季勇，仇國富

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在供熱服務(wù)行業(yè)中，通過計量熱量收費(fèi)明顯比傳統(tǒng)的按住宅面積收費(fèi)的方式更加合理，但是，由于種種原因，前者一直沒有得到有效普及，抄表問題是其中的一個重要問題。

自來水等行業(yè)中一直沿用的抄表員入戶抄表的方式不僅效率低下，而且對于以前不需要抄表員的供熱公司，使用這種方式額外增加了人力成本。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，供暖計費(fèi)領(lǐng)域必將選擇自動抄表方式[1]。

在我國水、電、煤氣、供暖等行業(yè)中，除供電行業(yè)在小范圍內(nèi)使用了遠(yuǎn)程抄表方式[2]外，包括供暖行業(yè)在內(nèi)的其他行業(yè)并沒有成熟的遠(yuǎn)程抄表方案，其中供暖行業(yè)要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表面臨以下問題：1) 采用純無線通信的抄表系統(tǒng)由于通信能耗大，很難解決熱量表供電的難題，而純有線抄表在線路鋪設(shè)和后期維護(hù)方面難度也很大；2) 由于居民已習(xí)慣按面積收費(fèi)的供暖計費(fèi)方式，如果采用以一個城市所有用戶為對象的熱量表抄表系統(tǒng)難以短時間內(nèi)被如此大量的居民所接受[3]。

基于以上兩點(diǎn)，本文設(shè)計一種針對小區(qū)的有線加無線的熱量表抄表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)分為有線抄表部分和無線抄表部分。在樓棟內(nèi)采用抄表總線把用戶的熱量表連接到集中器上，集中器有穩(wěn)定電源供電，同時總線為各住戶中的熱量表供電，這樣就解決了熱量表供電問題。

樓棟與抄表中心之間采用無線方式傳遞數(shù)據(jù)。樓棟之間是空間較大的露天環(huán)境，采用無線方式抄表可以省去布線的麻煩，并且讓日后的系統(tǒng)維護(hù)變得簡單。

本方案以小區(qū)為范圍進(jìn)行抄表，抄表中心設(shè)置在小區(qū)中，這種小范圍的抄表系統(tǒng)更加容易獲得推廣。該方案以小區(qū)為單位獲得廣泛認(rèn)可后，可以將抄表中心直接連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)更長距離、更大范圍的自動抄表系統(tǒng)。

1.1 有線部分方案

目前的有線通信方式中，CAN總線具有較高的通信速率(1 Mbps)、較遠(yuǎn)的通信距離(長達(dá)10 km)和較強(qiáng)的抗干擾能力[4]。CAN總線在通信時所有設(shè)備都可以工作于主機(jī)模式，而采用優(yōu)先級的方式避免通信沖突，但抄表網(wǎng)絡(luò)中所有熱量表都處于同一優(yōu)先級，所以CAN總線不適用于抄表系統(tǒng)。

RS485總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡單，接口便宜，支持儀表眾多，在低端市場得到了廣泛的應(yīng)用。但是，RS485總線通訊設(shè)備容量小，理論上最多接入不超過128個設(shè)備；不能給下接設(shè)備供電，設(shè)備需要單獨(dú)解決供電問題。RS485總線也不適用于抄表系統(tǒng)。

M-Bus(meter bus)總線又稱為戶用儀表總線，是一種用于非電力戶用儀表傳輸?shù)臍W洲總線標(biāo)準(zhǔn)。所采用的主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信，滿足抄表要求的同時使通信變得更加簡化；無極性的二線制設(shè)計使布線工藝大大簡化，能夠降低成本；可以在完成通信的同時為儀表供電，解決了熱量表等家庭計量儀表的供電問題。這些優(yōu)勢使得M-Bus非常適用于抄表行業(yè)。所以，本文采用M-Bus總線作為抄表方案的有線部分。

