（电气工程专业论文）远程抄表系统技术开发与应用.pdf

摘要 论文题目：远程抄表系统技术开发与应用 学科名称：电气工程 研究生姓名：柳玉威签名： 指导老师姓名：刘军教授签名： 徐庆芝教授级高工 签名：绛幺星 摘要 在现代和谐社会中，智能化住宅小区的人性化服务、科学管理对一些传统的理念提出 了挑战。随着科技的进步、人民生活水平的提高，为了解决传统的抄表方式工作量大、人 为的统计错误以及治安问题给物业管理和用户带来极大不便等问题，实现住宅的四表( 水、 电、燃气、热能表) 出户自动抄表、自动计费，远程抄表系统成为新型智能小区“智能化 建设”中的一个重要部分。 本文介绍了远程抄表系统的市场需求情况、技术特点以及所要研制的新系统的技术指 标，针对目前市场上流行的抄表系统存在的表具计量不准( 水锤现象) 、系统网络速度慢 导致抄表系统部分功能缺失、系统拓扑结构单一、自检容错技术不完善、防护能力较差等 技术缺陷，从原理上进行分析、研究，重点介绍了某些关键技术处理的设计思路和方法。 一些成熟技术在本系统中的成功应用，使得以下技术瓶颈得以突破： ( 1 ) t c p i p 技术网络的速度更快、稳定性更高； ( 2 ) c r c 校验技术通讯数据更加可靠： ( 3 ) 信号输入端、通讯端、电源端的防护设计防范体系更加严密； ( 4 )自保持开关的应用很好解决了水表远传的顽疾水锤现象； 与此同时，参照楼宇自控领域流行的b a c n e t 协议，制定了精简、高效的通讯协议。 在网络拓扑方面，对r s 4 8 5 网络进行专门的拓扑研究，提出了几种可行的拓扑结构，满 足不同需求。 对水锤现象产生的机理进行了研究，提出3 种解决方案，并进行了分析比较。 通过对本课题的研究，针对性的采用一些新的思路和方法，系统的通用性、准确性、 可靠性、产品的成本等多个方面得到了改进和提高。 关键字：智能化住宅小区抄表系统四表远传物业管理水锤现象 里童堡三垄! 三堡堡主兰堡垒查 t i t i e ：r e m o t em e t e rr e a d i n g m a j o r ：e l e t r i ce n g i n e e r i n g n a m e ：l i u y u w e i s u p e r v i s o r = l i uj u n x u q i n g z h i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： i nm o d e ms o c i c t y , s o 蛳n 州c o n c e p t sr e g a r d i n gr e s i d e n t i a lc o m m u n i t ym a n a g e m e n t s u c ha si n t e l l i g e n c e s e r v i c ef o c u s e do nh u m a nb e i n ga n dm a n a g e m e n ti nas c i e n t i f i cw a y , h a v eb e c o m eab i gc h a h e n g et ot h e i r c o r r e s p o n d i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i f ee n v i r o n m e n t ，i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m sc a u s e db yt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w h i c hi n c l u d e h i g hw o r u o a d ，h u m a nc r r o ra n ds e c u r i t yi s s u e s ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m sf o rf o u r m e t e r s ( w a t e rm e t e r s ，e l e c t r i c i t ym e t e r s ，n a t u r a lg a sm e t e r sa n dh e a t i n gm e t e r s ) t h a tm a k em e t e rr e a d i n ga n d p a y m e n tr e c o r d i n ga u t o m a t i c , h a sb c m e 粗e s s e n t i a lp a r to fm o d e e bi n t e l l i g e n tr e s i d e n t i a lc o m m u n i t y m a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c em a r k e tr e q u i r e m e n t s , a n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p e c i f i c a t i o