（模式识别与智能系统专业论文）智能远程水表通讯控制器设计研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：互盈日期： 为i 口哏6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 气 巧硫导师签名： 日期： 摘要 摘要 随着我国城镇建设的不断发展，传统人工抄表统计的水费方式因为其劳动强度大、 抄表收费人员工作条件差、效率低、劳动强度大已经不能适应现代化企业管理的需求。 人工抄表、人工收费、手工结算开始逐渐被智能远程抄表系统所实现的一站式管理所替 代。新型的智能远程抄表系统可以实现对小区住户每户的用水量的数据自动采集、传输、 存储、统计、计费的一体化管理，智能远程水表通讯控制器是应用于智能水表远程系统 上面的，实现对水表数据的远程传送。 首先，本文分析了智能远程水表技术在国内外研究和发展现状，接着结合课题对系 统的各方面环境和需求进行了详细的分析，并在此基础上，进行了系统方案的总体设计。 在系统方案的整体分析中，首先在整体分析的基础上对系统整体需求和结构做了分 析，了解通讯控制器需要实现的功能，在此基础上对设计出硬件各功能模块，为接下来 的硬件和软件设计做好了铺垫。 在介绍完总体设计方案后，从器件选型、电路原理设计、印刷电路p c b 板图绘制等 方面，详细地描述了硬件电路板的设计过程。最终制作选择以微控制器a 1 1 m e g a l 2 8 为 核心，外围电路包括输入模块、输出控制模块、s p i 通信接口扩展模块、嵌入式m o d e m 接口模块、u s b 接口模块等在内的多种模块组成的智能远程通讯控制器系统的硬件电路 板。 在硬件设计的基础上，本文进行了系统软件的设计与实现。首先根据功能需求进行 软件的总体结构设计，划分了系统的各个软件实现模块，并完成了各个功能子系统的软 件编程。论文所设计的通信控制器可同时运用多种手段进行远程通讯。 在硬件设计和软件设计的基础上，论文对整个通信控制器做了各功能测试，以确保 整个系统可正常工作。 在论文的最后对这次的课题研究工作做了总结，并指出了未来在本课题研究中的发一 展方向。 关键词：嵌入式m o d e m ，远程传输，水表，m e g a l 2 8 ，s p i 扩展，通讯网络 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt l l ec o n t i i m o u sd e v e l o p m e n to f b 锄c o n s 仃u c t i o n ，t h et 忸d i t i o n a lm 锄u a lm e t e f “勉d i n gs v s t 锄c a n n o tm e e tt h en e e d s “m o d e n l 饥t e q 砸s em 锄a 静n 锄tf i o ri t si n t 饥s i v el d b o r p o o rw o f l ( i n g 锄、，i r 0 姗锄t ， l o we 伍c i e i l c ya l lt l l 嚣em 舳u a ls y s t e l n si 1 1 c l u d i n gm 锄u a lm 积r d i n 舀m 锄u a lc h a r 酉n 吕m 觚u a l c o m p u t i n gb e 西nt ob er 印l a c e db yi l l t d l i 咎舭r 锄0 t em e t e rr 翰d i n gs y s t 咖t h en e wi n t e l l i g e n t 撒n o t e m e t e fs y s t e mc a na c h i e v em ei i l t e 伊a t i v em 觚a g 锄e n to fp 盯h o l l se _ h o l d s 、a t e rc o n s 啪p t i o nd a t a c o n e c t i ，t r a 【l l s m i s s i o n ，s t o r a g 岛s t a t i s t i c s ，d m r g i n ga u t o m a t i c a l l y ，t h ec ( 疆m n u i l i c a t i o nc o n t r o n 盯o f i n t c l l i 萨l t 豫n o t ew a t 盯m e t 日i s 印p l i e di