1.2 無線部分方案

目前應(yīng)用較多的無線抄表技術(shù)中，GSM是非常成熟的無線通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，利用短消息進(jìn)行抄表數(shù)據(jù)的傳送，優(yōu)點(diǎn)是使用方便，技術(shù)成熟可靠，維護(hù)成本低。但是，對于本系統(tǒng)，一個小區(qū)內(nèi)熱量表數(shù)量眾多，抄表數(shù)據(jù)量較大，長期使用需要向移動公司繳納高額費(fèi)用；系統(tǒng)的安裝、運(yùn)行和維護(hù)要受制于移動公司。

GPRS技術(shù)是基于分組交換的數(shù)據(jù)傳輸方式，優(yōu)點(diǎn)是具有較高的傳輸速率，并且可以接入Internet。但是，GPRS設(shè)備價格較高，長期運(yùn)行也存在受制于移動公司的問題。

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee協(xié)議采用自組網(wǎng)的方式，由網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器建立一個網(wǎng)絡(luò)，任何加入該網(wǎng)絡(luò)的路由器都可以獨(dú)立接收其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)過程非常方便快捷。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)的過程中采用自動路由的方式，ZigBee協(xié)議棧提供了完善高效的路由算法，通過多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。另外，ZigBee協(xié)議工作在2.4 GHz免費(fèi)頻段，運(yùn)營成本很低。雖然通信距離比較短，但是使用功率放大器后也可達(dá)到1 km以上，再加上以多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)，完全達(dá)到了小區(qū)范圍內(nèi)的通信要求[5]。

通過以上對比可以看出，ZigBee與其他幾種常用的無線通信技術(shù)相比，具有無運(yùn)行費(fèi)用，不受通信運(yùn)營商限制的優(yōu)點(diǎn)，更加適用于無線抄表。

系統(tǒng)總體方案如圖1所示，系統(tǒng)通過小區(qū)內(nèi)的管理中心發(fā)送抄表命令和獲取抄表數(shù)據(jù)，管理中心上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口與ZigBee主節(jié)點(diǎn)相連。ZigBee主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，位于各樓棟內(nèi)集中器中的ZigBee分節(jié)點(diǎn)和安裝在小區(qū)中的中繼節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)[6]。集中器MCU負(fù)責(zé)M-Bus總線和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信。集中器MCU通過M-Bus轉(zhuǎn)換電路連接到M-Bus總線，向掛在總線上的熱量表發(fā)送控制命令和接受熱量數(shù)據(jù)。各住戶家中的熱量表既通過M-Bus總線收發(fā)數(shù)據(jù)，又由M-Bus總線供電。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計

2.1 從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

從機(jī)的主控芯片采用MSP430F4152超低功耗單片機(jī)。主控芯片采用UART串口進(jìn)行M-Bus總線上的數(shù)據(jù)收發(fā)。M-Bus從機(jī)電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)UART串口與M-Bus總線的信號調(diào)制，從機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 從機(jī)結(jié)構(gòu)圖

M-Bus從機(jī)到主機(jī)的通訊采用電流調(diào)制。用<1.5 mA的電流值表示邏輯“1”，用11～20 mA的電流值表示邏輯“0”。主機(jī)到從機(jī)的通訊采用電壓調(diào)制。用+36 V表示邏輯“1”，用+24 V表示邏輯“0”。

M-Bus從機(jī)電路采用TSS721A芯片，該芯片是根據(jù)M-Bus通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的終端收發(fā)芯片[7]。該芯片既能將單片機(jī)輸出信號轉(zhuǎn)換為M-Bus總線電流信號，也能將M-Bus總線電壓信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)輸入信號。

M-Bus從機(jī)電路如圖3所示。TSS721A的RX和TX引腳分別連接單片機(jī)的輸出引腳和輸入引腳；BUSL1和BUSL2引腳連接M-Bus的2根無極性傳輸線。P溝道MOS管BSS84起熱量表供電方式切換作用，M-Bus總線正常工作時TSS721A的VS引腳為高電平，MOS管導(dǎo)通，由VDD引腳向熱量表供電；M-Bus總線斷電時，VS引腳為低電平，MOS管截止，熱量表由自帶的電池供電。

圖3 從機(jī)電路圖

2.2 集中器結(jié)構(gòu)