n so fr e m o t e m e t e rr e a d i n gs y s t e m si nt e r m so fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n f o c u s i n go nt h er e s o l u t i o n st ot h ed e f e c t s w i t ht h ec u r r e n te x i s t i n gs y s t e m so ut h em a r k e t ，s u c ha sa c c u r a c yp r o b l e m so fm e t e r s ( w a t e rh a m m e r ) , f u n c t i o n a l i t yc o r r n p t i o oi s s u e sc a u s e db yt h el a t e n c yo ft r a n s p o r tn e t w o r k ，n e t w o r ki n f r a s t r u c t u r ei n f l e x i b i l i t y i s s u e s , s e l fd i a g n o s t i ca n d a f f o rc o r r e c t i o n i s s u e s ，a n ds y s t e ms e c u r i t yi s s u e s ，t h ed e s i g nl o g i ca n d i m p l e m e n t a f i o nm e t h o d sa r cp r e s e n t e da b o u ts o m eo ft h ec r i t i c a lt e c h n i c a lp i _ o s s s o m eo ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa p p l i e di nr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m sm a k ei tp o s s i b l et ob r e a k t h r o u g hs o m eo ft h et e c h n i c a lb o t t l e - n e c k s t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 1t c w i pt e c h n o l o g y i m p r o v et h en e t w o r ks p e e da n dr e l i a b i l i t y 2 、c r ce r r o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y i m p r o v ed a t ai n t e g r i t y 3 ) s e c u r i t yd e f e n s et e c h n o l o g ya p p l i e di ns i g n a li n p u t ，c o m m u n i c a t i o na n dp o w e rs y s t e m s i m p r o v e s y s t e ms e c u r i t y 4 、s e l f - s u s t a i n e ds w i t c ht e c h n o l o g y 一五xap e r s i s t e n td e f e c ti nw a t e r m e t e rr e m o t er e a d i n g w a t e r h a m m e rp r o b l e m m e a n w h i l e ，r e f e r r i n gt ob a c n e tp r o t o c o lw h i c hi sc o m m o n l ya p p l i e di nb u i l d i n ga u t o m a t i cc o n t r o la r e a ，a c o n c i s ea n de f f e c t i v ep r o t o c o li s tu p i nn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ，as p e c i f i cr e s e a r c hi sp e r f o r m e do n r s 4 8 5n e t w o r k a n ds e v e r a lf e a s i b l en e t w o r ka r c h i t e c t u r e sa mp r e s e n t e dt os a t i s f yt h en e e d si nd i f f e r e n t s c e n a r i o s i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r n a lm e c h a n i s mo f w a t e fh a m m e rp r o b l e mi sa n a l y z e da n d3r e s o l u t i o n sa r ep r e s e n t e d 。 