（电气工程专业论文）智能小区数据采集与监控系统的研究.pdf

摘要 随着知识经济和网络经济时代的到来，住宅智能化已经成为 新世纪全新生活方式的根本保证。在社会信息化飞速发展的今 天，人们对住宅的关注已经不再局限于居室面积、周边环境、交 通等方面，而是把更多的兴趣和注意力放在与外界沟通、信息服 务，安全防范、物业管理方面，这就要求传统的住宅小区采用先 进的科技手段延伸服务功能。“智能化小区”正是在这种新的理念 下应运而生的。本文通过对住宅小区智能化技术发展及国内外小 区智能化产品应用现状的了解，提出了新型的集水、电、气等资 源计量及安全监控于一体的住宅群智能管理系统，是符合目前国 内市场需求的小区智能化产品，其性能可靠、安全适用、节能、 经济。本文研究了实时数据采集技术及自动控制技术在智能住宅 领域中的应用，系统地介绍了数据采集及安全监控系统的功能、 结构及原理，深入剖析了该项目中的主要问题及解决办法。该系 统是个应用于住宅群的能够完成远程抄录多种电子计量表，远 程检测现场各种状态、远程控制现场设备的计算机网络系统，具 有一定的先进性，良好的实用性和可靠性，应用前景十分广阔。 关键词：智能小区，智能终端，功能模块，区域主机，管理机 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dp e o p l e s l i v i n gs t a n d a r da tf u l ls p e e db yal a r g em a r g i n ，p e o p l e sd e m a n d s h a v et r a n s i t e df r o mp u r s u i n gs i m p l el i v i n gs p a c et o w a r d sp u r s u i n g m u l t i p l ed e m a n d si nh o u s e ，s u c ha sq u a n t i t y ，q u a l i t y ，f u n c t i o n ， s e r v i c e ，e t c t h ea d m i n i s t r a t i v es y s t e mo ft h eh i g hq u a l i t y ，h i g h a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n ta n dp r a c t i c a b i l i t yi nh o u s i n gd i s t r i c ti st h e g o a lo fs u b j e c ts t u d y t h i st e x tp r e s e n t st h ei n t e l l e c t u a lh o u s i n g a d m i n i s t r a t i v es y s t e mo fb yu n d e r s t a n d i n gt h ei n t e l l i g e n tt e c h n i c a l d e v e l o p m e n to fh o u s i n gd i s t r i c ta n dt h ea p p l i e dc u r r e n ts i t u a t i o no f i n t e l l e c t u a ld i s t r i c tp r o d u c t si nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l n a t i o n ，w h i c hi n t e g r a t e sc o n t r o la n de n e r g ym e a s u r i n g ，s u c ha s w a t e r ，e l e c t r i c i t y ，r e s o u r c e ，e t c t h i ss y s t e mi sr e l i a b l e ，s a f e ， s u i t a b l e ，e n e r g y - c o n s e r v a t i o na n de c o n o m yi na c c o r dw i t ht h e m a j o rd e m a n do fd i s t r i c ti n t e l l e c t u a lp r o d u c t si nd o m e s t i cm a r k e t a tp r e s e n t t h e s i ss t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fr e a l - t i m ed a t ag a t h e r t e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nt h ei n t e l l e c t u a l h o u s ef i e l d i ti n t r o d u c e sd a t aa c q u i s i t i o na n df u n c t i o n ，s t r u c t u r e a n dp r i n c i p l eo ft h es a f em o n i t o