nt h es y s t 锄t oa d l i e 、r e1 0 n 分d i s t 锄c e 仃i m s m i s s i o fm e t e rd a t a f i r s t l y ，m e 懈髓r c h 锄dt h ed e v e l 叩m 钮ts t a t l l so fm ei n t e l l i g tm e t e rte c _ h n o l o g yb o t hh o m e 锄dd b r o a d a r ea n a l y z e d ，t h ew h o l e 鹊p e c t so ft l l eb a c k 孕d u n da n dt l l en 。d so ft h es y s t 锄a r ed i s c u s s e di nd e t a i l sw i t h t h ep 1 0 | p o s a lo ft h i s 髑髓r c h ，b 觞e d t l l 嚣e 锄晤l y s i s ，t h eo v e m l ld 髂i g no ft h es y s t e mi sd e 、，e l o p e d i nt 1 1 ep i o c 髓so fo v e r a l ls y s t 锄d 骼i 粤l i l l g ，a tt l l ek 雀亘n n i n g ，t h er 以l u i 豫n e n t sa n ds t r i l c t t l r eo ft h es y s t e m a 聆d i s 饥s s e db a s e d t l l eo v 锄l l 锄a l y s i st o 珊d 懿t 觚dt h e 劬嘶。璐n l a ta r e9 0 i n gt ob e 砌砌b y c 咖m 咖i c a t i o nc 咖1 l 瓯n a ht l l ef u n c t i 蚀m o d i l l 骼a 坞d 岱i 弘c dw i l i c hi st l l eb a s 锄e n to ft h e f 0 l l o 丽n gd 铭i 朗o f b o t hh 矧i w a r e 锄ds o 脚a r c s 鲫n d l y t h ed e s i g n 眦伪so ft l l eh 缸小a r ec i r c u i tb o a r di sd i s c t l s s o di nd e t a i l s 丘o ma u 鹤p e c t si l l c l 砌n g d e 、，i c es e l e c t i 吗s c h 锄撕cd e s i 鲈，曲t c d 洳i t 洲s ( p c b ) d r a 谢n 岛e t c 丘n a l l y ，戚n ga t m e g a l 2 8 m i c r o c 伽n d l l e r 舔t 1 1 ec o 他，t h eh 眦l 删r ec i ：r c l l i tb i r do ft h ei n t e l l i g e n t1 0 n 鲥i s t a l l c ec ( m m l u n i c a t i o n c o n 臼同s y s t 锄i s 豫d i z e d 、) l ，! h i c hi s 部i s to fi n p mm o d i l l e ，t l m tc 打dm o d l l l e ，s p ic 删皿l l n i c 撕 i n t 盯伍c e 懿t 伽s i m o d u l 岛锄1 b 酣d 。dm o d e mi n t e 娟脱m o d u l 岛u s bi n t 髓f a m o d u l e e t c a l i it l l eb 鹊i s0 ft h eh a r d w a r ed 鹤i 朗，t l l es y s t e ms o 脚a i sd e s i 弘c d 锄dr 铭l i z e d f i r s t l y ，m ew r h o l e s 仃u c t i 鹏0 ft l l es o 脚a r ei sd 俗i 印e d c 删n gt on l e 缸l c t i o n a lr e q u i r a n e n t s ，t h 饥，a l lt h es i n 西es o f h a r e m o d u l 伪o ft h es y s t 锄a 托d i v i d e 也6 n a l