a n dp r oa n dc o na b o u tt h e s er e s o l u t i o n sa r ea l s oa r g u e d w i t ht h er e s e a r c ha b o u tt h i sp r o j e c t ，i n cn e wt h o u g h t se n dm e t h o d sa r ea p p l i e d a n dt h es y s t e m s c a l a b f l i t y , a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e d k e yw o r d s ：i n t e l l e c t u a lr e s i d e n t i a lc o m m u n i t y , m e t e rr e a d i n gs y s t e m r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n 缸 ”f o u rm e t e r s ”，f a c i l i t ym a n a g e m e n t ，o u t d o o rm e a s u r e m e n t ，w a t e rh a m m e rp r o b l e m n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 k 在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 亨外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 畏的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：琵哔刁年，。月“日 学位论文使用授权声明 本人嚣4 2 童二压靼导师的指导下创作完成毕业沦文。本人已通过论文的答辩，并 三经在西安理i 大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 时研目的，学校可以将公开的学位沧文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 、，z 一 论文作者签名：峭导师签名：蛎够，月咖 综述 1 综述 在现代生活中，智能化住宅小区除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时 的物业管理带给住户。信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对 一些传统的理念提出了挑战。随着科技的进步、人民生活水平的提高，远程抄表系统成 为小区“智能化建设”的一个重要部分。 远程抄表系统是为了计量和管理对水、电、气等能源、资源的消费状况，并为收费 提供依据而产生的。随着生活水平的提高，人们对资源的消费日益增长，资源消费的计 量、管理和收费工作日益繁杂，提高管理层次和自动化水平的产品必然会应运而生。 为了解决传统的抄表方式工作量大，人为的统计错误以及治安问题给物业管理和用 户带来极大不便等问题，实现住宅的四表( 水、电、燃气、热能表) 出户自动抄表、自动 计费，己成为新型智能小区的必备条件。 建设部1 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：“推广应用户外计量( 含水、电、暖、燃气表) 技术”。在 中国住宅 用户年度发展纲要中也明确提出：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，开发智能化的水、电、气、热计量装置及接口箱柜。智能化计 量装置的开发要达到计量准确、抗干扰能力强、稳定性与耐久性好，使用安全，防盗等 基本技术性能要求。目前耗能表户外计量自动抄表系统已经得到了应用。 远程智能抄表系统的问世，彻底改变了传统的费时费力的人工抄表方式。管理部门 足不出户，通过电脑网络自动抄表系统就能准确知道各级用户的水、电、气等的使用情 况。可以实现自动抄表、计费、统计，以及远程通断控制功能，通过与银行数据联网可 以实现自动转帐收费等功能，体现了高科技、智能化的科学管理模式。 远程抄表系统是将通讯技术和计算机技术运用到小区智能化抄表系统。节省时间、 人力、物力，提高工作效率，降低物业成本，准确及时地将住户所使用的四表数据显示 出来，为实现小区科学、系统的物业管理提供了有效的解决方案。 2 a l 2 4 l 与抄表系统相关的国家或行业标准及实施情况 d l 1 6 9 8 1 9 9 9 ：低压电力用户集中抄表系统技术条件由中华人民共和国国家电 力总公司组织起草，由中华人民共和国经济贸易委员会发布，于2 0 0 0 年7 月1 日正式实 施。 