb a c k g r o u n do f d e m a n do fs o m en e wb u i l tr e g i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e dt h e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d , p r o b l e m s i g n i f i c a n c eo fw a t e rr e m o t er e a d i n gs y s t e m s ，s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n h o m ea n da b r o a d ，b r i n g e df o r w a r dt h em a i nw o r k ，e n t k ep r o j e c ta n dk e yt e c h n o l o g y w h i c hn e e d e dt ob ef i n i s h e db yt h es u b j e c t t h i ss y s t e mu s e do ft h em c uw h i c hi sl o wc o s ta n dh i 曲p e r f o r m a n c ea st h e p r i n c i p a lp a r t t o d e s i g nh a r d w a r e ，u s e da s y n c h r o n o u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nr s 一4 8 5e l e c t r i ci n t e r f a c ea sc o m m u n i c a t i o nm e a n s t h ep r o c e s s o fs e n d i n gd a t af r a m e sw a sa n a l y z e da n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a sm a d e a tt h e s a m et i m e t h ea r t i c l eu s e ds q ls e r v e rt e c h n o l o g ya n dv i s u a lc + + p r o g r a ml a n g u a g e t od e s i g nt h er e m o t er e a d i n gm a n a g e m e n ts o f t w a r es y s t e m i na d d i t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dk i n d so fu n c e r t a i n t ya n dd i s t u r b a n c ef a c t o r , t a k e ds e r i e so fe f f e c t i v em e a s u r e st oa d v a n c et h er e l i a b i l i t ya n da n t i d i s t u r b a n c e c a p a b i l i t yo ft h es y s t e mi nd e s i g np r o c e s s t h r o u g ht h er u n n i n ga n dt e s t i n g ，t h ea u t o m e t e rr e a d i n gs y s t e mw a sp r o v e dt ob eh a v i n gag o o da b i l i t y , s u c ha se a s yo n i n s t a l l a t i o na n dd e b u g , r e l i a b i l i t yo nm n n i n g , c o n v e n i e n c eo no p e r a t i n g , v e r a c i t yo n d a t a c o l l e c t i n ga n ds oo n i ta c h i e v e dt h es c h e d u l e dg o a l ，m e tt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t , a n