l ma l lm es 订b s y s t 锄s o 行w a r ep r o g 馏m sa r ei m p l 锄e n t e d t h e c o m m u n i c a t i o nc 0 i l 仃d l l 盯d e s i g n e dc a na c h i e 、，et h el 伽g d i s t a n c ec 0 衄脚棚1 i c a t i o ni nd i 丘矗e n tm e t h o d s f i n a l l y o i lm eb a s i s0 fm eh a r d w a r ed e s 啦锄dh a r d w 撇d e s i 鹘m e 伽l 臼同l 盯i st e s t c di nd i 脓嘣 f i l n c t i si no r d ht 0e n s u r en l a tt h ew h o l es ) ，s t 锄w o r i 【sp i 删y t h ec c l u 8 i o no f t h i sp 啊e c ti sm a d ea tl a s ti nm i s 肼i p c r ，髓dd i r e c t i 6 no f d e v e l o l m l e n ti nt h i s 懈朗r c hi s d i s c u s s e da t 圮s 锄et i m e k e y w o r d s ：m o d e m ，m e g a l 2 8 ，i n t e l l i g e n tw a t e rm 就c r ；c o m 姗m i c a t i o 船c o n 缸d 1 1 s 甜a l p o n e x p a l l s i o n i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j i 之i 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 智能水表的研究现状和发展状态2 1 2 1 智能远程水表国外发展现状2 1 2 2 智能远程水表技术国内发展现状2 1 2 3 智能远程水表应用推广前景3 1 3 本课题的研究内容4 1 4 本文的章节安排5 第二章系统总体需求及设计6 2 1 通讯控制器总体概述6 2 1 1 通讯控制器的应用6 2 1 2 系统应用环境以及参数8 2 1 3 硬件功能需求8 2 2 系统方案总体设计9 2 3 本章小结。9 第三章系统硬件设计一1 1 3 1 系统概述及硬件结构1 1 3 1 1 系统硬件概述1 1 3 1 2 系统硬件结构分析1 1 3 2 微处理器模块设计1 2 3 2 1 微处理器选型。1 2 3 2 2 微处理器资源分配1 3 3 3 存储器扩展设计1 6 3 4 输入输出信号处理设计1 8 3 5 远程接收端通信电路设计1 8 3 5 1 r s _ 4 8 5 通信电路设计1 9 3 5 2嵌入式m o d e m 模块设计1 9 3 5 3r s 2 3 2 通信扩展设计2 0 3 5 4u s b 通讯电路设计。2l 3 6串口扩展模块设计。2 3 3 7 抗干扰防雷电路设计2 5 3 8 电源设计2 6 3 8 1 系统电源2 6 3 8 2 充电电源电路分析2 7 3 9n a g 接口电路和相关环境2 8 3 1 0 印刷电路板设计2 8 3 1 1 本章小结2 9 第四章系统软件设计。3l 目录 4 1 系统软件概述及软件结构3l 4 1 1 系统软件概述。3l 4 1 2 系统软件结构3 l 4 2 主程序软件设计。3 4 4 3 系统的初始配置3 5 4 3 1 a v r 的熔丝位和锁定位及相应配置3 5 4 3 2e e p r o m 读写3 6 4 3 3 系统初始化配置3 6 4 3 3 定时器及看门狗配置3 7 4 3 4 系统中断设计3 7 4 4 输入输出软件设计与实现3 8 4 4 1 输入部分设计实现一3 8 4 4 2 输出部分设计实现3 8 4 4 3 状态指示灯的输出逻辑。3 9 4 5r s 2 3 2 通信设计与实现4 0 4 5 1r s - 2 3 2 通信初始化4 0 4 5 2r s - 2 3 2 通信的数据收发4 0 4 6r s - 4 8 5 通信设计与实现4 0 4 7m o d e m 远程通信的设计与实现。4 1 4 7 1 m o d e m 状态。4 l 4 7 2a t 指令和s 寄存器4 3 4 7 - 3嵌入式m o d e m 通信的数据收发和流程。