j g 1 1 6 2 - 2 0 0 4 ：住宅远传抄表系统一数据专线传输由中华人民共和国建设部政 策研究中心住宅厨房卫生间技术研究所、中国房地产及住宅研究会住宅设施委员会组织 起草，2 0 0 4 年6 月3 0 日发布，2 0 0 4 年1 2 月1 日正式实施。闭 c j t 1 3 3 2 0 0 1 ( i c 卡冷水水表 g b t7 7 8 1 - 1 9 9 6水表 g b t1 7 2 1 5 2 0 0 2 电表 西安理工大学工程硕士学位论文 g b t6 9 6 8 - 1 9 9 7燃气表 1 1 需求分析及国内外技术情况 目前，国外发达国家和地区应用的远程抄表技术，主要有以下三种方式：集中抄表( 表 具出户，集中在楼宇) ；电力载波传输以及f t t b + l a n 传输。但这三种方案都有其自身的 缺陷，如集中抄表只解决了不用入户的问题；电力载波传输的数据传输可靠性较差； f t t b + l a n 传输的缺陷在于投资费用太高，因此普及程度根本达不到远程抄表系统的要求。 2 0 0 0 年以前，我国住宅普遍采用将电表、水表、燃气表安装在用户室内，尤其是北 方地区更是这样。每月入户抄表收费给用户带来很多麻烦，给抄表人员带来烦恼，有时 也造成了很多不必要纠纷为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端，提高效率，避 免因入户抄表引发的问题和杜绝拖欠费用，耗能表户外计量呼声越来越高，传统抄表方 式已经不能适应今后住宅的发展要求。 从目前房地产市场来看，特别是住宅市场风头正旺，以北京市场为例，2 0 0 4 年北京 新竣工的住宅面积达到3 5 0 0 万平方米，近3 5 万套商品住宅进入市场。根据建设部政策 研究中心对北京的2 0 0 4 年住宅项目的四表( 电表、水表、燃气表、热能表) 是否入户抄 表进行统计分析表明，北京市2 0 0 4 年竣工的普通住宅8 7 都实现非入户抄表的方式瞄i 。 随着文明和谐社会的不断完善，非入户抄表方式将是未来解决水、电、暖、燃气等计量 手段的优选方案。此举将为远程抄表提供巨大的市场机会。 从目前的应用的技术来看，目前国内普遍采用的耗能户外计量的解决方式有两种： 预付费式( i c 卡表) 和远传抄表系统。 1 预付费( i c 卡表) 计量方式 i c 卡预付费系统 与目前流行的电话卡原理相同。每个计量器具( 水、电、燃气、热能表) 加装智能 单元，利用i c 卡作为媒介，用户去物业或银行对i c 卡充值，由于是提前消费，称之为 预付费式1 1 5 1 。该方案简单易行。 i c 卡预付费系统的主要问题 ( 1 ) 随电子技术和微机的不断普及，i c 卡质量不过关，很容易被解密，造成假卡情 况，由于开放管理，这样就给物业和国家带来巨大的损失。 ( 2 ) 家用水表的供电是卡表的致命问题。 ( 3 ) i c 卡表抗干扰能力弱，质量问题突出，特别是开放的读写窗口，易受外界攻击， 造成控制系统失效，难以取证认定，极易发生纠纷。 ( 4 ) 难以上网抄读耗能表数据，更不能实现整个小区及城市水网、气网、电网的自 动抄收。 ( 5 ) 水、电、气管理部门难以动态管理。 ( 6 ) 随意切断合同用户的水、电等生活必需品将引发深层次的法律问题。 2 远程抄表系统 2 综速 远程抄表系统是一个由中心站计算机、集中器、采集终端和计量表组成的网络系统。 基本工作原理是利用电子技术和传感技术，对传统电表、水表、燃气表加以改进， 使其成为远传表，在户外装一套计量系统，将每一个计量表传感器传出的脉冲，经处理 后送到采集器存储，经函数变换送到智能电路单元，各单元通过数据总线并连，在数据 总线上任何一点皆可以用装有接收卡的计算机实现自动抄收三表数据。 远程抄表系统大体可分为有线抄表和无线抄表，见表1 - 1 。其中有线抄表采用专线 抄表( r s 4 8 5l o n w o r k s ) 、l a n 、p s t n 、电力载波抄表。无线抄表包括g p r s c d 姒抄表、 红外抄表、专用频段无线抄表。 表1 - 1远程抄表系统分类 远程抄表系统分类 有线抄表无线抄表 专线( l o n w o r k s 、r s 4 8 5 ) g p r s c d m a l a n ( 小区宽带)红外抄表 p s t n ( 公用电话网)专用无线电频段 。电力载波 薹几种远程抄表系统的简单介绍： a 童线塑塞：敷设专用网络( 一般为双绞线) ，采用r s 4 8 5 或l o n w o r k s ，如图1 - 1 ， 利用电子技术和传感技术，对传统电表、水表、气表加以改进，使其成为远传表f 在户 外装一套智能采集单元，采集计量表传感器传出的脉冲并进行处理和存储。智能采集单 元通过数据总线联网，在数据总线上任何一点皆可以用装有接收卡的计算机直实现自动 抄收三表数据。该方案安全可靠、工程造价低、抗干扰能力强。该方案是目前远程抄表 中广泛采用的抄表方式，约占所有抄表系统的9 0 左右。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 图1 - 1 远程抄表系统图 b 皇左夔这：把水表、电表、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电 力线传送，在接收端解调还原成 数据信号，在同一台配电变压器 供电范围内用户统一编址，并 由采集器巡回读写。