dh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt h ep r o j e c t s k e y w o r d s ：r e m o t em e t e rr e a d i n g ，m c u ，r s - 4 8 5 2 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墼日期：埠! ：鲨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墼导师签名：数日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本文的研究课题是水表自动抄表系统，本章主要说明课题设计的背景和实 际意义，介绍了在抄表领域国内外的技术发展历史、现状和未来趋势，提出所 要进行的设计内容和任务，同时对全文的章节架构进行阐述。 1 1 课题研究的背景及意义 水是与人类关系最为密切的自然资源，合理用水、节约用水是保护我们日 益减少的水资源的根本。水表的产生，满足了用水的计量要求，为明确用水用 户与供水单位之间的经济关系提供了一种尺度。 长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是机械旋翼湿式水表【l 】，这种水 表价格低，性能比较稳定。然而随着社会的发展，而对高层建筑和生活小区等， 传统水表的不足之处便充分暴露出来。首先，抄表人员要频繁往来于每个用户 家里读表，工作量大；其次，用户正常的生活将受到干扰，并可能给犯罪分子 有机可乘；此外，由于用水计量不准或个别用户偷水等不法行为经常造成自来 水公司与用户的纠纷。 在经济科技日益发达的今天，为促进企业事业单位等节约用水，保证居民 生活用水的需要，节能型、实用型智能水表的研制与开发成为社会所需。随着 我国电子信息业的迅速发展，无论是用户还是供水管理部门都迫切需要现代化 管理手段的介入，这给供水部门在用水管理规范化、自动化和收费网络化方而 提出了新课题，从而推动了水费管理的电子化，信息化和网络化。针对上述情 况，建设部( 2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则 ( 修改稿) 中已经明确提出：“大力推动应用户外计量( 含水、电、暖、燃 气表技术) 和产品的研究开发。”国家建设部提出了城镇居民住宅“三表出户” 的要求i ”。所以且l ；i f 国内的很多水表生产厂家都在进行产品新型化的探索，大部 分采用单片机技术，智能水表系统的实用性研究已成为当前仪表行业的热点之 一。 我国普遍将水表、气表和电表安装于用户室内，电度表现在大部分改为一 武汉理工大学硕士学位论文 户一表安装在楼道内，但都是传统的单表计量，没有实现智能抄表和联网远传 抄表。自动抄表系统是利用当代微机技术、数字通讯技术与水表计量技术完满 结合，集计量、数据采集、处理于一体，将城市居民用水信息加以综合处理的 系统i ”，使自来水公司及物业部门从根本上减少人工上门抄表的繁杂劳动强度。 准确而便捷的收费系统，既可以节省人工又可减少供水部门与客户之间的纠纷， 它不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代用户对用水缴费的新需求。 本抄表系统的设计正是在武汉喻园小区开发商的要求下进行的。 1 2 国内外抄表系统现状及发展趋势 当前水表自动抄表系统主要有智能卡式、分线制抄表方式、总线制智能抄 表方式、无线发射式4 大类型【4 】。 ( 1 ) 分线制抄表方式是我国现今自动抄表系统的主要模式。基本原理即由 采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水表信号并进行数据处理、存储。各 采集器之间采用总线制连接，最后连接至计算机 5 1 。其典型特点是各户表通过分 户线连接至采集器位置。目前国内市场上各抄表开发系统的公司多用此型。 分线制抄表模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本( 多户表共享一个采 集器) ，但从实际情况看：分线制集中抄表模式存在如下缺点：由于一次水表 的信号是通过户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节出现疏漏都将 使采集器采集不到数据，而敷设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患： 短线、断线。错综复杂的线路更使得维护工作困难重重。分线制抄表模式的风 险不仅仅是各表风险的简单累加。