智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張幸

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南714000）

新經(jīng)濟(jì)常態(tài),人們的生活水平持續(xù)增長,人民對生活質(zhì)量的要求越來越高,但由于需求不同,在冬日供暖過程中涉及到的收費(fèi)問題便日益嚴(yán)重。從當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r來看,傳統(tǒng)的集中供暖收費(fèi)方式存在著一定的弊端,而按戶計(jì)量、按熱量收取供暖費(fèi)用的方式將成為今后的發(fā)展趨勢[1-3]。

1 抄表系統(tǒng)概述

在冬日取暖過程中,用戶可以按照各自需要進(jìn)行調(diào)節(jié)溫度及流量,這將是今后采暖系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,但用戶各自按需調(diào)節(jié)溫度,為收取供暖費(fèi)用造成了困難。智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用將解決這一問題,可以為用戶提供按戶計(jì)量、按熱量收費(fèi)的計(jì)量方式。智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng),則是主站借助信道全面、如實(shí)抄讀用戶熱量表數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)。改系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：SCADA主站、集中器、用戶熱量表[4]。

1.1 熱量表。熱量表是一種計(jì)量表,主要針對于使用熱量進(jìn)行計(jì)數(shù),在供暖過程中,將以熱量表的計(jì)數(shù)為依據(jù)進(jìn)行收費(fèi),用戶使用的熱量流量為計(jì)數(shù)對象。由于所處環(huán)境及作用的特殊性,熱量表由高精度傳感器及微控制器為主要部件組成,具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。其中傳感器包含溫度傳感器和流量傳感器,溫度傳感器用來測量水流的溫度及溫度差,而流量傳感器主要用來測量水流的流速及流量。

1.2 集中器。集中器是對熱量表計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及傳輸?shù)难b置,可以實(shí)現(xiàn)信息的采集匯總、存儲、以及傳輸?shù)墓δ?其傳輸方式可采用有線信道傳輸或無線信道傳輸。通過集中器廣泛收集每一個(gè)用戶熱量表真實(shí)信息,借助信道將其第一時(shí)間傳遞到主站接受有效處理,從而使數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,因此,集中器為傳輸信息的通道。

1.3 SCADA主站。SCADA主站為智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的監(jiān)控中心,能夠?qū)崿F(xiàn)對遠(yuǎn)方用戶終端的監(jiān)視、測量、控制及信息采集。在系統(tǒng)使用過程中,監(jiān)控中心實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),并全面統(tǒng)計(jì)與保存全部數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶繳費(fèi)時(shí),能夠把相關(guān)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出進(jìn)行查詢。此外,SCADA主站還有完善的數(shù)據(jù)庫管理功能, 能夠處理遠(yuǎn)方用戶的數(shù)據(jù)信息,準(zhǔn)確計(jì)算、如實(shí)保存、全面監(jiān)控、細(xì)致檢查數(shù)據(jù),以此來確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 集中器總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求, 集中器主要包括了如下幾個(gè)模塊：1.GPRS通信模塊；2.信息處理模塊；3.M-BUS 模塊；4.供電部分。其中,GPRS 模塊工作時(shí)可將熱量表中的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存和管理。信息處理模塊可以對采集到的信息進(jìn)行處理,并對集中器的動作進(jìn)行指揮。M-BUS可以實(shí)現(xiàn)電平的相互轉(zhuǎn)換。供電部分為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供電源。圖1 為集中器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 集中器結(jié)構(gòu)圖

集中器在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的功能,可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí),實(shí)現(xiàn)了根據(jù)流量計(jì)算電費(fèi)的功能。針對同一用戶,可廣泛收集用戶接受與發(fā)送的一系列數(shù)據(jù),以此來計(jì)算出相對應(yīng)的費(fèi)用。如果用戶并未傳輸數(shù)據(jù),即便是用戶在線,也同樣不會計(jì)費(fèi)。為了精確計(jì)費(fèi),集中器的數(shù)據(jù)采集功能具有高速傳輸性能,能夠?qū)⒂脩舻臄?shù)據(jù)流量信息快速傳遞到監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)儲存,同時(shí)快速向用戶發(fā)送指令,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.1 M-BUS模塊設(shè)計(jì)。M-BUS模塊所具有的功能都是借助模擬電路才可獲取, 這一模塊的功能則是把單片機(jī)采用的TTL 電平信號轉(zhuǎn)換成能夠識別的M-BUS電平信號[4]。在電平信號轉(zhuǎn)換中,基于電路的不同作用可將其分為發(fā)送電路、接收電路、輔助功能電路三個(gè)部分。本研究重點(diǎn)論述了發(fā)送電路和接收電路。