电力载波主 要优点是利用电力线传输，节省 资源。特点是布线简单，但国内 电网复杂，杂波较多，通讯成功 率低，可靠性差是制约该技术推 广的最大障碍。 c 鱼8 墨丝巡控塞：图 卜2 为g p r s c d m a 抄表系统。该 系统将位子远程端的串行数据 通过g p r s c d 姒网络发送至电 力公司中心服务器，同时也能将 中心服务器的指令，通过中国移 动g p r s c d m a 服务网关g g s n ，图卜2g p r s c d m a 抄表系统 传达至远程设备。利用现有的无线通讯网络，实现远程抄表，技术上成熟、可靠，但网 t 综述 络前端通讯模块以及运行费用高，目前很少采用该技术。 d 红处塑表：将表移出户外，加装红外通讯模块，抄表人员手持抄表器，挨户抄表， 抄表人员的工作量大。瞄1 e 童眉题匮玉缉抄塞：每个表具加装无线通讯模块，采用专用无线电频段，使用抄 表采集车，在小区内实现近距离抄表。1 2 6 1 1 2 7 1 专线抄表衍生出的多种计量表具远程传输技术方案： ( 1 ) 脉冲输出型：对传统电表、水表、气表加装远传脉冲装置，使其成为远传脉冲 表，采集器是一个智能通讯节点，接收脉冲信号。该方式的特点是简单易行，改造费用 低，但对采集器的数据处理和保存要求较高。 ( 2 ) 智能终端型：对传统电表、水表、气表加以改进，使其成为智能终端，具备通 讯功能，每只表就是一个通讯节点。但是该方式改造费用高，技术复杂，整个网络的通 讯节点过多，导致抄表速度缓慢，但数据可靠性比第一种方案高。 以上两种方案在实际应用中广泛采用。现场情况复杂多变，出现了很多新情况新问 题，为了解决不断出现的新问题，技术上不断的改进提高，出现了下面两种新技术。 ( 1 ) 字轮识别型：是将第一种和第二种特点的综合，输出的信号为直接识别的字轮 信息。 ( 2 ) 摄像直读型：采用廉价的c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 技术，直接将表具的 读数以图像的形式传回工作站。特点是表具的改造方便易行，尤其解决燃气表的安全防 爆问题，价格适中，图像显示直观。但图像识别技术是该系统发展的最大障碍。 1 2 目前市场上系统所存在的技术问题 1 远传表具引起的计量不准 目前使用的各种脉冲表产生脉冲的传感器一般可分为霍尔元件型、干簧管型和光电 转换型。 霍尔元件型的基本原理是在普通转盘计数的表计中加装霍尔元件和磁铁，即可构成 甚于磁电_ 转换技术的传感器。霍尔元件周定安装在计数转盘附近，磁铁安装在计数盘上， 当转盘每转一周，磁铁经过霍尔元件一次即在信号端产生一个计量脉冲。1 1 6 】【1 7 】 干簧管型的基本原理是在普通转盘计数的表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装 在计数转盘附近，磁铁安装在计数盘上，当转盘每转一圈，磁铁经过干簧管一次即在信 号端产生一个计量脉冲。 光电转换型的基本原理是在表计转盘附近装一个光电转换器，转盘上有一黑条，当 转盘转一圈时，黑条经过光电转换器，完成一次光电转换，输出一个脉冲。目前水、气 表主要采用干簧管型和霍尔元件型，而光电转换型仅限于电表。从原理上不难看出，脉 冲数量的准确度将影响抄表系统的准确度。从目前实际使用的情况来看，远程气表、电 表的脉冲准确度较高。水表的情况不尽如人意，甚至是非常糟糕。原因主要有防磁性能 差、水管发生水锤现象。 5 西安理工大学工程硕士学位论文 从原理上不难看出，远传水表产生脉冲依赖于磁铁，如果在远传水表的外界施加一强 磁铁，水表就将不会产生脉冲，而水照样可用。这就导致了抄表系统不准确，而用户就 可以不付费用水了( 即偷水现象) 。因此脉冲水表必须能防磁。然而在实际使用的远传水 表中，防磁的远传水表不到2 0 。 在供水管道系统中，管流的流速、压力等参数均随时间变化而变化。如果发生水流瞬 变流动而引起一系列急剧的压力交替升降的压力冲击现象，管道将发生剧烈振动和较大 的声响，这种现象被称为水锤现象。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，即是水锤现象。正是这种剧烈的抖动造成了干簧管簧片在很短时问里，频 繁地吸合，发出大量不该有的脉冲。这也就导致了抄表系统的不准确性。水锤现象产生 原因极其复杂，与管道内壁磨擦力、压力、水流速等均有关系，难以从根本上解决它。 2 网络速度慢导致抄表系统的部分功能缺失 从目前调研的结果来看，大多数抄表系统还是采用单一的网络结构，r s 4 8 5 或采用 l o n w o r k s 。通常r s 4 8 5 的通讯速率为9 6 0 0 b p s 或1 9 2 k b p s ，l o n w o r k s 的通讯速率为7 8 k b p s ， 对于一个中等规模的小区( 按2 0 0 0 户计算) ，通讯节点( 智能采集器) 的数量一般为2 0 0 0 点左右，如此庞大的网络节点数量，若采用轮巡方式实现抄表，网络速度是一个不得不 考虑的闯题。经过计算，理论上的轮巡一次的时间为1 5 0 1 2 0 0 秒。 建筑物内的情况复杂，各种干扰源对通讯的成功率影响很大，有的建筑物取消了弱 电竖井，直接将系统安装在强电竖井内，电力干扰对通讯的影响将直接关系到该项目能 否成功；环境因素干扰导致通讯质量变差，或某个节点出现通讯故障，系统对一个节点 进行多次的呼叫和轮巡，占用大量的网络时间，将直接影响到网络的通讯速度。