如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使 该采集器上的所有户表数据丢失，集中抄表的风险无法有效分散，与测控系统 强调的集中管理、分散控制的分布式设计思想相违背。 ( 2 ) 总线制智能抄表系统开发由来已久，只是由于单表内设置单片机和后 备电源成本较高，推广普及较慢。然而国外几家大水表公司如英国a b b 公司、 德国m e i l e k 公司及以色列a r a d 公司凭借雄厚的资会和在市场中已有的一定优 势【6 l ，大规模使用总线制智能水表。由于规模效应，这些公司定做了体化芯片 ( 将采集、存储传输电路集成于一体、掩模为一块专用芯片) 、制作固件并装 配到表体上。 武汉理工大学硕士学位论文 总线制智能水表由于采集计数工作单元均装配在智能水表内并密封，本表 的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能卡水表本身完成，手抄器或电脑 不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。另外 因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存( 仅影响本表数据的 读出) ，也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时该表总线出现故障， 只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全 性、稳定性是比较可靠的。 ， ( 3 ) i c 卡预付费水表系统属于“先付款，再消费”n 是一种集自动供水、 自动计量、自动收费、自动控制、显示报警等多种功能于一体的全新概念的智 能水表，是传统水表的换代产品。它主要由基表、电控板和电动阀三部分组成。 其工作原理是：以i c 智能卡为载体，在管理系统与智能水表之间双向传递数据， 实现管理功能。用户把预购的水理存于表中，用水时，该表实时采集流量信号， 并在预购的水量中扣除。当表内剩余水表量小于一定设定值时，给出声音报警， 同时关闭阀门，这时插用户卡可以打开阀门，提示及时购水。当剩余水量为零 时，关闭阀门，用户重新购水插卡打开阀门用水。i c 卡水表符合当前的消费观 念，目前国内已有应用案例，但存在管理费用过高，在余额不足时对用户会造 成很多不便，且盗水现象严重。 ( 4 ) 无线发射式水表抄表系统是近几年兴起的新型技术，无线抄表对无线 通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高，同时对功耗 要求也很苛刻。现在的无线抄表方案存在着各种各样的弊端：g p r s 和g s m 无线 抄表设备昂贵，系统复杂，开发团难，且存在运行费用及费用分担问题：无线 抄表( 集中器方案) 需要增加集中器，增加成本，集中器放置问题一直得不到解 决i 踟。 1 3 本文研究的内容 本文所设计的智能抄表系统属于总线制抄表系统。从上述智能水表抄表系 统的技术介绍及应用现状来看，目前抄表系统的开发研制，都遵循计量准确、 读数直观、低功耗、数据安全性的原则。 关于计量准确和低功耗，一般涉及到传感装置的设计、元器件的选用、软 件的编制、信号传输、掉电保护以及抗干扰等许多问题。 武汉理工大学硕士学位论文 关于读数的直观问题，很多设计采用l c d 液晶屏显示，但是同时增加了系 统成本以及运行功耗。本抄表系统的基表是在传统水表的基础上改装研制，充 分考虑居民的习惯，用户从传统水表的表盘即可读取用水量，在管理中心，可 在计算机上查询显示。 关于数据安全性的问题，本设计采用一块水表内置一个采集器，并设计合 适的数据存储方式和数据传输方式。 本设计还包括上位机管理软件的开发。 全文共分五章，分别对抄表系统的各方面进行阐述。 第1 章绪论。主要说明课题设计的背景和实际意义，介绍了在抄表领域国 内外的技术发展历史、现状和未来趋势，提出所要进行的设计内容和任务。 第2 章水表集抄系统总体结构设计。说明系统的设计目标和所遵循的设计 原则，提出抄表系统的总体结构设想。对系统的各单元模块进行描述，包括远 传基表、采集模块、集中器、各单元之间通信和上位机管理系统。 第3 章水表集抄系统的硬件设计。在预定的设计思想和设计目标下对各单 元进行硬件实现。包括远传基表的设计、水表数据采集器和集中器的硬件设计。 第4 章水表集抄系统的软件设计。本章是针对系统功能进行的底层软件实 现，主要包括采集器和集中器的软件设计，同时定义了系统的通信协议，提出 了软件的抗干扰措施。 第5 章水表抄表系统管理软件设计。