LonWorks技术智能抄表系统的设计

楼晓春 何丽莉

(杭州职业技术学院青年汽车学院1，浙江 杭州 310018;杭州职业技术学院友嘉机电学院2，浙江 杭州 310018)

0 引言

随着我国经济的快速发展和居民生活质量的日益提高，水、电、煤气等的用量急剧上升。目前，使用的电表和气表普遍都是以人工入户抄表的形式进行的，这种形式存在人工读数误差、居民对入户安全的要求以及抄表效率低等诸多弊端[1－2]。数据采集完全依赖人工完成的传统方法已成为制约公用事业企业发展的重要障碍。

1991年，美国Echelon公司推出了LonWorks现场总线技术。它是一种局部操作网络(LON网)，主要通过Cypress、Toshiba和Motorola等公司生产的一系列神经元芯片、收发器、嵌入在神经元芯片中的LonTalk通信协议、LonMark协会规约的互操作性技术规范实现[3－5]。目前，LonWorks技术已成为我国建设部唯一推荐采用的智能建筑技术。

本文结合LonWorks总线技术的特点，设计了智能抄表系统，将小区内分散的水表、电表、煤气表的数据由抄表采集器上传到管理计算机，由物业管理中心计算机进行集中处理，并可以经通信服务器及公共电信线路远传至公用事业中心进行统一结算管理。

1 抄表采集器

采集器实时采集和计算各表具的输出脉冲，并存放在RAM和外部存储器中。同时，根据设定的分段时间和当前时刻，将采集到的数据累计到不同的时间段上，实现分时段计数。抄表模块的存储器具有掉电保护功能，能防止掉电丢失和脉冲累加值。

1.1 硬件设计

抄表采集器的核心器件是神经元芯片和智能收发器。神经元芯片采用Neuron3150系列，最高工作频率为20 MHz，片内含RAM和EEPROM，但还需外扩ROM或Flash，用来存储系统映象和设备应用程序。神经元芯片通过11个I/O引脚与计量表具连接。神经元芯片的服务引脚是一个输入/输出双向引脚，当作为输入引脚时，可用于安装网络和配置抄表采集器;当作为输出引脚时，可通过其外接的LED来指示抄表采集器的状态和故障。神经元芯片有CP0～CP4共5个通信引脚，可以配置成单端、差分和专用模式的输入方式。

采集器硬件结构如图1所示。

图1 采集器硬件结构Fig.1 Hardware structure of collector

收发器采用FFT-10A自由拓扑收发器，支持无极性、自由拓扑(包括总线型、星型、环型、树型甚至几种方式的组合)的互连方式。FTT-10A收发器包含1个隔离变压器、1个曼彻斯特编码通信收发器和信号处理器件，采用厚膜电路将它们集成在同一个芯片中，通信速率为78 kbit/s，最长通信距离为2 700 m。收发器连接方式如图2所示。

图2 收发器连接方式Fig.2 Connections of the transceiver

本设计中，将神经元芯片的通信端口配置成单端模式，则CP0为数据输入引脚、CP1为数据输出引脚、CP4为网络冲突检测输入引脚。

1.2 软件设计

采集器软件流程如图3所示。

图3 采集器软件流程图Fig.3 Software flowchart of collector

抄表采集器的软件流程主要包括器件初始化、引脚定义、历史记录数据恢复及发生事件时的处理程序。

LonWorks设备提供了NodeBuilder软件工具，设备的应用程序采用Neuron C编写。Neuron C是一种基于ANSIC，并能对简单网络通信、硬件I/O和事件驱动处理加以扩展的高级编程语言[3，5]。

在用户编写应用程序的过程中，需要对神经元芯片的I/O引脚进行初始化。本设计中神经元芯片的11个I/O引脚分别与各计量表具连接，用以接收计量表具产生的脉冲。I/O引脚定义如表1所示。