r i n gs y s t e ma n da n a l y s e ss u b j e c t m a t t e ra n ds o l u t i o ns y s t e m a t i c a l l y t h iss y s t e mi st h ec o m p u t e r n e t w o r ks y s t e mt h a tc a nc o p ym a n yk i n d so fe l e c t r o n i cv o l u m e r e a d o u t s ，m o n i t o rv a r i o u sk i n d so fo n - s p o ts t a t e sa n dc o n t r o lt h e o n s p o te q u i p m e n ti nl o n gr a n g ei nh o u s i n gg r o u p t h i ss y s t e mh a s c e r t a i na d v a n c e ， g o o dp r a c t i c a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y t h eu s e p r o s p e c ti sv e r yw i d e k e y w o r d s ：i n t e l l e c t u a ld i s t r i c t ，i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，f u n c t i o n m o d u l e ，r e g i o n a lh o s tc o m p u t e r ，s u p e r v i s o r 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 概述 随着知识经济和网络经济时代的到来，住宅智能化已经成为 新世纪全新生活方式的根本保证。在社会信息化飞速发展的今 天，人们对住宅的关注已经不再局限于居室面积，周边环境、交 通等方面，而是把更多的兴趣和注意力放在与外界沟通、信息服 务、安全防范、物业管理方面，这就要求传统的住宅小区采用先 进的科技手段延伸服务功能。“智能化小区”正是在这种新的理念 下应运而生的 我国在九十年代首次引进了小区智能化系统这一新概念，由 于我国住宅小区具有楼宇相对密集、居住人口多等特点，可以充 分的发挥智能化小区的管理优势，在短短的几年时间里，智能小 区在全国得到了极快地推广和发展。 随着经济快速发展、生活水平日益提高、大规模住宅小区的 大量兴建，人们对住宅功能的要求也越来越高，小区智能化带来 的多元化信息和安全、舒适与便利的生活环境已成为现代家庭追 求的理想目标。可以预期，住宅小区的智能化必将在我国迅速普 及，成为住宅小区的不可或缺的配套系统。 1 1 智能住宅小区概述 智能建筑：它综合计算机、信息通信等方面的先进技术，使 建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等协调工 作，实现建筑物自动化( b u i l d i n ga u t o m a t i o n ) 、通信自动化 ( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o n ) 和办公室自动化( 0 f f i c e a u t o m a t i o n ) 。这三种自动化结合起来的建筑，就是智能建筑。 智能小区是在智能建筑的基本含义中扩展出来的，它通过对 小区建筑群四个基本要素( 结构，系统、服务、管理以及他们之 间的内在关联) 的优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 舒适、温馨、便利以及安全的居住环境。我国国家建设部住宅产 业化办公室提出了关于智能住宅小区的基本概念，即。住宅小区 智能化是利用4 c ( 即计算机、通信与网络、自控、i c 卡) 技术， 通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、 住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智 能化手段，以期实现快捷、高效的超值服务与管理，提供安全、 舒适的家居环境”自从九十年代中期智能小区的概念首次在国 内提出以来，各地智能小区的建设开始形成旺势。建设部“智能 住宅示范工程”，开了全国智能住宅小区的先河。国内也已经有 了适用于智能住宅小区的智能化产品。但是因为发展时间较短， 我国智能建筑的发展还存在很多障碍和问题，如设计规范和标准 制定滞后，验收和界定无法可依；智能建筑工程技术缺乏，管理 水平较低：尤其是国内智能建筑产品功能单一，智能产品过于依 赖进口等等。 1 2 智能住宅小区的功能及组成 与智能建筑相比，智能住宅小区的系统结构更加注重住户在 安全性、居住环境舒适性、社会服务便利性以及社区管理、网络 通信等方面的实现和个性化的需求。智能小区的主要目的是通过 智能化的手段，包括通过集成住宅小区物业和信息各个子系统， 以家庭综合布线为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现及极大 方便物业管理，为用户提供一个安全、舒适及高效的生活环境。 