对于具 有实时报警的系统来说，如此长的轮巡周期，使得这些功能变成了摆设，甚至连最基本 的实时抄表功能也无法实现。 实地考察某小区，该小区共有5 6 0 户，安装某厂家的远程抄表系统，采集器4 8 9 台， 前端表具2 6 6 5 台，网络结构采用单一r s 4 8 5 通讯，通讯速率为1 9 2k b p s ，整个网络轮巡 一遍的周期最短为5 5 秒，最长时为2 6 分钟，考察结果表明单一r s 4 8 5 网络轮巡速度依 赖于通讯质量和通讯单元的状态。 3 自检、容错技术不完善 智能采集器的故障检测对于脉冲输出的表具来讲，采集器的状态将直接影响到系统 的准确度问题，所有的计量数据均保存在采集器中。一旦采集器出现故障，计量也就随 之停止。因此，采集器的高可靠性和自检技术是系统设计必须考虑的问题，同时必须具 备采集器实时故障报警功能。 耗能表的远传装置是通过2 芯或3 芯电缆与采集器相连，尽管线路敷设均采用保护 套管，但不可避免存在部分线路裸露的情况，会出现线路短路、断路等情况，势必会对 数据采集带来影响，严重影响抄表的准确度。远传传感器目前一般均采用干簧管、霍尔 元件等器件，对外界磁场敏感，外加强磁场，会导致计量停止的情况出现。 综述 j g t1 6 2 2 0 0 4 住宅远传抄表系统标准中明确提出，系统应具备如下功能：( 1 ) 故 障诊断功能；( 2 ) 防短路、断路；( 3 ) 防窃功能。 本文在消化吸收住宅远传抄表系统的首部行业标准( j g t1 6 2 2 0 0 4 ) 的基础上，提 出了一些新的思路，并将多项新技术在该系统中进行了应用，用相对较低的成本，解决 了实际应用中的一些问题，收到了良好的效果；在功能上，对系统的功能需求进行重新 集合和规划，提出了以户为单位的智能采集单元，提高了系统的性价比和市场竞争力。 1 3 本文的主要工作 、 本文在对复杂工况进行分析研究以及对用户的实际需求进行调研和分析的基础上， 提出一种基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统的整体解决方案。 对目前抄表系统所出现的问题进行了深入的剖析，重点对系统的防护性能、r s 4 8 5 网络拓扑结构、水锤现象等系统技术难题进行了研究，找出技术瓶颈，将一些成熟的技 术例如工业以太网、循环冗余校验( c r c ) 技术、b a c n e t 等应用于该系统的设计中。 主要工作包括： ( 1 ) 智能采集器的软硬件设计、开发； ( 2 ) 工作站软件的设计、开发； ( 3 ) 通讯协议的规划、制定； ( 4 j 计量表具远传模块的设计、开发； ( 5 ，系统网络拓扑结构的研究、开发与应用。 本系统在技术上与其它已经商业化的系统相比，主要解决了以下问题： ( 1 ) 解决水锤现象，提高远传表具远传脉冲的准确性； ( 2 ) 创新的防护体系，提高了防护功能。 ( 3 ) 提高网络的速度、数据通讯的可靠性。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 2 基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统总体方案 2 1 系统的基本组成 规划设计的新一代智能远程抄表系统命名为w e g 智能小区抄表系统，系统总体结 构如图2 一l 所示，该系统由四大部分组成。 物业管理中心 网络集中器 智能采集器 用户终端设备( 计量设备、执行器等) 为了全市联网，或者实现通过互联网的远程监控，抄表管理软件规划时预留了与 i n t e r n e t 的软件接口模块。 2 2 系统的主要应用技术 基于t c p t p + r s 4 8 5 专线的抄表系统，将多项新技术应用于该系统中，用相对较 低的成本，解决实际应用中的一些问题；对系统的功能需求进行重新规划，提出了以户 为单位的智能采集单元，提高了系统的性价比和市场竞争力。 应用的几项新技术主要包括 ( i ) 工业以太网解决网络的拓扑问题； ( 2 ) 自保持开关成功解决棘手的水锤现象； ( 3 ) 循环冗余校验( c r c ) 技术解决了通讯中的数据可靠性的问题； ( 4 ) 采用简单、廉价的电阻网络，来满足国家标准及对表具的防护要求。 8 基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统总体方案 2 3 系统的基本结构及特点 2 3 1 系统结构 图2 1 系统结构示意图 ( 1 ) 模块化开放型网络 “系统连接采用总线方式，各用户并接在总线上，在网上任意一点都可抄读三表数据， 便于整个小区及城市水网、气网、电网的自动抄收。 该系统具有独立的用户处理装置。各用户独立运行，不会因相互间的干扰及系统连 接总线的短路或断路造成数据丢失和混乱，确保抄收及时，数据准确。 网络具备报警功能。将老人救护、防盗、煤气泄漏，盗用水、气等报警集为一体， 发生任一警型即报管理中心，以便及时处理。 网络具有控制功能。如用户不交费，可通过网络控制断气、断电、断水，与卡表强 制收费的作用相同。 网络结构采用管理级和现场级两级网络。