利用s q l s e r v e r 数据库和v c + + 工具 设计上位机管理软件，综述系统管理的要求和功能结构，对各部分功能进行设 计并给出了部分代码，主要包括库的设计、抄表功能和界面设计、通讯的实现 等。 1 4 本章小结 本章提出了本文的设计课题，介绍了与课题相关的技术发展现状，明确了 总线制抄表系统的设计思想，提出了设计所要解决的主要问题和相应的初步设 想，同时确立了本文的章节架构，以及各章节的主要内容。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章水表集抄系统总体结构设计 本章主要说明系统的设计目标和所遵循的设计原则，提出抄表系统的总体 结构设想。对系统的各单元模块进行描述，包括远传基表、采集模块、集中器、 各单元之间通信和上位机管理系统。 2 1 系统的功能目标和设计原则 2 1 。1 系统功能目标 本系统的设计是为实现小区内居民的用水管理，其目的是实现抄表工作和 管理的智能化，节约人力资源和管理成本，所要实现的功能需求主要有： ( 1 ) 远程抄表：集中抄取系统内水表的用水信息，单块水表读表响应时间 不超过0 5 s ，误差不超过o i t 。 ( 2 ) 水表管理：远程设置水表参数、地址、费率及其状态，水表状态异常 时报警，信号线接触不良或断线时，系统能够自动显示。 ( 3 ) 费用管理：要求实现用水居民费用的统计，查询、备份、报表、收费 单的生成等功能。 ( 4 ) 用户管理：管理用户信息，并与房间编号及水表地址对应。 ( 5 ) 管理权限设置：能够设定不同的管理操作人员及其操作权限，保障系 统运行的规范性和安全性。 2 1 2 系统设计原则 ( 1 ) 可靠性原则 可靠性是智能抄表的基本要求。在实际使用要求系统具有抗恶劣工作环境 的能力，无故障工作时间长。具体包括以下几个方面： 电源系统的可靠性设计 结构孥固，不易损坏 电路的硬件及可靠性 武汉理工大学硕士学位论文 软件的抗干扰和可靠性设计 系统故障的自保护、自检、自诊断设计 元器件与参数合理选择，老化筛选和部件、整体测试 ( 2 ) 实用性原则 实用性是至关重要的，实用性是个综合性概念，它包括了产品的设计开发、 生产销售和应用现场等诸多环节。对于一个民用产品实用性是首先必须考虑， 否则设计得最好，也没有市场。主要有： 系统生产的可行性，要求装配调试，检测方便 系统成本的可行性，要求性价比高，比国内、外同行有竞争力 系统应用的可行性，要求能适应现场各种工作条件，可靠性高，使用操 作简单，维护方便 ( 3 ) 智能化原则 智能化是抄表系统最大的特色之一。由于采用了微机系统，使系统具有数 据处理逻辑判断和信息存储的功能。在设计时，要选择性能先进、满足功能要 求的c p u 和足够容量的存贮器，并提供良好的硬件环境，这样智能化才能了基 础。 智能抄表系统之所以能智能地处理问题，主要是软件的功劳。因此智能性 原则必须充分发挥软件的作用，在设计中尽量采用软件来代替硬件完成一些功 能，特别是数据采集过程的控制，故障的检测报警等。在设计中还从软件的角 度，利用数据处理能力，数据存贮能力、逻辑判断能力等特长去开发一些新功 能。智能的表现之一就是自我管理能力，能自己检测和控制自己，使系统能在 操作人员尽可能少的干预下运行，在设计中应注重这一点。 智能另一表现是人机界面的友好性，要建立良好的人机界面。一方面要求 系统能输出丰富的宜于读取的信息，另一方面要求人对机的信息通道畅通，即 要求显示内容切换操作和参数设置操作简便，降低对操作人员知识要求，尽量 实现“傻瓜型”的人机界面。 2 2 系统结构 远程集中抄表系统是一种把多个分散单元信息( 远传基表) 准确传送至下一 个基站( 数掘处理中心) 的综合系统。它包括高精度的一次仪表获取信息，准确 6 武汉理工大学硕士学位论文 无误的媒介传输信息，高效快捷的计算机处理信息。因而一个远程水表集中抄 表系统主要是由远传基表、采集模块、集中器、主站( 数据处理中心) 以及将这 些设备连接起来的高效的、可靠的数据传输通信方式组成的系统。 远程集中抄表系统的总体结构框图如图2 - 1 所示。 2 2 1 远传基表 图2 - l 抄表系统结构图 远传基表由传统水表加装传感单元制成。在普通计量水表的表头制作了一 种特殊的芯片，该芯片由3 个电阻与2 个干簧管组成，水表里面的一个指针上 带有一块磁铁，当水表指针转到一个位置，恰好使干簧管与磁铁吸合时，每转一 圈水表就计数一次。可以根据实际需求设置不同精度，一般每计数一次用量为 0 0 0 1 t 。 脉冲传感器是由干簧管设计，使用方便、成本低、体积小、重量轻。在以 前的脉冲水表中是使用单干簧管，齿轮经过某一位置就发出一个信号。管道系 统中，经常发生液体瞬变流动，管流的流速、压力等参数均随时间变化，其变 化幅度取决于管流初始流态、管系特征、瞬变形成条件等因素1 9 j 。