集中器由M-Bus轉(zhuǎn)TTL電路、集中器MCU、ZigBee路由器和電源模塊組成(圖4)。M-Bus轉(zhuǎn)TTL電路實(shí)現(xiàn)M-Bus電流電壓信號與集中器MCU的TTL電平信號之間的轉(zhuǎn)換。集中器MCU一方面通過ZigBee路由器連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，完成與管理中心的通信，另一方面通過M-Bus總線對各個熱量表進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)榧衅鞯碾娫茨K外接220V電源，ZigBee節(jié)點(diǎn)不必考慮低功耗問題，同時考慮到ZigBee路由器能夠作為父節(jié)點(diǎn)添加其他節(jié)點(diǎn)并具有路由功能，能夠使組網(wǎng)更容易實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸更為可靠,將集中器中的ZigBee節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置為路由器。

圖4 集中器結(jié)構(gòu)圖

2.3 管理中心結(jié)構(gòu)

管理中心由ZigBee協(xié)調(diào)器和上位機(jī)組成。上位機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器通過USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行通信。上位機(jī)的管理軟件通過ZigBee協(xié)調(diào)器向ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號，并接收其他節(jié)點(diǎn)傳回的抄表數(shù)據(jù)[8](圖5)。

圖5 管理中心結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)工作流程

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)的組建

管理中心開始工作后，ZigBee協(xié)調(diào)器先選擇一個能量最低的信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后持續(xù)向外發(fā)送包含該網(wǎng)絡(luò)信息的信標(biāo)[9]。各集中器上的ZigBee路由器在各個信道上搜索符合加入條件的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)搜索到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)后，路由器便向協(xié)調(diào)器發(fā)送消息申請加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器收到該消息后進(jìn)行判斷，若路由器符合加入條件，協(xié)調(diào)器就允許路由器加入，并為路由器分配網(wǎng)絡(luò)地址，協(xié)調(diào)器就成了該路由器的父節(jié)點(diǎn)[10]。

由于路由器也可以像協(xié)調(diào)器一樣允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，其他集中器中的ZigBee路由器可以按照信號強(qiáng)度最強(qiáng)的原則，選擇協(xié)調(diào)器或其他已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中的路由器或協(xié)調(diào)器作為父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。每個集中器通過這樣的流程加入網(wǎng)絡(luò)，ZigBee組網(wǎng)完成[11]。

3.2 抄表命令的發(fā)送與抄表數(shù)據(jù)的接收

抄表管理中心通過定時自動抄表和人工設(shè)置待抄表表號兩種方式發(fā)送抄表命令。抄表命令經(jīng)過協(xié)調(diào)器依次發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)。一個集中器上下屬的所有從機(jī)抄表結(jié)束后，管理中心再對下一個集中器發(fā)送抄表命令，進(jìn)行抄表。一個集中器接收到抄表命令后，依次向下屬的每一個熱量表發(fā)送抄表命令，讀取抄表數(shù)據(jù)。一個熱量表的抄表數(shù)據(jù)讀取完畢后，集中器將數(shù)據(jù)通過ZigBee路由器向管理中心發(fā)送。發(fā)送完成后再向下一個熱量表發(fā)送抄表命令。最后一個抄表數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，集中器向抄表中心發(fā)送抄表完畢消息，抄表中心開始對下一個集中器下屬的熱量表進(jìn)行抄表。

4 結(jié)語

本文針對自動化抄表的趨勢，設(shè)計了一套應(yīng)用于小區(qū)范圍的熱量表抄表方案。該方案采用有線加無線的通信方式，有線部分采用無極性二線制M-Bus總線，易于布線的同時解決了熱量表長期供電的問題；無線部分采用ZigBee無線通信技術(shù)，該通信技術(shù)組網(wǎng)方便、可靠性高、成本較低，系統(tǒng)建立了可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，保證了抄表數(shù)據(jù)的可靠性，具有完善的故障報告機(jī)制，便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。本系統(tǒng)在小區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)用獲得廣泛認(rèn)可后，可以通過管理中心連接寬帶網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域乃至整個城市范圍的自動抄表網(wǎng)絡(luò)。

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