4 6 4 8s p i 扩展通讯4 9 4 9u s b 通讯设计与实现5 2 4 1 0 本章小结5 2 第五章调试5 3 5 1 硬件测试5 3 5 2 软件测试5 3 5 3 m o d e m 模块功能测试5 4 5 4 通讯控制器通讯模式测试5 4 5 4 1 通讯模式一测试5 4 5 4 2 通讯模式二测试5 4 5 4 3 通讯模式三测试5 4 5 4 4 通讯模式四测试5 4 5 4 5 通讯模式五测试5 5 5 4 6 通讯模式六测试5 5 第六章结束语5 6 一、主要工作5 6 二、心得体会。5 6 三、展望5 6 j 致谢：；7 参考文献。5 8 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 附录1 系统的硬件原理图。6 1 附录2 通讯控制器主控板p c b 图6 2 i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着社会的不断发展，各种方式的智能水表逐步进入了千家万户，尤其是现代建筑 业的发展，许多开发商在设计小区的时候，都开始倾向于设计绿色环保智能型新型居住 小区，而且随着自然资源的不断开采，我们越来越意识到水资源，作为人体不可缺少的 元素之一，它的重要性。中国作为一个人口大国，每天需要消耗的能源量很大，水资源 又是不可再生资源，人均占有量非常的有限，所以节约用水已经成为我国当前需要给予 高度重视的措施之一。节约用水，不仅仅表现在需要人们养成同常的生活习惯，还需要 国家开发新技术，加强科学化管理，监测用水信息，控制人们的用水量，所以研发一种 先进便捷的水表管理系统和具有低功耗、计量准确，便携的智能水表就显得十分的重要 【1 1 o 智能远程水表最早出现在美国、德国等西方发达国家，国内的许多使用年限比较久 的小区罩面的住户使用还是传统的机械式的水表，需要人工抄表结算。传统人工抄表统 计的水费方式存在很多弊端，比如： 1 ) 抄表工作劳动工作量大，效率低； 2 ) 入户进行抄表收费的方式难度大，经常会遇到业主不在家，同时也存在安全隐患； 3 ) 不适合统一管理。所以这种其劳动强度大、抄表收费人员工作条件差、效率低； 劳动强度大的抄表方式已经不能适应现代化企业管理的需求，国家也明确颁布规 定，要大力推进智能化小区建设，推广“应用户外计量( 包含水，电，暖，气) 技术 【2 】。随着通信业的发展，人工抄表、人工收费、手工结算开始逐渐被智能远程抄表系统 所实现的一站式管理所替代。有关管理部门只需将管理职责交给小区物业或者其他机 构，实行统一化管理就可以完成计量收费，大大节省人力、物力和财力，而且还可以实 时监控各个地区的耗水量，同时还可以将收费统一交给银行，实行银行卡自动定期收费 结算，即方便了用户，也方便了自来水公司。所以智能远程抄表系统以其高效的用水量 数据采集，数据传送以及费用结算，为广大的水电公司以及智能化小区所应青睐。 我国目前的智能化水表新产品开发基本上是借鉴国外的先进模式，国外在此方面的 研究起步比较早，美国一些大公司的水表使用充电电池，能显示同期，还具有按键读数， 直接按键就能显示当日每家每户的用水量，并且配备机械式跟电子式两种读书方式，同 时配有l b m p c 兼容机接口，可以使用电话通信；德国的s 锄e c o 公司的新型水表可显示 上一年与本年度的用水量以及日期与时间等，并开发电卡式水表；国内的一些企业也对 多种智能化水表项目作了研究，研究含有微计算机或微处理器的仪器仪表，具有对数据 的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，但在功耗、可靠性等方面效果并不理想， 因此并没有投入大批量的进行生产p 】。 随着研究的不断进步，新型的智能远程抄表技术正向着智能化，网络化，人性化的 方向不断向前，目前整个远程水表系统系统包括用于计量的水表，采集水表信息的集中 器，实现大量数据远程传送的通讯控制器以及位于水站的下位机系统，从而实现对小区 住户每户的用水量的数据自动采集、传输、存储、统计、计费的一体化管理。 从国内外水表测量行业的目前情况以及水资源的可持续性发展目标来看，我国的传 统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。本课题就是在综合了国内外水表的 发展现况和发展趋势的情况下提出的。