因流速变化而 会引起一系列急剧的压力交替升降的水力冲击，管道将发生剧烈震动和较大的 声响，这种现象称为水锤现象。在日常生活中，我们经常遇见水管剧烈抖动和 发出声响的情况，就是水锤现象。当指针恰好停留在干簧管闭合临界点时，这 种剧烈的抖动将造成干簧管片在短时间内频繁的吸合，发出大量的计数脉冲， 使计量精度大大降低。水锤现象产生的原因很复杂，与管道内壁的摩擦力、液 武汉理工大学硕士学位论文 体的压力和液体的流速均有关系，我们无法避免它的产生。 本设计采用双干簧管，即当检测到一个干簧管吸合时，先记录下来，只有 检测到另一个干簧管吸合后才认为信号有效。单一的一个干簧管即使多次闭合 也无效，从而解决了临界点颤动误发信号的问题。 2 2 2 数据采集器 数据采集器是以单片微机为核心的数据采集装置，用于采集检测表头数据、 实时数据存储、与上位控制器通讯。 在以前的抄表系统中，一个采集器连接多块基表，此为分线制抄表方式。 由于一次水表的信号是通过户线穿越较长距离到达采集器，如果户线发生故障 将使采集器采集不到数据，如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集 器上的所有户表数据丢失。随着科技发展，设备成本降低，将采集器与水表固 化在一起的总线制抄表成为可能。总线制智能水表由于采集计数工作单元均装 配在智能水表内并密封，本表的数据采集、处理、存贮等基础工作全在水表本 身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因 素对计量的影响。另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保 存( 仅影响本表数据的读出) ，也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时 该表总线出现故障，只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍 可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。 2 2 3 集中器 集中器作为中问层，是整个系统通信的桥梁，一方面它接收来自控制终端的 各种指令并下传到基表中的采集器，另一方面将采集器返回的各种数据上传到 控制终端，同时进行协议转换和基表的实时智能化管理。集中器是集中抄表系统 的中枢，集中器的质量影响整个抄表系统的水平，集中器通信效果的好坏不仅 取决于硬件，还依赖于通信规程和集中器应用软件的纠错能力。 根据现场施工情况，对于一般现代化小区，每栋楼安装一个集中器，可放 置在楼道设备间，连接本楼栋的水表与管理中心的通信。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 通信方式 在自动抄表系统中，采集器、集中器与抄表主机间的通讯是自动抄表系统 的关键所在。选择什么样的自动抄表方式十分重要，它关系到系统的造价，工 程量及维护量，甚至关系到系统工程的成败。实现集中抄表必须将采集器所记 录的用水信息以某种方式传递给集中器，再由集中器上传至管理中心，同时要 考虑到现场调试时的数据通信。 目前远程抄表应用的通信方式主要有： ( 1 ) 有线方式 抄表系统可应用的有线材质主要有光纤通讯和双绞线通讯【埘。光纤通讯具 有频带宽，传输速率快，传输距离远和抗干扰能力强等特点，非常适合上层通 讯网的要求。但是由于光纤本身成本较高，在建造智能小区时投资商会全面均 衡各方价格。但随着光纤技术的发展和广泛应用，自动抄表系统中有可能更多 地使用光纤。双绞线通信应用广泛，成本较低，目前典型的总线方式主要采用 r s 4 8 5 通信方式，优点是直接、通信可靠。 采用r s - 4 8 5 通信线与单片机结合起来控制信号和数据的传输成本较低，而 且技术成熟，简单，在通讯信道正常的情况下通信可靠、稳定，可以实现实时 通讯。这种方案里，通信规约是解决远程抄表的核心问题。 ( 2 ) 红外通信 在采集终端加上红外遥控收发器与手工抄表机相通信。用手工抄表机进行 遥控抄表，每次抄该采集终端中的所有水表数据，在抄了多个抄表模块的数据 之后，将抄表机中的数据送入计算机中去集中处理【1 1 】。这是一种半自动抄表方 式，由原来的一次抄一块水表升一级为一次抄多块水表，但还需抄表员拿着抄 表机到现场抄表。手工抄表机到采集终端的红外遥控距离一般在2 至5 m ( 3 ) 无线通讯 由装在每个抄表模块上的无线收发装置来实现，一般采用超短波频率发射， 有效距离从几百米到几十公里不等。对于分布分散的集中器，利用无线方式进 行数据通讯是一种较好的选择，但无线通讯式需要慎重选择频点，并需申请频 点使用权，运行费用较高“。 