现场级网络采用r s 4 8 5 ，管理级网络采用 t c p i p ，整个网络可管理的智能采集器的最大数量为4 0 9 4 个。 ( 2 ) 智能采集器 以家庭为中心的模块化结构，每个采集器规划6 个脉冲量输入，2 路通用开关量输 入，2 路通用开关量输出。 脉冲抄表。智能采集器可管理6 个用户电表、水表、气表及热能表，实时采集用户 计量设备数据并进行运算、记录，根据指令执行抄表功能。 输入、输出。采集器具有通用可编程输入、输出各2 路。通用输入可用于紧急呼叫、 9 西安理工大学工程硕士学位论文 煤气泄漏报警、物业安防、监控等功能。通用输出用于处理来自物业管理中心的指令， 控制用户设备，实现综合物业管理、监控功能。 参数设置。可在本地或通过远方指令设置表底数、高位地址、脉冲常数等参数。 付费率功能。在任意2 4 小时的时段内可任意实现峰、平、谷三种时段的分别计量。 电源失电保护。当交流电源停电后，可继续工作2 4 小时以上，数据存储介质为e 2 p r o m 。 保证数据1 0 年不丢失 人为故障检测。当计量设备的连线开路或短路时能自动检测、记录并报警。 2 3 2 系统特点 ( i ) 两级网络结构，响应速度快，安全性高 ( 2 ) 可利用小区已有的宽带网进行数据传输 ( 3 ) 通讯成功率高 ( 4 ) 以家庭为中心的模块化结构，降低成本，便于系统维护 ( 5 ) 具有安防报警等综合物业功能 ( 6 ) 具有热能计量、复费率计费等系统扩展功能 ( 7 ) 人为故障检测功能 2 4 系统的主要硬件 2 a l 集中器 远程抄表系统是一个通讯节点模块 相对较多的网络系统，为了提高系统的网 络速度和可靠性，集中器主要作用是将整 个抄表网络分成若干个子网，每台集中器 即为一个子网，图2 - 2 为集中器实物图。 住宅小区基本上都是有多栋住宅楼组 成的，r s 4 8 5 是一种总线形式结构，对于 分散的小区，该网络结构带来的问题是( 1 ) 布线复杂；( 2 ) 楼外路由，布线造价高； ( 3 ) 通讯只有一条路由，不符合危险分散图2 - 2 集中器d e - 3 1 1 的原则。目前大多数新建小区，均有小区网络布线，利用小区局域网作为该系统的 二级网络，集中器同时起到网关的作用。 工业以太网( e t h e r n e t ) 产品是近几年兴起的一种网络产品，它的出现使得原来 传统的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等传统的通讯模式很轻易的通过局域网来传输。台湾摩莎公 司的以太网转换器( n p o r t e x p r e s s ) d e 3 1 1 可以满足系统的使用要求，作为远程 抄表系统的网络集中器。 基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统总体方案 集中器安装在住宅楼内。集中器与控制中心计算机通过小区局域网连接。负责 管理子网内的采集器。每个集中器最多可以管理1 2 8 台智能采集器，根据操作站设 置的时间间隔抄收用户的表具数据并进行存储，空闲时，系统对各采集器的状态进 行轮巡。 2 4 2 智能采集器 智能采集器的开发是本系统开发的核心任务之 一，智能采集器如图2 - 3 所示。 采集器负责对用户的终端表具进行管理和计 量，为系统的核心的控制器。其主要功能有： 通讯节点、耗能表具计量、数据存储、系统参 数的设置存储、数据转换、自检和表具的状态检查、 远程通断控制、报警管理等。 脉冲抄表：w e g 智能采集器可管理6 个用户电 表、水表、气表及热能表，实时采集用户计量设备 数据并进行运算、记录，根据指令执行抄表功能。 输入、输出：采集器具有通用可编程输入、输 出各2 路。通用输入可用于紧急呼叫、煤气泄漏报警、图2 - 3 智能采集器 物业安防、监控等功能。通用输出用于处理来自物业管理中心的指令，控制用户设备， 实现综合物业管理、监控功能。 参数设置：可在本地或通过远方指令根据被抄读表具的初始值设置其在装置中的表 底值、仪表常数、通讯波特率等。 电源失电保护：当交流电源停电后，可继续工作2 4 小时以上，且已储存的数据1 0 年不丢失。 人为故障检测：当所接计量设备的连线开路或短路时能自动检测、记录并报警。 用户终端设备： 用于居民住宅能耗计量的仪表。包括水表、电 表、燃气表和热能计量表，系统所用耗能表为脉冲 输出型。耗能表分别符合g b t 7 7 8 1 3 9 6 ， g b t 1 5 2 8 3 - 9 4 和g b 6 9 6 8 - 8 6 的要求( 以上三个标准 分别为水、电、煤气表的国家标准) 。 本系统所采用的计量电、水、燃气等耗能量的 表具是一种既能直观显示相关能耗计量数据，又能 产生相关能耗计量脉冲信号的新型计量表具，它实 际上是一种加装了传感器的电表、水表、燃气表等。 而传感器实质上是一种基于磁电转换技术、光电转图2 - 4 远传水表 1 l 西安理工大学工程硕士学位论文 换技术的脉冲电路单元。例如，在普通转盘计数的水表( 或燃气表) 中加装霍尔元件和 磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器。霍尔元件固定安装在计数转盘附近，永磁 铁安装在计数盘( 例如0 0 0 1 立方米) 位上，则当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一 次即在信号端产生一个计量脉冲，对应0 0 1 米3 ，其工作电压由采集器提供。