因此在市场的大需求下，开发出一种智能化程度 更高，更加可靠易用的智能远程抄表系统网络，将有助于智能水表的进一步推广和应用， 东南大学硕十学位论文 有利于生产厂家提高产品的技术含量，抢占市场份额，创造更多的价值4 1 。 1 2 智能水表的研究现状和发展状态 1 2 1 智能远程水表国外发展现状 国外的智能抄表技术起步的比较早，集中大规模抄表技术应用的也比较早，而且发 展的也比较深入，并且已经可以投入大规模的生产，智能集中抄表技术也得到了广泛的 应用，在一些发达国家技术应用已经非常的全面了。对于适合于远程集中抄表的智能水 表而言，国外几家大水表公司，这些公司定做了一体化芯片( 将采集、存储、传输电路 集成于一体的专用芯片) ，固件到表体上，这种水表由于采集计数工作单元均装配在智 能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存储等基础工作全由水表本身完成，上位机 不参与底层数据采集，仅进行通信联系，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，当总线出现断电等于扰的时候，不会影响单表数据采集和保存，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，只需重新连接好总线，不 需要重新设置参数，水表的真实读数仍可继续读出，这样安全性、稳定性是可以得到保 障，但是成本较高，推广普及较慢【5 j 。国外的很多大公司和研究所已经开发出了相对应 用于电力线载波技术的器件和元件，例如i n t e l l o n 、n o m s o n 、a l m e l 、e n i k a 、n a t i o n a l 等大公司，电力线载波技术的关键是电力线载波专用芯片，这些大公司已经具有能力生 产出这种专用芯片，使远程集中抄表和控制变得可靠，例如瑞典a b b 公司开发的无线发 射式水表，除安装常规数据采集、处理、存储模块外，另设置无线发射装置，通过远程 接收装置接收信号，此种水表不需敷设线路和线路维护、安装方便，但是这种无线发射 式水表占用频率点需长期交付一定的租用金和管理劐6 。 1 2 2 智能远程水表技术国内发展现状 目前国内的水表计量等级精度也有待提高，水表国际标准为i s 0 4 0 6 4 ，按照精度从 低到高，分为四个计量精度等级，分别为a ，b ，c ，d ，而我国现在的水表行业国家标 准为g b t 7 7 卜1 9 9 6 。一般的水表合格品等级为a 级，但是国家上大多数都是b 级水 平，并且不断向c 级发展，不少西方发达国家已经开始推行c 级标准，而像英国等国 家要求更高，开始批量生产d 级水准的智能水表。所以国内用户在a 极水平上是需要 大大提高的，要不断的往b 级发展。国内水表行业要紧跟着国际标准i s 0 4 0 6 4 的步伐向 前，尽快做到国际水平与国内水平接轨，我们国家是一个水表生产大国和水表出口大国， 所以要以国际i s o 水平为标准，提高水表等级精度【7 】。 而国内的水表读取方式，也在不断的改变，正向着信息化，数字化和自动化方向不 断的发展，目前国能流行的读取方式有：直接读取，远传读取，集中抄表，i c 卡预存式 以及正在试验的物业管理系统智能网络远程读取方式等。 智能水表( 如各类卡式水表) 发展，目前还存在不少问题，各家有各家的优点，但 往往避免不了有这样那样的问题，总体看有水表质量上和使用服务上两大问题，质量上 有产品自身设计、生产工艺及电子元器件等原因，使用上也需要考虑使用环境以及售后 服务问题，还要考虑由于使用不当或环境影响等造成的质量问题，所以智能水表还有待 不断地努力开发和改进，在技术、质量和服务等几个环节上都需要不断的发展，才能形 成较大的发展局面8 1 。 相对于国外以及比较先进的远程集中抄表和智能化水表的发展程度，我国在这方面 的技术起步较晚，但是发展十分迅速。r s - 4 8 5 总线传输方式已经广泛应用在集中抄表系 统中，在我国一些大中城市，无线传输抄表方式也广泛使用，经过技术的改进，这种抄 表方式已经取得了明显的效果；电力线载波技术更是发展迅速，尤其在电能表自动抄表 2 第一章绪论 方面使用最多。针对传统水表出现的缺陷，我国市场上出现了各种各样的智能化水表【8 1 ， 具体分类如下图所示： 图1 1 水表系统分类图 最早出现的是磁卡式水表，这种水表是i c 卡智能水表最早出现的形式之一，但是由 于存在磁卡容易失磁而不能继续使用的问题，这种水表计费方式很快被淘汰。九十年代 初期，i c 卡智能水表成为研究的重点，但是当时水表中电路的主控芯片功耗大、数据采 集精度、水表阀门的质量和缺乏国家行业的统一标准等问题使早期的i c 卡智能水表发展 和推广比较缓慢例。