住宅小区智能系统设计的指导思想：系统设备的选择要求具 有先进性、成熟性；随着建设资金的投入和技术的发展，对系统 可以进行扩充升级，使系统得到不断的完善和提高；在使用方面， 要求简洁方便，不要求住房者具有很高的专业知识。 根据建设部的规定，智能小区应实现六项智能化要求： a ，住宅小区设立计算机自动化管理中心； b 水、电、气等自动计量，收费； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 c 住宅小区封闭，实行安全防范系统自动化监控管理； d 住宅的火灾、有害气体泄漏实行自动报警； 。 e 住宅设备紧急呼叫系统； f 对住宅小区关键设备、设施实行集中管理，对其运行状 态进行远程监控。 智能小区系统框图如图1 1 所示。 小区智能系统 安全防卫系统il 信息管理系统li 信息网络系统 闭 路 电 视 监 控 子 系 统 周 界 报 警 子 系 统 电 子 巡 更 子 系 统 可 视 对 讲 子 系 统 家 居 安 全 防 卫 子 系 统 三 表 计 费 子 系 统 小 区 i c 卡 子 系 统 理 子 系 统 占 譬 譬 鲁 和 亨 0 害 2 管 闭 路 电 视 监 控 子 系 统 图1 1 智能小区系统框图 一个较完备的住宅小区智能系统应包括三大功能系统；安全 防范系统、小区信息网络系统、小区信息管理系统。每个功能系 统又由一系列子系统组成。 i 2 1 安全防卫系统 一般要求：对住宅小区周界，小区重点部位、住户室内采取 安全防范措施，并在住宅小区管理中心统一管理。主要包括：周 界防越报警子系统；闭路电视监控子系统；小区访客对讲子系统； 家居安全防范报警子系统；电子巡更管理子系统；车辆出入管理 子系统。 1 2 2 小区信息网络系统 一般要求：小区应建立数据局域网，实现小区内信息共享。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 物业信息管理( 住户档案、三表信息、机电设备监控等) 与家居 保安报警通过局域网实现信息共享。住宅小区通过内部局域两与 窄带网( p s t n 、i s d n ) 、宽带网、有线电视网等公网的连接，充 分利用公共信息资源，向住户提供各种类型的信息通信服务。可 提供语音通信、视频广播、宽带数据信息服务的网络系统。宽带 数据信息服务的网络系统采用光纤到楼( f t t b ) 。 1 2 3 小区信息管理系统 a 机电设备监控子系统：采用集散控制技术，对住宅小区 的公共建筑设备实施监控，保证设备处于良好的工作状态，一旦 发生故障及时报警。包括给排水系统管理的监控；照明设备的监 控；供配电设备监控；电梯工作状态的监控。 1 b 物业管理系统：物业管理采用先进、成熟的网络技术和 计算机技术，充分利用住宅小区的网络，向住户提供高效、优质 的服务。主要指计算机管理信息系统与自动抄表系统、设备监控 系统、安全防范系统等实现互联。 1 3 智能小区系统设计方案的选择 目前，国内现有的智能小区在三表远传计量、住户安全监控 报警方面大都采用单独集成各系统的设计方案，即将三表数据采 集系统、户内安全监控系统、小区管理子系统单独设计一套功能 模块来完成。每套系统单独选择设备、单独布线、管理和设计也 单独进行，一般至少包括了如下三套单独的设备和布线系统： a 计算机网络平台的数据网络及设备 b ，三表远传系统的通信网络及设备 c 家庭安防及报警系统的网络及设备 这种方案设计简单，但技术落后，系统布线复杂、繁琐，各 个系统的传输介质、系统结构、通信协议互不兼容，在住宅建筑 、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 中重复建设，造成了很大的浪费，设备和线路多，故障点多，故 障率高。特别是基本没有利用计算机网络平台，许多功能无法发 挥，而且系统功能扩展难。智能住宅完工之后，家里设备五花八 门，住户感觉不到智能住宅的安全与舒适。 正是基于以上问题，本研究课题提出了开发以家庭智能终端 为主要设备来集成三表数据采集子系统、户内安全监控子系统、 小区管理予系统的智能管理系统的设计方案。设计方案遵循以下 原则： a 集成化原财：选择高度集成的设备，便于控制、管理和 维护。， b 模块化原则：在软、硬件上都采用通用化、模块结构的 设备，使系统具有较强的扩展能力。 c 可靠性原则：设备具备抵御环境影响的能力；工作稳定 可靠，并能适应室内、外昼夜全天候工作。 d 较高的性能价格比。 智能住宅完工之后，住户家中只有智能终端一套设备。 1 4 论文主要工作概述 r l 通过对住宅小区智能化技术的了解，对国内小区智能化产品 应用现状的分析，开发出新型的集水、电、气等资源计量与安全 监控于一体的住宅群智能监控管理系统，该系统是应用于住宅， 能够完成远程抄录各种电子计量表、远程监测现场各种状态、远 程控制现场各种设备的计算机网络系统。该系统采用全模块化设 计，尤其是智能终端的模块化设计，突破了对用户设备在种类和 数量上的限制，使用户可以方便地增加新的远程监控设备，真正 实现智能化管理。 论文系统地介绍了数据采集与安全监控系统的功能、结构及 原理，深入剖析了该项目的主要问题和解决方法。 、 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 1 , 4 1 系统总体方案的确定 主要针对新建住宅小区，在采用计算机监控、自动计量、安 全防范、综合管理，即主要集中在家庭安全系统及管理自动化系 统方面展开工作。