总之，通讯方式的选择是设计自动抄表系统的首要任务，它直接关系到系 统的性能。具体确定通讯方式时需要综合考虑系统面对的对象，用户的分布， 9 武汉理工大学硕士学位论文 用户的数量、地理条件、期望达到的目标以及系统的扩展升级和与其他网络的 兼容等等，因此上述的各种通讯方式不应该是孤立的，而且任何一种通讯方式 在不同的系统中的应用效果也不尽相同。 2 2 5管理层 管理层配备水表集抄系统管理软件。该系统是建立在s y s b a s es q ls e r v e r 数据库系统上的信息管理系统( m i s ) 。从功能上分为下列三个模块。 首先是数据采集与通信模块。这一部分主要涉及与集中器的通信和部分数 据库处理。除了正常的抄收采集器内数据的功能以外，还有根据数据库对集中 器和采集器做初始化、设置等种种操作。这一模块可以说是整个管理系统的基 础，所有数据都来源于该模块，对用户的控制也由这一模块完成。 其次是信息管理模块，这一模块是本管理系统的核心部分。从这里可以看 到整个小区的用水情况，可以具体到每块水表。根据这些信息可以得出每户居 民的当月用水量、历史用水量、水费、水表状况等。 还有一个输出模块，这一模块主要功能是输出各种需要的单据。虽然原理 很简单，但实际需要的单据多种多样，所以针对不同的需要，本模块可以输出 各种单据、报表，实现办公的自动化。 2 3 本章小结 本章阐述了水表集抄系统的功能目标和设计原则，提出集抄系统的总体结 构图，并分别阐述了远传基表、采集器、集中器在系统中的位置、功能以及设 计构想。在分析各种通信方式后明确了以有线方式结合r s 4 8 5 通信协议进行数 据传输的设计方向，同时提出了管理软件的功能部件设计。 1 0 武汉理亡大学硕士学位论文 第3 章水表集抄系统的硬件设计 在预定的设计思想和设计目标下对各单元进行硬件实现，主要包括远传基 表的设计、水表数据采集器和集中器的硬件设计。基表设计主要是传感器选型 和脉冲信号的处理，其根本目的是提高计量的准确性和运行的稳定性。采集器 和集中器利用p i c 单片机进行设计。 3 1 远传基表的设计 在组建自动抄表系统之前，先对自动抄表系统所要用到的远传基表类型和 原理作简要介绍，以便于对自动抄表系统有更全面的理解。在普通水表的基础 上经过技术改装而成的远传基表主要有以下几种类型： ( 1 ) 霍尔元件型。在基表旋转部件上加装感应磁钢，在与感应磁钢相对应的 位置上固定安装一只霍尔元件，即可构成基于磁电转换技术的传感器【”l 。霍尔 元件固定安装在基表的计数转盘附近，永磁体安装在计数盘位上，转盘每转一 周，永磁铁经过霍尔元件一次，即由霍尔元件输出一个计数脉冲。与光电传感 式相比，这种方式不会因污染而失灵，但极易受强磁场的干扰而不发信号，这 种传感器正淡出市场。 ( 2 ) 干簧管型。在普通转盘式计数的基表中加装干簧管和磁铁，干簧管固 定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一周，永磁铁 经过干簧管时，干簧管的簧片开闭一次，由此输出一个计量脉冲。其优点在于 无需耗电，但存在感应点的颤动而误发信号，以及外磁场和人为干扰等问题。 ( 3 ) 光电转换型。在基表的转盘处加装一个光电转换器，转盘上有一条槽， 转盘每转一圈，沟槽经过光电转换器时完成一次光电转换、输出一个计数脉冲。 这类传感器本身要耗电，不利于后备电池的微耗供电；且这类远传基表的反射 面受到污染时易引发工作失灵，反射面的边缘颤动也易引发错误信号等。 ( 4 ) 自保持开关型。这类远传基表是在某一字轮相对应的位置设置感应开 关k ，它是带自保功能的触点开关，在字轮上面设置两个不同特性的感应部件a 和b 。若a 头感应使开关打开了，开关就一直打开着。直到b 感应头转来后开关 武汉理i = 大学硕士学位论文 才闭合，直到a 头转来再次打开，形成严格的“开一关一开”的计量脉冲信号。 在基表基础上用自保持开关型原理改装的远传基表成功地克服了颤动、磁干扰、 耗电、引线多等缺点，仅用两条线就可以实现信号开、信号关、断线和短路四 种状态的检测，是目前最为理想的远传传感方式。 通过上面的介绍，我们知道具有发讯功能的远传基表是通过加装各种感应 探头组件来实现的。这种感应探头能够探知能耗基表机械转盘的转动，机械转 盘每旋转一圈。该感应探头便输出一个脉冲信号。将该信号脉冲记录并累计下 来，便能准确地反映转动圈数，从而达到将机械转盘数据转化为电信号的目的； 将转轴的圈数通过一定的计算，便能转化为相应的用水数据。 目前应用最为成熟的水表传感技术是采用干簧管，而对于应用干簧管存在 的临界触发问题。