随着计算机技术、信息技术、微电子技术、传感器技术的进步和不 断发展，也促使了i c 卡智能水表迅速发展。现在的i c 卡智能水表主要有：触式i c 卡智能 水表、非接触式i c 卡智能水表等。 远程水表系统实现将用户的用水量信息直接远程传送给置于水站的上位机系统，目 前我国主要有总线式远程水表，分线式远程水表，无线传送，电力载波传送等等。无线 远程水表需要设置无线发射装置，通过远程接收装置接收信号，这种水表优点是不需要 铺设线路以及后期的线路维护，并且安装也非常方便，缺点是故障率大，需要大量的售 后维修工作。分线式智能远程水表是最近几年比较流行的一种形式，主要采用远程抄表 技术，它由水表，数据集中采集器，信号传输线等部分组成，多个采集器采集到各个水 表的数据，并联传送到集中器，再通过集中器将数据通过信号传输线传输到系统终端。 这个技术目前已经比较成熟，但是分线式远程水表需要不问断的电源供电，一旦中途断 线，数据容易丢失，这样会造成后期维护费用增大，而总线式远程水表多数采用m b u s 通讯，m b u s 是一种低成本，一点对多点的总线通讯系统，具有通讯设备容量大( 4 0 0 点) ，通讯速率高( 9 6 0 0 b p s ) ，成本低，设计简单，布线简便( 无极性可任意分支，普 通双绞线) ，抗干扰能力强，并总线可提供高达5 0 0 n 认电流的特点，使用m b u s 总线可 以保证总线故障的时候其它部分正常工作，因此不用担心如果电源掉电会造成数据丢失 的情况，m b u s 总线模式目前已经广泛用于智能化系统网络【l o 】。 1 2 3 智能远程水表应用推广前景 我国正在不断加速城镇设施的建设步伐，城镇人口也在快速的增加，从而造成了水、 电、气的使用量的大大增加，也造成了管理工作的越来越复杂，因此在管理过程中已经 出现了多种弊端，已经不能满足不断加速的城镇建设的需求。所以针对目前的水量计量 3 垄堕叁兰堡：兰兰篁堡苎 收费方式而言，智能远程抄表技术主要具有以下优点： 远程定期采集数据，解决了入户抄表和i c 卡计费抄表方式的低效率问题，可以 有效提高自来水公司的用水量管理和管理效率。 统一结算，可以跟银行或者小区物业合作，直接代理扣费，减少了人工操作， 降低了成本，也方便了居民。 这种新式水表可以防止电磁干扰等造成的计量不准确，解决了长期以来个别用 户偷水、漏水的现象。 方便有关部门随时监控城区用户用水现状，统一化管理。 相对目前国内的远程水表研究，多数是在集中器上直接设置r s - 4 8 5 接口，使用 r s 4 8 5 通讯直接将数据传送回小区物业或者水表公司，但是这种情况需要小区物业或 者水表公司在距离小区1 0 0 0 米以内的地方，而这种情况是很难实现的，因此就需要使 用新型的通讯手段，即能满足短距离数据的传输，也能满足长距离数据的传输。 在社会和经济的飞速发展下，我国传统的水表水量计量和抄表管理模式已经不能适 应目前的局势了，在这种情况下，远程集中抄表系统和智能水表网络的推广使用，符合 国内外水表和抄表管理模式的发展状况以及未来的发展趋势，具有很好的推广前景。 1 3 本课题的研究内容 远程抄表系统由表头采集到的信号，通过m b u s 总线，传输给集中器，集中器配 有r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 串行接口，然后再与通讯控制器相连，通讯控制器采集各个集中器传 来的水表数据信息，通过m o d e m 或者u s b 接口或者r s 2 3 2 接口，与计算机终端进 行通讯。通讯控制器是构成自动抄表系统的重要组成部分，控制着这个智能水表的数据 传送网络。如下图所示： 集中器 掖态水表 r s 4 8 5 传输 图1 2 通讯控制器与集中器计算机终端关系图 4 笙二童堡坠 本课题主要研究智能远程水表通讯控制器的实现，通讯控制器在整个智能远程水表系统 中起着承上启下的作用，它即连接着集中器，有连接着远程终端。 主要研究内容如下： 智能水表通讯控制器的工作原理研究； 完成通讯控制器的电路图设计； 完成通讯控制器p c b 版图设计； 完成通讯控制器软件的设计； 调试整个系统，实现通信控制器与采集器通讯，与终端通过电话网进行通 讯。 1 4 本文的章节安排 本课题的任务是设计实现一个在应用于智能远程水表系统的水表通讯控制器，论文 介绍了通讯控制器的设计思路、方案、方法实现。 第一章是引言，介绍该课题的背景和意义，目前国家和行业的相关标准和发展现状， 课题需要研究的内容，同时简要介绍了课题所需要涉及的主要理论和技术。 