按照系统的组成，分为智能终端、区域主机、 管理机三大主要部分。 1 4 2 系统硬件电路的设计开发 本系统中硬件的设计是智能终端的设计。实现水、电、燃气 的远程计量、燃气泄漏报警，消防报警、安全报警以及物业综合 管理、计算机网络应用等功能。 1 4 3 系统软件的开发 智能终端的软件采用c 5 1 语言编制，完成各种信号数据的采 集、传输、与计算机的通信。 管理机的软件以中文w i n d o w s 2 0 0 0 为平台，使用v b 语言编 制，主要由数据采集模块、数据处理模块、系统维护模块组成， 主要包括以下功能：自动查询，跟踪查询、数据查询、数据输出、 用户档案管理、费率设置、操作员档案管理等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 2 数据采集与监控系统的组成、结构及功能 智能小区数据采集与监控系统应用于住宅，是能够完成远程 抄录多种电子计量表、远程监测现场各种状态，远程控制现场设 备的计算机网络系统。该系统以家庭智能终端为户内信息平台， 完成数据采集( 计量脉冲计数、报警信号采集等) 、设备控制( 控 制燃气阀门的开关、电源的通断) ，故障判断、数据传输等多种 功能。 2 1 系统的总体组成及结构 系统主要由管理机、区域主机、智能终端等核心智能设备和 网络中继器等传输设备以及集中供电u p s 电源和i o 设备组成。 系统结构框图如图2 1 所示： 图2 1 系统结构框图 管理机与区域主机之间采用以太网组网，以太网总线采用光 纤；区域主机与智能终端之间采用4 8 5 半双工总线组网，采用4 8 5 中继器模块实现中继，区域主机与智能终端之间采用双绞线布 线。 系统结构示意图如图2 - 2 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 2 1 1 智能终端 图2 2 系统结构示意图 智能终端i t z d 是本系统的终端设备，位于每户室内，直接 与各种i o 设备( 如脉冲计量表、电动阀门、继电器、交流接触 器、报警器等) 相连，实现对i o 设备的信号采集和控制。每个 智能终端由电源通信模块( d c o m ) 和若干个智能终端模块( i t m ) 组成。智能终端采用积木式的组合结构，可以根据不同的需要选 用不同的智能终端模块进行组合。与区域主机的通信率为 9 6 0 0 b p s 。 2 1 2i ，o 设备 a ， 计量设备：主要有能发送脉冲或开关信号的水表、电表、 燃气表、热能表等资源计量表； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 b 控制设备：电动燃气阀门、电动水阀、继电器等； c 燃器泄露报警器； d 烟雾火灾报警器； e 紧急呼叫按钮； f 盗警传感设备：门磁感应器、红外人体感应器、玻璃破 碎感应器等。 2 1 3 区域主机 区域主机是一台p 4 计算机，有以太网接口和4 8 5 接口，分 别与管理机和智能终端相连，完成管理机和智能终端通信的协议 转换和对智能终端的巡检扫描。在一台管理机下，每一台区域主 机都有一个唯一的编码，i p 地址。 2 1 4 小区管理机 小区管理机由一台或几台p c 机构成，管理机是整个系统的 小区控制中心。管理软件由管理程序和数据库构成，管理机软件 采用模块化编程的方法，每一类i o 设备都有一个i o 设备驱动 模块，可以根据用户的要求定制特定功能的程序，并可以根据情 况的变化扩展新的功能。为方便用户使用网络功能，预制了网络 接口，采用光纤连接的局域网，在用户部件中加装网线的接口， 使用户可以在家中通过管理中心的服务器直接接入互联网，为用 户提供方便的网络信息服务。 2 1 5 集中供电u p s 电源 u p s 电源给智能终端和4 8 5 中继器提供2 4 v 直流稳定电源， 在市电掉电时作为不问断电源为i t z d 供电，在蓄电池电压不足 时发出电池欠压信号，通知智能终端保存关键数据。 2 1 6 其他设备 辽宁工程技术大学硕士学位论文 r s 4 8 5 中继器：实现4 8 5 总线的中继，用于延长总线距离、 实现总线分支、提高负载能力。该模块可以自动辨别数据流的方 向以及实现波特率的自适应调节。 2 2 系统的功能 2 2 1 报警功能 a ，报警器报警：智能终端上连接有燃气渣漏报警器、安防 报警器、火灾报警器或其他类型的报警器。一旦发生报警，管理 机将警情发生的时间、楼号、门牌号、报警类型等一一显示在管 理机的屏幕上，同时发出声音报警信号提示管理员。 b 故障报警：当智能终端上连接的各种计量表的信号发生 短路、断路、磁干扰等情况，或者阀门等设备发生开关不到位等 情况，或者智能终端与区域主机通信中断时，管理机将故障发生 的时间、楼号、门牌号、故障类型等一一显示在管理机的屏幕上， 同时发出声音报警信号提示管理员。 2 2 2 控制功能 a ，报警联动关阀：当一个智能终端模块上连接了燃气泄漏 报警器和燃气电动阀门时，如果燃气泄漏报警器发出报警信号， 而且燃气电动阀门的户号与报警器的户号相同时，燃气电动阀门 发生联动，阀门关闭。 b 远程控制：可以在管理机上对燃气电动阀门进行开或关 的远程控制。主要用于燃气公司对燃气用户的控制，当出现违章、 滞纳燃气款等情况时可以远程切断；当用户有安全需求，需要远 程切断时，可以由管理机进行远程控制。同时可以实现远程控制 家电的开启与关闭。 