遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器的設(shè)計與實現(xiàn)

王宏文，韓振磊，郝春華

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

針對人工抄表工作量大、效率低下、漏抄誤抄率高、實時性差、可靠性低、無法及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場故障等不能滿足現(xiàn)代化和信息化的要求[1]，抄表不需人力，僅依靠網(wǎng)絡(luò)和計算機快速而準(zhǔn)確地完成遠(yuǎn)程無線集中抄表將成為發(fā)展趨勢。設(shè)計一套成本低廉、布線簡單、安裝方便、維護(hù)費用低、運行穩(wěn)定的自動抄表系統(tǒng)將起到節(jié)省人力、提高抄表效率和經(jīng)濟(jì)效益的作用。本設(shè)計已在2014年4月正式投入使用。

1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)構(gòu)成

一套完整的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)自上而下包括上位機、集中器、采集器、熱量表，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)自上而下采用主從式機構(gòu)，只有主站才能發(fā)起通信，從站只能應(yīng)答。上位機軟件運行在服務(wù)器上，由它定時發(fā)出抄表命令或設(shè)置信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中器進(jìn)行通信。管理員可通過鏈接互聯(lián)網(wǎng)的PC機瀏覽抄收的數(shù)據(jù)信息和對系統(tǒng)下發(fā)命令。

圖1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Remote meter reading system structure

項目中一般一個樓棟只安裝一個集中器，安裝集中器的單元不安裝采集器，其余每個單元均安裝一個采集器，集中器既有采集器的功能又有采集其他采集器數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器的功能。集中器通過RS485總線連接若干個采集器和熱量表[2]。集中器依據(jù)采集器和熱量表獨一無二的地址信息順序統(tǒng)一抄讀。其中集中器與其所在單元的熱量表和集中器與采集器間采用同一條RS485總線，各個單元的采集器和其對應(yīng)單元的熱量表間采用不同的RS485總線形式并聯(lián)起來。

2 集中器的硬件結(jié)構(gòu)

集中器是連接各用戶的智能熱量表和控制中心的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起到承上啟下的作用。其主要功能是完成數(shù)據(jù)信息的采集、管理、存儲和上傳[3]。集中器的硬件結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)通信接口、存儲設(shè)備和電源模塊。其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集中器硬件設(shè)計Fig.2 Design diagram of concentrator hardware

（1）集中器的通信功能：采用單片機STM32F103的USART1控制M-Bus主站采集樓棟大熱量表數(shù)據(jù)信息。USART2連接RS485總線采集用戶數(shù)據(jù)和采集器數(shù)據(jù)。USART3作為顯示接口，用于顯示系統(tǒng)的時間等配置信息。UART4連接組態(tài)軟件，安裝完畢后系統(tǒng)需通過此接口進(jìn)行配置信息的輸入和維護(hù)時通過此接口查看系統(tǒng)的運行狀態(tài)。UART5通過RS232與DTU GPRS模塊相連接，作為采集數(shù)據(jù)上傳的通信接口。

（2）集中器存儲功能：STM32F103單片機內(nèi)部有64 K的RAM，作為采集數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，有512 K的FLASH，除了程序所占的存儲空間外可開辟2 K的配置信息存儲區(qū)，單片機外設(shè)配有4G的SD卡作為異常信息的存儲和采集數(shù)據(jù)的備份區(qū)，在上位機出現(xiàn)故障時可作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的重要依據(jù)。

（3）集中器的電源部分：電源部分由電源模塊和電源轉(zhuǎn)換芯片組成，其組成框圖如圖3所示。

圖3 電源組成框圖Fig.3 Block diagram of power

M-Bus主站正常工作需要-24 V和+12 V的穩(wěn)壓電源，M-Bus主站發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線壓差36 V表示邏輯“1”，壓差 24 V 表示邏輯“0”，采用金升陽帶隔離DC-DC模塊，其輸入范圍為18 V～40 V，輸出電壓為24 V或12 V，將2個模塊的輸出疊加可以滿足要求[4]。DTU模塊需要+12 V的直流穩(wěn)壓電源供電，采用LM2575-12組成的穩(wěn)壓電路可滿足要求。RS485總線和LCD屏正常工作電壓是+5 V，采用LM2575-5組成的穩(wěn)壓電路可滿足要求。

3 集中器的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用狀態(tài)機模式，集中器的任務(wù)調(diào)度依靠RTC分時完成，提高了系統(tǒng)的實時性。狀態(tài)機模式如圖4所示。

集中器程序設(shè)計時把整個系統(tǒng)分成了6個任務(wù)，分別為實時接收組態(tài)軟件配置信息、采集解析樓棟大熱量表數(shù)據(jù)、采集各戶熱量表數(shù)據(jù)、采集各單元采集器數(shù)據(jù)、定時上傳采集數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和定時存儲異常信息和采集數(shù)據(jù)到SD卡[5]。集中器軟件設(shè)計主流程圖如圖5所示。

圖4 集中器軟件設(shè)計模型Fig.4 Design model of concentrator software

圖5 集中器軟件主流程圖Fig.5 Main process diagram of concentrator software

集中器程序設(shè)計時把系統(tǒng)的主任務(wù)都分配狀態(tài)標(biāo)志位，然后把每個主任務(wù)分成若干個次級任務(wù)，同時也分配相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位。主程序執(zhí)行過程是每執(zhí)行完一個次級任務(wù)都會返回到狀態(tài)標(biāo)志位的查詢狀態(tài)，這樣保證系統(tǒng)任意任務(wù)都能機會平等地占用CPU資源，保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。狀態(tài)標(biāo)志位一般由RTC、上位機和組態(tài)軟件觸發(fā)產(chǎn)生。

4 集中器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

本設(shè)計中，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)路層和應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)信息是以幀形式傳輸?shù)?，每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、CRC校驗碼和結(jié)束符7部分組成。下行通信都是集中器主動發(fā)出命令幀開始的，被選擇的熱量表或者采集器根據(jù)命令幀的要求做出響應(yīng)[6]。通信中為了防止通信失敗，必須建立命令重發(fā)機制，重發(fā)次數(shù)最多為3次。幀是數(shù)據(jù)傳送的基本單元，發(fā)送和響應(yīng)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format

5 結(jié)語

本文提出的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中集中器的設(shè)計方案能滿足多種儀表的自動化管理，如水表、熱量表、電表和燃?xì)獗淼染刹捎帽驹O(shè)計。由于本設(shè)計安裝簡便、成本低廉、維護(hù)費用低、運行費用少、產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，極大地促進(jìn)了我國熱計量系統(tǒng)的改造。本系統(tǒng)具有多種總線型接口，軟件稍加改造就可應(yīng)用于物資管理、醫(yī)療監(jiān)控、消防安全等行業(yè)，因而其具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王富斌.短距離無線通信技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[2] 王曉蘭，譚文忠.基于儀表總線的嵌入式接口設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004（6）：43-47.

[3] 郜煥平.基于模糊產(chǎn)生式規(guī)則的智能管理模型及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2005（11）：29-30，86.

[4] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006：196-212.

[5] 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6] 閏德光，謝軍龍，戴汝平.M-BUS二線制總線[J].自動化儀表，2003，24（3）：33-36. ■