第二章是系统总体需求分析及设计，在系统应用环境分析和需求分析的基础上，给 出系统的总体设计方案。 第三章是系统硬件设计。从系统的需求出发，在系统总体设计的基础上，进行系统 硬件设计，并依此对系统的硬件各个组成部分进行详细设计与实现。 第四章是系统软件设计。在系统总体设计和硬件设计的基础上，进行系统的软件设 计，并依此对系统的软件各个组成部分进行详细设计与实现。 第五章是通讯控制器的调试。 最后对系统的开发过程做了一个总结，介绍作者在其中所承担的工作，研究心得和 收获，以及仍然存在、可以进一步研究解决的问题。 5 东南大学硕i ：学位论文 第二章系统总体需求及设计 需求分析是整个课题设计重要的组成部分，在系统设计前，需要对用户需求把握清 楚，如果不清楚用户需要什么就忙于设计，这样势必造成时间人力物力的浪费，整个课 题也不能获得成功。 2 1 通讯控制器总体概述 智能远程集中抄表系统是集微电子技术，自动控制技术，通讯技术，信息传输技术 等于一体的智能化网络系统，智能远程水表成功丌发，可以大量节省人力物力，因为无 需工作人员亲自到场，只要利用终端计算机将小区住户的用水信息直接由通讯网络传送 回来，并且利用软件对数据进行结算、分析。通讯控制器在整个水表系统起到完成数据 通讯的作用，并且在实际的使用中，可以采用多种通讯方式，是整个水表系统更加完善 【1 1 】 o 整个智能远程水表系统设计应该主要考虑一下几个方面： 1 ) 可以根据用户需求建立数据传送网络，选择有线传送或者是无线传送。在比较短 的距离可以选择r s 2 3 2 ；稍微长一点的可以选择r s _ 4 8 5 ；在传输距离很长的时候，可以选 择利用电话网络直接传送。 2 ) 可以提供水电公司可以实现定时自动抄表结算，减少人工工作量，提高经济效益。 3 ) 提高产品性价比以及市场竞争力。 4 ) 由于产品安装在户外，需要考虑环境因素对产品的影响，要做到后期维护方便。 5 ) 系统应该具有扩展功能，根据具体情况的要求，应该可以对整个系统的通讯功能 做扩展。 2 1 1 通讯控制器的应用 智能远程自动抄表系统由水表、集中器、通讯控制器、传输网络和抄表系统管理 中心等几大部分组成。 远程抄表系统由表头采集到的信号，通过m b u s 总线，传输给集中器，集中器配 有r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 串行接口，然后再与通讯控制器相连，通讯控制器采集各个集中器传来 的水表数据信息，通过r s 4 8 5 、r s 2 3 2 或者m o d e m 、u s b 接口，与计算机终端进行 通讯。下面对智能远程水表的各个组成部分进行简单的介绍： 1 ) 上位机系统 在水电公司或者小区物业安装管理系统，上位机系统是一个软件管理系统，需要一 台计算机和一个调制解调器( m o d e m ) ，可以利用m o d e m 进行拨号通讯，实现对用户 的集中抄表。系统管理软件应该具有数据库管理模块、水费水量模块、小区信息模块、 用户信息模块、远程通信模块、实时监控模块等、系统设置模块、水费计量模块等，管 理人员可以通过操作实现以下的一些功能： ( 1 ) 可以实时录入用户信息，提供用水量查询、结算【1 2 】； ( 2 ) 可以定时随时采集各个小区用户用水数据，并且对数据进行加工处理； ( 3 ) 可以及时查询智能水表系统的运行情况，可以观察各个用户的及时信息。 此外，上位机管理系统还可以扩展与小区物业或者银行系统联网，构成一个直接 可以由小区物业或者银行进行收费结算查询的系统，直接在用户的户头上面扣费，并且 及时把信息传送给水电公司i l3 1 。 6 2 ) 集中器 集中器起着数据中转和总线隔离的作用，它负责上位机和网络水表的联系。它的 主要任务有两项：一是完成和水表的通信，根据系统的要求接收某个水表的数据；二是 根据系统要求完成和通讯控制器的通讯，将水表的数据信息传输给通讯控制器【1 4 1 。 3 ) 液封光电式水表 无源非接触式直读表( 光电式) 的工作原理是：在普通水表的计数器字轮对应0 - _ 9 位置印刷特定标记；在外部对应位置处安装光电传感器及相关电路。通过光电传感器来 判断特定标记“有”和“无”的状态来获得字轮上对应的读数。这种方法的原理不再是电阻 式的模拟量换算方式，而是通过对字轮的状态进行数学分析，然后再通过光电传感器的 数据来判断对应的位置。 液封水表光电采集电路是根据表头机械结构而设计成三个部分，分别是光电传感器 板、c p u 板和m b u s 通讯板。