2 2 3 计量抄表功能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a 在小区管理机上可以进行单户、全楼、全小区抄表。 b 设置脉冲常数和初值。在系统刚开始运行、换新表、换 新的智能终端时，需要设置脉冲常数，然后设置初值。所有这些 操作都可以在管理机上进行。 2 2 4 状态读取 a 读取各个设备的工作状态： 关状态、计量传感器的开关状态； b 读取各个设备的故障状态： 感器短路或断路等。 阀门开关状态、继电器的开 阀门开关不到位、计量表传 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 智能终端系统 3 1 系统设计中考虑的问题 在系统设计中着重考虑如下几个方面的问题： 8 ，尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成 功率 b ，尽量选用功能强，集成度高的芯片。因为采用这种器件 可以替代某一部分电路，使系统可靠性增加。 c 注意选择通用性强、市场货源充足的元器件。 d 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要 求的基础上，应当留有适当的余地，以备将来修改、扩展之需。 e 尽量采用最新的技术，因为电子技术发展迅速，器件更 新换代很快，市场上不断推出性能更优、功能更强的芯片。 f 设计电路时充分考虑应用系统各部分的驱动能力。因为 不同的电路有不同的驱动能力，对后级系统的输入阻抗要求也不 一样，如果阻抗匹配不当，系统的驱动能力不够，将导致系统工 作不可靠甚至无法工作。值得注意的是，这种不可靠很难通过一 般的测试手段来确定。因此，在电路设计时，应注意增加系统的 驱动能力和减少系统的功耗。 g 系统的抗干扰设计。智能终端是智能住宅管理系统中最 重要的部分之一，它负责对所需要的信号进行采集，并储存于储 存器中，是直接与用户联系的部分，是后续数据处理的基本条件。 信号的采集准确程度，采样的时问，都必须严格保证，才能做到 计量的准确可靠，保证整个系统的正常运行，发挥其最大的功用。 智能终端的位置如图3 1 所示。 3 2 计量设备 本系统的计量设备包括能发送脉冲或开关信号的水表、电 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表、燃气表，热能表等资源计量表。 3 2 1 电度表 图3 - 1 智能终端的位置示意图 电子式电度表输出与负载电能成正比的脉冲信号。智能终端 通过对电度表输出的脉冲进行计数数据处理，便可计量所耗电能 的大小。 3 2 2 水表和燃气表 水表和燃气表均采用机械式仪表加上传感器来完成数据传 输功能。这样改装后的表在本文中称为智能表，输出的数据为脉 冲信号。常用的传感器有干簧管，霍尔元件等。以水表为例，传 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 感器由一只干簧管、一只磁钢和相应电路组成。磁钢固定在转动 的码盘上，干簧管固定在靠近码盘的基座上。码盘随着水量增加 而转动，当磁钢接近干簧管时，干簧闭合，通过外接电路，输出 一个代表用量的脉冲。磁钢若固定在代表0 0 l 立方米的码盘上 时，则每消耗1 立方米的水输出l o o 个脉冲，仪表常数为 1 0 0 i m p m 3 3 3 智能终端各功能模块 智能终端i t z d 是本系统的终端设备，直接与各种i o 设备 ( 如脉冲计量表、电动阀门、继电器，交流接触、报警器等) 相 连，实现对i o 设备的信号采集和控制。每个智能终端由电源通 信模块( d c o m ) 和若干个智能终端模块( i t m ) 组成。 i t z d 模块化结构示意图如图3 2 所示。 2 4 、i ，d c 欠压指示 电 源 通 信 模 块 图3 - 2i t z d 模块化结构示意图 用3 态门实现内部的t t l 总线i n b u s ，将各个模块与d c o m - 模块连接起来公用一个开关电源r s 4 8 5 接口，从而有效地降低了 成本。 j 智能终端上有两种地址，一个是i t a 一一智能终端模块地址， 每一个模块上只有一个，在一个小区系统中这个地址是唯一的， 是一个顺序编码；另一种i ，o a 一一通道地址( 智能终端上的每一 个i o 接口有唯一的一个编码，称为i o 设备地址( i o a ) ) ，每 个模块上有若干个，与模块上的通道一一对应，在一个小区系统 中这个地址也是唯一的，由楼、户、类、序组成。i o a 和i t a 是独立的。这两个地址的唯一性保证了系统通信时不会出现冲 辽宁工程技术大学硕士学位论文 突。管理机通过这两个地址来进行巡检和其他操作。 3 3 1 电源通信模块 电源通信模块( d c o m 4 8 5 模块) 的功能主要有3 个： a ，为其他模块提供5 v ，2 4 v 直流电源； b 实现t t l 信号一一r s 4 8 5 标准信号的变换； c u p s 电源的欠压信号传递到其他各个模块。 电源部分是一个d c d c 变换电源，将2 4 v 直流电源变换为 5 v 直流电源，为其他模块的芯片供电。其输入端电压范围为： 1 2 2 8 v ，输出端的电压为5 v 。该模块有输入电压上限的保护， 当输入电压超过最大值时，输入端进入保护状态，不再输出电压。 3 3 2 数据采集模块 数据采集模块( i t m l 模块) 信号采集。有6 个脉冲计量通道， 路的报警功能。 