在住宅耗能 自动抄收系统中，各种用户耗能数据的采集以及数据信号的各种转换均由远传耗能表完 成，这些表在该系统中包括远传冷、热水表、远传电表、远传煤气表。远传耗能表一般 是在保证计量的可靠性及准确性的前提下，在普通耗能表的基础上进行相应的改装得到 的，图2 - 4 是经过改装后的远传水表。 2 5 系统设计要求及技术难点 常规功能的实现； ( 1 ) 自动抄表系统抄表模块组成二级网络，在管理微机上可以实现小区每位住户的 水表、电表、煤气表以及热能表的抄读。 ( 2 ) 实现远程控制，可在管理中心对三表实施关断或开启。当发生灾害时，管理 中心代用户关断煤气或供电，减少安全隐患；当发生欠费或违章事件时，可通过网络实 旋关断水、电、煤气的供给，强化收费管理及违章处理。 ( 3 ) 具有煤气泄漏报警、抄表通信中断、传感器断线和短路、煤气阀门工作不正常、 电池欠压等情况报警功能，并可记录报警历史数据。 ( 4 ) 在管理微机上能够查询小区内每一个计量表实时读数。 技术难点： ( 1 ) 可靠性和准确性：通讯数据误码率为1 0 。6 以下，计量表具的远传误码率为0 ， 克服水锤现象对计量数据的影响。各用户独立运行，不会因相互间的干扰及系统连接总 线的短路或断路造成数据丢失和混乱，确保抄收及时、准确。 ( 2 ) 稳定性：采用网络传输技术，数字化数据传输，有极高的抗电磁干扰能力；网 络系统具有集中供电功能，停电时系统的备用电源可确保本系统在2 4 小时内安全可靠地 工作。系统停止工作，数据保存1 0 年以上。 ( 3 ) 通用性：智能化抄表系统是一个开放性的系统，对计量表具没有过多限制，要 求可以适应具备各种远传功能的计量表具。采集器的脉冲输入端子，需要有很好的通用 性，以适应o c 门、继电器、光耦、t r l 电平等多种接入方式。 ( 4 ) 严密的防范体系：智能化抄表系统软件设置了多级密码，对系统进行权限分级 管理；硬件部分全部置于封闭箱柜中，有完备的防护措施；对电源端子、远传脉冲输入 端子、通讯端子要有不同的防范手段。防雷击、防高电压及防电源接反措施，具有智能 监测功能，可以实现线路断线、短路报警，保证了系统的安全可靠运行。 ( 5 ) 模块化设计：采集器是以户单位的需求设计的，集成了安全防范的部分功能， 有利于系统的扩展和升级；系统软件的通讯子模块采用动态连接库的形式，随着通讯协 基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统总体方案 议的不断完善，采集器系列的不但丰富，只需对动态连接库进行编译即可，大大简化和 系统升级和维护的工作量。 ( 6 ) 快速反应：5 0 0 户以内，3 0 秒内全部抄表完成；各种报警信息1 0 秒钟内反应。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统系统设计 远程抄表系统设计主要工作包括下列三个方面： ( 1 ) 远程抄表管理系统应用软件编制 ( 2 ) 通讯协议的规划制定 ( 3 ) 智能采集器的软硬件设计 网络集中器采用台湾摩莎公司的以太网转换器( n p o r te ) 【p r e s s ) d e 3 1 1 。 计量表具远传装置与专业的水、电、气等厂家共同设计，制定远传模式和检测方案， 设计方案将在本文第七章中详细的介绍。通过改造，远传装置的可靠性和稳定性有了明 显的提高，收到良好的效果 3 1 i 物业管理中心工作站设计 物业管理中心的硬件包括工作站、打印机、不间断电源。 系统应用软件为基于w i n d o w s 2 0 0 0 、n t 、x p 的远程抄表系统以及 o f f i c e a c c e s s 数据库软件组成的计算机应用系统。 9 大功能模块包括： ( 1 ) 操作员管理： ( 2 ) 用户管理； ( 3 ) 抄表管理； ( 4 ) 缴费管理； ( 5 ) 设备管理； ( 6 ) 报警管理； ( 7 ) 控制管理： ( 8 ) 价格管理； ( 9 ) 帮助。 物业管理中心是整个系统的管理控制中心，控制整个系统的工作，完成用户管理、 抄表管理、统计管理、缴费管理、报警管理和控制等各项工作。 物业管理中心通过局域网管理网络集中器，软件规划每台物管中心工作站最大可管 理3 2 台网络集中器； 本系统主要功能包括：基础数据管理、抄表与控制、查询统计、集中器设置、系统管 理、管理工具。 1 、系统管理包括：用户管理、角色管理、单位管理、权限分配、抄表任务管理等 模块。 ， 2 、基础数据管理信息包括集中器信息、采集器信息、用户信息等。 3 、抄表与控制，是本系统的核心部分。主要包括手工抄表、自动抄表、表具监控、 基于t c p i p + r s 4 8 5 专线的抄表系统系统设计 通断电控制等模块；实时抄收系统所接的全部或任意一区的所有或任意的表具数据，控 制中心可以自动抄收所有集中器存储的数据。 4 、查询统计：主要包括档案信息查询、抄表数据查询、抄表故障查询、用户电量 统计等。可以查询到每个表计所对应的用户信息。查询结果可生成查询报表。 5 、集中器设置：主要包括集中器密码设置、集中器表号管理、集中器动作、集中 器系统参数、集中器时钟校对、集中器时段管理