这三个部分分别安装在表头不同的部位，通过接插件或电 缆连接。 4 ) 系统通信网络 智能远程水表是远程集中抄表系统的终端，本文设计的智能远程水表系统是一种集 计量、计费、显示、管理及控制于一体的高科技用水量自动计量仪表，通过网络通信技 术与集中器、管理计算机联网构成多功能低功耗用水量远程抄表系统，实现了用水信息 的采集、传送及远程水表的控制。包括数据的双向传输、远程集中抄表、远程自动水费 结算、远程动态检测用水情况、远程报警等功能，同时能够实现收费的功能，使智能水 表的功能更加完善【1 5 】。 智能远程水表总体结构图如下图所示： 抄表管理系统 熟钒孰，骶 吆嵫嵫心 愚稔、愚 嵫毯貉嵫豁 图2 1 智能远程抄表系统整体结构 通讯控制器在整个智能远程水表系统中，连接集中器与终端计算机，实现将水表各 个表头的数据传送到远程计算机终端的作用。由于集中器仅仅具有r s 2 3 2 接口，r s 2 3 2 的传送距离仅为几百米，远远不能满足现代化小区的要求。所以需要研发通讯控制器来 对小区用户水量信息进行远程传输。通讯控制器是联系集中器以及远程水表网络管理系 统的纽带。 7 o 东南大学硕十学位论文 2 1 2 系统应用环境以及参数 由于通讯控制器的通信线从户外引入，需要做防雷设计，不然会遭受雷击受到损坏， 从而造成了经济损失。因此，设备在应用中，需要对比实际情况对设备的一些参数进行 设定。 通讯控制器正常工作环境： 环境温度：2 肛+ 5 0 ； 相对湿度：5 9 5 ( 最大绝对湿度2 8 9 m 3 、无凝露现象) ； 大气压力：8 6 l 【p a 1 0 6 l 【p a 。 电源要求： 交流电源电压为2 2 0 v ，允许偏差1 5 + l o ； 交流电源频率为5 0 h z ，允许偏差一1 + 1 ； 交流电源波形为正弦波，谐波含量小于5 ； 绝缘电阻 在正常大气条件下，交流电源输入端对大地绝缘电阻大于5 m q ( 用5 0 0 v 兆 欧表) 。 在湿热条件( 温度4 0 士2 、相对湿度9 0 乡扣9 5 、大气压力8 6 l ( p a 1 0 6 l ( p a ) 下，交流电源输入端对大地绝缘电阻大于1 m q ( 用5 0 0 v 兆欧表) o 介质强度 在正常定温定压条件下，交流电路回路对大地进行电压实验，实验电压需 要在高压环境下，设备无击穿现象。 2 1 3 硬件功能需求 通讯控制器硬件电路是整个智能远程水表通信网络的核心组成，设计出的最终产品 是一块p c b 电路板，外形尺寸规格为1 7 5 m m 1 5 0 1 1 1 1 l l ，净高不超过5 0 o m m ，四角各 有一个直径4 2 m m 的安装孔，孔中心距离边缘4 舢。电路板需要提供以下功能： 1 ) 通过标准r s 2 3 2 接口与嵌入式m o d e m 等外接设备相连，使用a t 指令控制 m o d e m 复位，发送，接收。 2 ) 提供必要的扩展接口，可以方便通讯控制器连接p d a 等扩展设备。 3 ) 能够对以下状态进行检测和处理：上位机连接状态，下位机连接状态，数据是 否发送，数据是否接收，传送模式选择，电源电量检测。 4 ) 连接数据终端设备，实现有线发送或者可以通过扩展端口实现无线发送，提供 r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 以及u s b 接口。 5 ) 通讯转换功能 r s 4 8 5 通讯转换成m o d e m 通讯 通讯控制器可以实现r s 4 8 5 与m o d e m 通讯之间的转换，通讯控制器与主 站采用m o d e m 方式通讯，与抄表终端采用r s - 4 8 5 方式通讯，实现主站与抄表 终端的数据传输。 r s 一4 8 5 通讯转换成r s - 2 3 2 通讯 通讯控制器可以实现r s 一4 8 5 与r s 2 3 2 通讯之间的转换，通讯控制器与主站 采用r s ，2 3 2 方式通讯，与抄表终端采用r s 一4 8 5 方式通讯，实现主站与抄表终端 的数据传输。 r s 4 8 5 通讯转换成u s b 通讯 通讯控制器可以实现r s - 4 8 5 与u s b 通讯之间的转换，通讯控制器与主站采 用u s b 方式通讯，与抄表终端采用r s 4 8 5 方式通讯，实现主站与抄表终端的数 据传输。 8 笙三兰墨竺璺堡重查丝堡生 6 ) 具有大容量的非易失存储器，能够保存相关数据。包括一些配置信息，诸如中 心站的号码，地址和端口号等数据，以及其它一些需要非易失性保存的