可以实现对各种脉冲计量表的 对每个计量通道均有短路和断 i t m l 模块的结构框图如图3 3 所示。 图3 - 3i t m i 模块的结构框图 a c p u 的选择 根据系统的功能要求和性能价格比，选择了a t 8 9 c 5 2 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的一种低功耗、低电压、高性 能的8 位微处理器，内带8 k b 的f l a s h 储存器、1 2 8 字节的内 部r a m 。a t 8 9 c 5 2 拥有3 2 根可编程i o 线，2 个1 6 位定时器 计数器，6 个中断源以及一个可编程通道。a t 8 9 c 5 2 功能强，灵 活性高且价格合理，因此广泛应用于各种监测、控制领域。 b 设置参数、数据的存储 a t 9 3 c 8 6 是一片e 2 p r o m ，该芯片用来储存i t a 、各个通道 的i o a 、各个通道的初始值、各个通道的累计值( 正常情况下每 两个小时存储一次，在电源欠压时立即存储当前的累计值) 等数 据。该芯片在掉电的情况下数据不会丢失。 c 监控芯片 m p 8 13 l 是一个w a t c h d o g 和电压监测芯片，当由于某种 情况出现死机时，w a t c h d o g 会自动复位，当电压出现波动时 电压监测芯片会使系统复位以保证系统不会产生误动作。 3 3 2 1 计算原理 i t m l 模块共有6 个脉冲计量接口。每个计量接口的一端有3 条信号线与c p u 相连：脉冲信号线、短路信号线、断路信号线。 脉冲计数由c p u 采集脉冲信号线发出的脉冲信号，与短路和断 路信号线无关。通常情况下，当某一通道发生短路( 断路) 情况 时，短路( 断路) 信号线输出有效信号( 低电平) ，c p u 采集到 短路或断路信号时，在该通道的上报数据区写入短路断路数据， 在区域主机进行巡检时将这个数据上报区域主机。 计量接口的另一端分别可以有3 条线与脉冲计量表相连，分 别是信号线、地线( g n d ) 、电源线( + 5 v ) 。脉冲计量表有许多 种，干簧管类型的表是一个机械触点，这样的表输出线一般为2 条线，信号线和地线( g n d ) ，没有正负之分；霍尔元件、继电 器输出或者其他类型的需要电源的脉冲表输出线一般为3 条线一 一电源线、信号线、地线，连接时要加以区分，由智能终端对脉 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 冲表进行供电。本系统设计的模块为每一个计量表提供了3 条线 的接口，顺序为信号线、地线、电源线。 c p u 时时都在查询检测各个计量模块的脉冲信号线，内置的 计数器对发生的脉冲进行计数。在终端 t m l 上只是在初值的基 础上累计脉冲数，并不是实际的读数。假设累计数为n ，脉冲常 数为c ，实际读数m = n c 。对于每一个表如果不是从0 起计数， 就需要迸行初值的设置。脉冲常数c 是存在管理机上，而不是储 存在i t m l 上的。系统可以而且必须对每一个表进行脉冲常数的 设置。在设置初值前，必须首先设置脉冲常数。为了保证数据的 可靠性，每两个小时会将新的累计值写入e 2 p r o m 中一次，所以 即使在突然掉电的情况下，也可以恢复两个小时前的数据。 由于脉冲信号的波形并不是理想方波，如果受到电源或其他 干扰信号的影响，波形会有抖动。这使得输出电压带有严重毛刺， 电路很容易造成误动作，使输出电压错误翻转，从而造成采集的 数据不准确。因此，需要进行滤波和整形。电路如图3 4 所示。 鼍r 图3 - 4 脉冲信号滤波电路 3 3 2 。2 短路、断路检测原理 i t m l 模块的电路原理图如图3 - 5 所示。( 为论述方便，只绘 制出第一个脉冲计量接口电路) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 图3 - 5 数据采集模块i t m l 的电路原理图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 第一计量通道接口模块由u 4 a 、u 4 b 、r 2 、r 4 、r 5 、r 6 、 d z l 、d z 2 、c 1 组成，其中c 1 是高频信号滤波电容，起到抗干 扰的作用。r 4 、d z l ：d z 2 是双重化保护的防爆电路。r 2 、r 5 、 r 6 构成一个分压电路，a 点直接输出给c p u 的p 1 7 作为计量信 号；b 点与u 4 a 的负相输入端相连，u 4 a 是断路信号比较器。 正常情况下，b 点电位低于比较电位( 5 端) ，2 端输出高电平。 当断路出现时，b 点电位高于比较电位，2 端输出低电平；b 点 还与u 4 b 的正相输入端相连，u 4 b 是短路信号比较器。正常情 况下，b 点电位低于比较电压( 6 端) ，l 端输出高电平，当短路 出现时，b 点电位高于比较电压，l 端输出低电平。1 端和2 端 是并联在一起的，是相与的关系。当其中一个为低电平时这条线 就处于低电平状态，这时c p u 需要根据a 点的电位的高低来判 断是处于短路还是断路状态；如果a 点电位高，本通道处于断路 状态，反之为短路状态。 