2.2 發(fā)送電路。BUS 總線為兩線制,M-BUS 中的邏輯“1”為高電平,使用12V 的電壓來表示,其電壓比邏輯“0”電平高,此種表示方式為M-BUS 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 所以, 當(dāng)總線上兩根導(dǎo)線上出現(xiàn)了12v的壓差,便可以邏輯“1”和邏輯“0”表示信號。發(fā)送電路實(shí)現(xiàn)的功能則是輸入一個(gè)TTL的邏輯“0”或“1”電平時(shí),基于輸入信號輸出端便會出現(xiàn)一個(gè)0v 或12v 的改變, 進(jìn)而將TTL 電平順利地轉(zhuǎn)換為M-BUS 電平。當(dāng)終端設(shè)備、集中器介入用戶向主站設(shè)備傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下,電流通過發(fā)送電路的電阻R7 時(shí),便會出現(xiàn)一個(gè)壓降的情況。通過相關(guān)測試,當(dāng)熱量表無法傳遞數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)配備2mA 電流。若將100 只或者更多個(gè)熱量表加入終端時(shí),這時(shí)R7 上便會出現(xiàn)壓降。同時(shí)根據(jù)M-BUS 總線協(xié)議,用戶或終端設(shè)備向主站設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)時(shí)需借助負(fù)載電流信號變化。在這一情況下,主站設(shè)備繼續(xù)產(chǎn)生常邏輯“1”信號,當(dāng)設(shè)備發(fā)出邏輯“0”時(shí),總線電流需提高10～20mA。通過以上的分析,當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)拉低情況,必然會導(dǎo)致集中器邏輯信息出現(xiàn)錯(cuò)誤,進(jìn)而誘發(fā)邏輯錯(cuò)誤[4]。為避免上述問題的產(chǎn)生,設(shè)計(jì)了發(fā)送電路,能夠有效解決壓降問題,同時(shí)保證輸出信號的準(zhǔn)確性。

2.3 接收電路。作為一種底層用戶設(shè)備,熱量表并不具有向集中器發(fā)送信息的主動功能, 只是被動接收集中器傳遞的各種命令,然后把所檢測到的信息發(fā)送給集中器。M-BUS 協(xié)議指出,當(dāng)從機(jī)設(shè)備將信息傳遞給主機(jī)設(shè)備時(shí),需電流發(fā)生變化才可實(shí)現(xiàn)。

圖2 集中抄表流程

3 抄表軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)據(jù)中心主站同集中器相連接后,對于UART串口1,MCU對其進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,不間斷地接受數(shù)據(jù)中心傳遞的各種命令,并借助UART串口2 將其傳遞到M-BUS總線[4]。接到命令后,用戶端熱量表便迅速把所收集的信息傳遞給集中器。然后,接受到數(shù)據(jù)后,集中器借助GPRS模塊迅速把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼綶4]。在集中器將命令傳遞給熱量表時(shí),集中器傳遞一次命令后會暫停一會,如果不間斷發(fā)送3 次命令后,仍然沒有得到熱量表傳輸回來的數(shù)據(jù)信息,集中器便會停止傳遞信息, 并將傳遞時(shí)代的信息及時(shí)反饋給數(shù)據(jù)中心站。抄表過程如圖2。

4 結(jié)論

本文介紹了一種智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng),其中重點(diǎn)介紹了集中器的設(shè)計(jì)功能,滿足了不同用戶的需求,實(shí)現(xiàn)了冬日供暖系統(tǒng)中,按戶計(jì)量、按熱量收取供暖費(fèi)用的方式。