可以结合自保持开关型的技术，在转盘内安装两个干簧管a 和b ，再在传感电路上加装一个自保持感应开关，在正常用水的情况下，指针的 磁钢转到干簧管a 位置时，a 将闭合发出一个信号，使自保持开关打开，当磁钢 转离于簧管a 位置时，自保持开关仍然处于“开”的状态，当磁钢又转到与干 簧管b 位置上，干簧管b 闭合发出一个信号，使自保持开关关闭，磁钢离开干 簧管b 位置时自保持开关又保持“关”的状态，周而复始，当自保持开关一次 才发出一个信号传给i c 芯片，使其改变用水量，单独一个干簧管多次闭合都无 法使自保持开关的状态改变，也就是说不会有信号传入i c 芯片，使用水量改变， 有效地防止了临界点颤动误发信号的现象，而且在基表内加装有隔离罩，有效 防止外部或内部磁场干扰使自保持开关状态发生变化1 。 在本设计中，指针每转一圈对应用水量为0 0 0 1 m 3 ，即自保持开关每发出一 个信号，用水量增加0 0 0 1m 3 。 3 2 采集器的硬件设计 采集器在自动抄表系统中主要担负着用户基表能耗脉冲的采集、把采集来 的能耗脉冲转换为相应的能耗值，对转换后的能耗进行存储，根据需要与上一 级站点的集中器进行通信。这里需要进行采集器的c p u 选择，脉冲数据的采集 电路设计，能耗信息的存储设计，通信电路的设计，时钟电路的设计，故障检 测电路的设计，看门狗电路设计等任务。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 采集器o p u 的选择 采用单片机对脉冲进行采样和数据处理，并且完成通信等功能。单片机技 术在测量领域的应用促进了抄表系统向智能化方向发展，目前，c p u 的发展应用 趋于多样化，主要可分为8 位机和1 6 位机两种，8 位单片机的应用仍占主流。 单片机是整个电路的核心，单片机的选择要满足设备实际使用场合的要求，还 要适当的留出发展的余量。 选择单片机的主要出发点是以下几个方面： ( 1 ) 选择自己所熟悉的单片机品种，使用自己熟悉的品种开发研制产品可 以明显的缩短开发时间，节省开发成本。 ( 2 ) 选择满足功能设计要求的品种。主要根据实际使用状况，重点要求功 耗要低，有较强的控制和通讯能力，以及充足的数据储存空间。 ( 3 ) 选择可靠性高、抗干扰性强的品种，由于集成度比较高的芯片可靠性 也比较高，所以选择时要注意这一点。同时要选择抗干扰性强的芯片是因为现 场的情况比较复杂多变，难以控制。 ( 4 ) 选择性价比高的品种，作为一个商业产品，要在激烈的市场竞争中有 一席之地，价格因素是首要的条件，所以这是一条必须要考虑的条件。 ( 5 ) 选择流行且易于采购的品种，流行的品种不但可以保证稳定的货源保 证，而且价格可选择余地，可以得到丰富的资料，易于得到足够的技术支持， 缩短开发时间。 综合以上几个方面的考虑，结合实际的情况，选择m i c r o c h i p 公司的 p i c l 6 f 8 4 芯片是比较理想的选择。下面就简单的介绍一下p i c l 6 f 8 4 单片机的性 能特点： ( 1 ) 高性能r i s c 结构c p u ；精简指令集3 5 条单字节指令；执行速度d c 2 0 0 n s 。 ( 2 ) 1 k 字节的程序存储器，6 8 字节r 删，6 4 字节的e e p r o m 。 ( 3 ) 多种硬件中断和直接间接相对三种寻址方式。 ( 4 ) 功能部件特性：高驱动电流，i o 脚可直接驱动数码管( l e d ) 显示；每 个t o 引脚最大拉电流2 5 m a ，每个i o 引脚最大灌电流2 0 m a ：内置上电复位电 路( p o r ) ；上电起振定时器( o s t ) ，保证振荡稳定建立；1 8 m s 上电复位定时器保 障正常复位：自振式看门狗；程序保密位，可防程序代码的非法拷贝；0 5 u a 低 武汉理工大学硕七学位论文 功耗睡眠模式，低功耗睡眠功能。 由以上分析p i c l 6 f 8 4 单片机的性能特点可以看出，它的高速度、低价格、 低功耗、低电压工作、抗干扰性好、易于开发使用等众多优点使它成为采集器 的设计中优选对象。p i c l 6 f 8 4 单片机外形见图3 一l 。 r a 2 _ 一 r a 3 - r a 4 f f o c k i - m c l r 一 v s s 一 r b 明n t r 5 _ - + r 8 2 一 r 8 3 一 碧 毫 蕃 _ - + r a ，r a o o s c ，虻l k i n 一o s c 2 f c l k o u t - - 一v d o 一r b 7 _ 一r 6 8 一r b 5 _ r 附 图3 - 1p i c l 6 f 8 4 单片机外形及引脚图 3 2 2 脉冲信号的采集 p i c l 6 f 8 4 中有一个定时器，此定时器也可用于计数，因此称为定时器计数 器，符号为t m r 0 ，输入引脚为t o c k l 。