图3 5 中，安装在计量表上的传感器中的s l 为计量干簧管， s 2 为外磁场干扰检测干簧管，下面给出传感器四种状态的判断原 p 理，这四种状态包括： a 正常计量状态一一逻辑l ：s 1 ，s 2 均断开，线路正常： b 正常计量状态一一逻辑0 ：s 1 闭合，s 2 断开，线路正常； c 故障l ：传感器线路断开； d 故障2 ：传感器线路短路，s 2 闭合。 以图3 - 6 说明各点电压的计算方法。 参考点c 的电压为： 圪= r 7 + 廊+ j 穆+ r 1 0 参考点d 的电压值为； 5 x ( 2 7 + 2 + 2 4 ) ：2 9 4 0 v ( 2 - 1 ) 2 2 + 2 7 + 2 + 2 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 - 6 数据采集模块i t m l 的部分电路原理图 攻：坠：丝旦： ! ! 兰：! ：0 2 2 5 v ( 2 - 2 ) u 只7 + r 8 + r 9 + 慰02 2 + 2 7 + 2 + 2 4 当千簧管s l 闭合，s 2 断开时，传感器正常计量，a 点输出 一低电平信号，此低电平的计算方法为： b 点的电平为： = 5 ( o 1 + 2 ) 用+ 彤+ 尺51 3 + 0 1 + 2 = 0 6 9 5 v ( 2 3 ) ：v a l x r 4 ：塑三：型= 0 4 6 3 v ( 2 4 ) “ r 2 + r 41 0 0 + 2 0 0 5 当干簧管s l 断开，s 2 断开时，传感器正常计量，a 点输出 一高电平信号，此高电平的计算方法为： 耻鼍等篆警 b 点的电平为； ：5 x ( 0 1 + 2 + 2 2 ) ：3 2 4 8 v 1 3 + 0 1 + 2 + 2 2 ( 2 5 ) ：x r - - - a ( 2 6 ) ” 十3 , 2 4 8 + x 2 0 0 21 65fr2r 41 0 02 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 当干簧管s 2 闭合时，传感器短路，a 点输出一低电平信号， 此低电平的计算方法为： n 。：v c c x r 3 ：卫坠：0 0 3 8 v ( 2 - 7 ) “ r 1 + 船1 3 + 0 1 b 点的电平为： 圪：v bx r 4 ：0 0 3 8 x 2 0 0 ：o 0 2 5 v ( 2 - 8 ) 4 r 2 + r 41 0 0 + 2 0 0 当连接线从图3 - 6 所示的“x ”处断开时，传感器断路，a 点输出一高电平信号，此高电平的计算方法为： = b 点的电平为： 厢+ r 2 + r 4 掣幽：4 7 9 2 v ( 2 - 9 ) 1 3 + 1 0 0 + 2 0 0 圪。：vacxr44792x200 3 1 9 5 v ( 2 1 0 ) 移 r 2 + r 41 0 0 + 2 0 0 以上所有的计算，都是以v c c = 5 v 为条件的。 3 2 2 3 通信原理 如图3 - 5 所示，通信及控制线一共有3 条：t x d ( 发送) 、 r x d ( 接收) 、d e ( 发送允许) 。在一个i t z d 内会有多个i t m ， 也就是说多个i t m 共享一条通信总线i n b u s ，而同时只能有一 个模块占用总线，i t m 模块通过3 态门7 4 l s l 2 5 实现内部总线。 当要发送数据时，首先c p u 的p 2 5 = l ，p 2 ，4 = 0 ，使d e = 1 ， d c o m 模块的4 8 7 e 处于发的状态，p 2 6 = 0 ，t x d 开始发送数据。 平常d e = 0 ，d c o m 4 8 5 的4 8 7 e 处于接收状态，区域主机来 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的数据通过u 3 b 传至c p u 的r x d 端，每一个i t m 都可以同时 收到数据。 3 3 3 监控模块 监控模块( i t m 2 模块) 与i t m l 模块基本相似，只是增加 了两个燃气泄漏报警通道、两个阀门驱动通道。两个报警通道与 i t m l 的脉冲计量通道硬件完全一样，只是不进行计数，而且在 脉冲计量接口端a 点处于低电平情况时记录一个报警数据，待巡 检到来时将数据上报。这两个通道可以根据设置的i o 中的类别 情况改变用途，既可以是计量通道也可以是报警通道。 另外该模块还包括两个阀门通道，由驱动芯片u p d l 6 8 0 5 及 其辅助电路和继电器组成，采用1 个u p d l 6 8 0 5 之后再采用继电 器在两个通道之间切换可以有效地降低成本。当发生燃气泄漏报 警时，如果报警通道的户码和类码与阀门通道的户码和类码相 同，则在燃气泄漏报警器发出报警时，i t m 2 自动关闭阀门。当 阀门处于某一种状态时如果掉电，先发出欠压信号再掉电，当再 次上电时阀门处于原状态不变。 3 3 4 继电器控制模块 继电器控制模块( i t m 3 模块) 用来实现远程对家用电器的 控制。 i t m 3 模块有6 个控制磁保持继电器的通道，由c p u 通过三 极管驱动一个光耦的桥式驱动电路来完成，驱动电压为2 4 v d c ， 由u p s 电源通过d c o m 板直接供电。磁保持继电器是一种双稳 态的继电器，这个双稳态继电器只需要瞬时( 1 0 0 m s ) 供电即可 实现状态的转换，由永久磁铁实现状态的保持。与电动阀门原理 一样，当给继电器两端加正向电压时，继电器触电闭合，然后停 止供电。反之，继电器触点断开。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 3 5 通信模块 通信模块( i t m 4 ) 是与其它监控系统的通信接口，通信标准 为r s 4 8 5 半双工，传输速率为9 6 0 0 b p s 。 i t m 4 模块是由c p u 和一个串口芯片1 6 c 5 5 0 组成的一个双 串口的电路。一个串口与i n b u s 相连，另一个串口与其他系统 相连。用软件可以根据其他系统命令的不同进行更换。这个模块 主要完成的功能是与其他系统的数据格式的转换。 i t m 4 模块原理框图如图3 7 所示。 图3 7 通信模块i t m 4 的原理框图 3 3 6 安防报警模块 安防报警模块( i t m 5 模块) 可以实现无线电的设防、撤防、 以及有线的火灾报警、防盗报警、紧急求助等功能。i t m 5 模块 上有6 个有线连接的防盗报警器、火灾报警器、紧急求助按钮接 口，有一个无线遥控器接口。 i t m 5 模块的电路原理图如图3 - 8 所示。 报警探测器的安防探头可以等效为一个开关电路，探头内部 已经含有了信号的放大、滤波、比较等环节，输出的仅仅是一个 开关信号，线路没有正负之分。许多安防探头是需要供电的，如 被动红外探测器、玻璃破碎探测器，火灾报警探测器等。安防探 头的供电电压有许多种类型：9 v 、1 2 v 等，要根据不同用户的需 求来定。6 个有线的报警器通道，都由报警器直接与c p u 相连。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 - 8 安防报警模块i t m 5 的电路原理图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 报警流程如图3 - 9 所示。 图3 - 9 报警流程图 该模块有一个警号驱动的通道，这个通道由c p u 驱动q 4 ， q 4 再驱动一个继电器，用1 2 v 电源来驱动警号发出警笛声。 该模块上的巡检指示灯兼做设防、撤防指示灯。当撤防时该 灯为红色，设防时灯为绿色。这是用c p u 通过q 3 驱动一个双色 发光二极管实现的。 另外，在每个报警通道的传感器上，串联了一个2 k 的电阻， 用比较器u 4 、u 5 来判断报警器是否短路。第一个报警通道接在 u 4 a 上。正常情况下4 端的电压低于5 端的电压，2 端输出高点 平。当发生短路情况时，4 端电压高于5 端的电压，2 端输出低 电平，c p u 检测到这个低电平，将短路数据存入上报数据区。 模块上面还有一个无线收发模块，这个模块可以与无线遥控 器进行无线通信。无线遥控器与模块是一对应的，由编码决定。 通道的设防和撤防由遥控器上的按钮来设定，当通道设防后，模 块的通信指示灯由红色变为绿色，但不闪烁。预设了6 0 秒的延 时，也就是说设防后6 0 秒系统进入设防状态，避免误触发，这 时模块的通信指示灯开始闪烁。 3 4 系统供电电源的设计 系统要长期稳定可靠的工作，记录每一块计量表每一时间发 出的计量脉冲，将计量数据在智能终端及上位机安全可靠地保 辽宁工程技术大学硕士学位论文 存，离不开稳定可靠的长时间工作的不间断电源。不少系统中采 r、 用2 2 0 v 交流直接给智能终端供电并配备免维护蓄电池，但在使 用中发现有如下问题： a 用户家里的电源受到户内总电源开关的控制，一旦用户 关闭总电源，智能终端就掉电，给智能终端的正常工作带来了很 大的威胁； b 如果从户外直接将2 2 0 v 交流电源引入室内，又带来偷 电等问题； c 由于电源线无法与通信线路共管敖设，因而加大了工程 施工难度。另一方面，工程施工人员和调试人员在安装和调试过 程中需要打开智能终端时，也经常在暴露的2 2 0 v 交流电源附近 工作，增加了不安全隐患； d 由于蓄电池是一个易损件，在每个智能终端上设u p s 电 源，增加了维护的难度，也提高了成本。 因此，为了避免上述问题的发生，本设计采用集中供电的 u p s 电源，智能终端带d c d c 交换。并且由于采用了两级电源， 同时提高了系统的电磁兼容性，即提高了系统的抗干扰能力。 供电电源结构图如图3 1 0 所示。 图3 1 0 供电电源的结构图 系统中采用两级电源：一级是u p s 电源，采用a d d c 变换 开关电源。另外一级为智能终端上的d c d c 变换开关电源。两 级电源都采用开关电源而没有采用模拟电源，开关电源与模拟电 源相比，其优点在于： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a 开关电源效率高，发热少，致使其可靠性和热稳定性都 比线性电源很大提高； b 开关电源的输入电压适用范围宽，可以达到9 0 2 8 0 v ， 使其在各种电压下都可以正常工作。 3 5 智能终端数据采集程序的设计 智能终端主要完成对水、电、燃气等计量表的数据以及燃气 浓度、烟度等报警信号的采集处理、数据储存、传输；接受区域 主机的数据和命令；完成对用户部分的开启。因此智能终端的主 要程序有数据采集子程序和通信子程序以及接收控制后的执行 子程序三个部分。其中的通信子程序与区域主机作为一个节点与 管理机的通信程序类似，将在第4 章中加以介绍，这里只简要介 绍数据采集子程序。 3 5 1c 5 1 语言简介 采集程序采用c 5 l 语言编写。c 5 l 语言是一种结构化语言， 与标准的c 语言完全兼容，具有代码效率高、可移植性强、库函 数丰富、支持