t m r 0 可用于对外部事件计数和检测 等场合，是一个8 位增量计数器。它在数据存贮器中的地址为0 1 。若t m r o 对 内部系统时钟的标准脉冲系列进行计数时，就成为定时器；对外部脉冲进行计 数时t m r 0 就成为计数器。其工作方式由数据存储器中的项选寄存器o p t i o n 控制。t m r 0 的工作方式是由o p t i o n 寄存器中的d s ( a pt o c s 位) 确定。当 t o c s = o 时，工作于定时器方式；当t o c s = 1 时，工作于计数器方式。而作计数 器时，则在每个r a 4 f r o c k i 引脚上电平变化时加1 。o p t i o n 寄存器的位4 ( t o s e 位) 决定外部脉冲的触发方式，当t o s e = i ，下降沿触发；t o s e = 0 ，上升沿触发。 当t m r 0 内部计数器发生计数溢出( 从f f h + o o h ) 时，溢出位送入中断控制寄存 器m c o n 。 根据设计，指针每转一圈，自保持感应开关发出一个脉冲信号，脉冲信号 经过光电转换后从t o c k l 引脚输入。t m r 0 对脉冲计数，由于计数器宽度仅有8 位，最多只能计数到2 5 6 ，因此要用软件对该计数器进行扩展，当一次计数溢出 时，向c p u 请求中断，计数器清零，数据存储器内用水量增加0 2 5 6 t 。不管是 定时还是计数方式，t m r 0 在对内部时钟或对外部事件计数时，都不占用c p u 8 7 6 s 4 3 2 ，o 武汉理工大学硕士学位论文 时间，除非t m r 0 溢出，才可能中断c p u 的当前操作。因此一般在用水时，c p u 可以处于休眠状态，由中断唤醒，可以大大降低系统功耗，延长电池使用寿命。 脉冲信号连接单片机引脚r a 4 ，见图3 2 。 3 2 2 时钟系统 图3 2 脉冲信号采集电路图 p i a 6 l h p i c 系列单片机设计了4 种类型的时基振荡方式可供用户选择：标准的晶体 振荡器陶瓷谐振器振荡方式x t ；高频的晶体振荡器陶瓷谐振器振荡方式h s ( 4 m h z 以上) ；低频的晶体振荡器陶瓷谐振器振荡方式l p ( 3 2 7 6 8 k h z 以上) ： 外接电阻电容元件的阻容振荡方式r c 。用户在利用程序烧录器，把已经调试成 功的用户程序，对单片机进行程序固化时，同时通过定义系统配置字的位0 ( f o s c o ) 和位1 ( f o s c l ) ，来选定其中的一种振荡方式。 考虑系统实际运行速率要求不高和低功耗的要求，选择电流消耗最小的l p 方式，系统配置字位0 和位1 都为0 。 10 s c ir 、 j l 申3 n 札 。t i k o s 口 图3 - 3 单片机外部时钟系统 在时钟振荡器电路中，由片内的一只反相器g 1 ( 借助于一只偏置电阻r f 使 其工作于放大模式，r f 为1 0 mq ) ，与外接的一只石英晶体和两电容共同构成的 武汉理工大学硕士学位论文 一个自激多谐振荡器。当执行睡眠指令s l e e p 时，该三态门输出端呈现高阻状 态，令时钟电路停振，从而迫使单片机的绝大部分片内电路停止工作，进入低 功耗模式，以达到节电目的。此设计中，石英晶体晶振频率为1 6 m h z ，电容为 1 5 p f 。 3 2 3 复位系统 复位是单片机的一项重要操作内容，目标是确保单片机运行过程有一个良 好的开端，确保单片机运行过程中有一个良好的状态。 ( 1 ) 上电复位 由于抄表系统的单片机大部分处于睡眠状态，只有外部事件产生中断请求时 单片机才被唤醒。每次单片机加电时，上电复位电路都要对电源电压v d d 的上 升过程进行检测。当v d d 上升到规定值1 6 1 8 v ，就产生一个有效的复位信号， 需经7 2 m s + 1 0 2 4 个时钟周期的延时，使单片机 复位。 为了充分利用好p i c l 6 f 8 4 单片机内自带的 上电复位功能( p o r ) 电路来简化芯片外围电路， 可以直接通过一只i o k 电阻把复位引脚与正电 源v d d 相连，如图3 - 4 所示。有了片内集成的 p o r 功能，就可以节省通常建立外接电路所需要 的阻容延时元件。 ( 2 ) 看门狗复位 图3 - 4 上电复位引脚连接图 不论何种原因，只要没有对看门狗定时器w d t 进行周期性的、及时的清0 ， w 1 ) t 就会出现超时溢出，从而引发单片机复位。依据单片机在看门狗超时溢出之 前所处的状态是在睡眠还是在执行程序，又可以将看门狗超时溢出分为两种情 况。但对于抄表系统，只有在单片机执行程序期间，看门狗发生超时溢出，才