表1 I/O引脚定义Tab.1 Pin definition

Neuron C语言是一种事件驱动的高级编程语言。在应用程序中，用户需要定义当某一事件发生时执行相应的操作。当抄表采集器的I/O引脚上检测到计量表具的输出脉冲时，可以在脉冲的高电平、低电平、上升沿或下降沿进行脉冲计数。本文中，抄表采集器在脉冲的下降沿对计量表具产生的脉冲数进行累计。

在抄表采集器的软件中，设置了定时器1和定时器2这2个定时器。定时器1的主要功能是将当前累计的各计量表具的数据备份到片外的存储器，防止系统掉电时的数据丢失;定时器2的主要功能是更新各计量表具的网络变量值。

2 LonWorks智能抄表系统

2.1 系统构成

LonWorks智能抄表系统主要由管理中心上位机、LonWorks-IP路由服务器i.Lon600、抄表采集器和计量表具等组成。系统结构如图4所示。

图4 系统结构图Fig.4 System structure

管理中心上位机作为管理机，可实现小区远程抄表、计费、打印等功能，可将其连接在Internet网络上。i.Lon600是一个遵循EIA 852协议的LonTalk到IP的路由器，能将 Internet或任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作为本地或远程传递LonWorks控制信息的通道，为远程存取访问LonWorks设备提供了一个可靠的、安全的Internet通道。LonWorks网络传输介质选用双绞线。每个抄表采集器最多可外接11个计量表具。

管理计算机管理中心的上位机可查询小区内任一住户的水表、电表和气表的当前读数和历史记录;对用户每月消耗的水、电、煤气的用量进行统计、计费、交费管理和历史数据查询;对欠费用户进行自动打印欠费通知单。同时，管理计算机还可以通过LonWorks控制设备，对水、电、煤气实现远程开关控制，便于有效管理水、电、煤气的供给。

Echelon公司为创建和维护LonWorks设备网络提供了一套功能丰富的集成工具——LonMaker集成工具。LonMaker集成工具以Echelon公司的LNS网络操作系统为基础，集成了功能强大的客户-服务器体系结构和Microsoft Visio界面，用于设计和启动分布式Lon-Works控制网络。LNS DDE Server软件包允许任何DDE或者SuiteLink相兼容的Microsoft软件。

Windows应用程序监视和控制LonWorks网络而无需编程，如与人机界面应用程序、数据记录和趋势分析应用程序以及图像处理显示的接口。同时，与DDE相兼容的 Windows应用程序，通过建立 LNS和 Microsoft DDE协议的连接，可以和LonWorks控制设备进行交互网络变量、配置信息和应用程序消息等。上位机软件可采用组态王、VB或VC等软件进行编写，包括人机界面、通信功能和数据处理等。

2.2 上位机监控软件

管理中心上位机监控软件采用组态王进行设计。监控软件的设计过程主要包括以下5个方面。

①利用LonMaker软件组建LonWorks控制网络，并与Internet网络集成。

②运行LNS DDE Server软件，组态软件的通信驱动程序配置中选择DDE方式，监控软件作为一个DDE客户程序，通过驱动程序向LNS DDE Server请求数据，实现与抄表系统采集器的数据交换，从而监控整个LonWorks网络。

③设计监控软件操作界面，组态王提供了功能比较丰富的界面设计控件，便于开发人员设计友好的操作界面。

④数据变量设计，将组态软件中的内存变量和I/O变量等与LonWorks抄表采集器的输入输出网络变量和I/O端口建立连接。

⑤编写程序，主要包括定时子程序设计、抄表采集器数据预处理、界面动画的变量处理等。

上位机监控软件操作界面分为主界面和查询界面。其中，主界面可实现对每个住户的水表、电表和气表实际数据的抄读;查询界面可实现对每个住户的水表、电表、气表在各个时段的数据、费用、欠费和报警记录的查询。

2.3 系统主要功能

本文设计的智能抄表系统具有以下几个主要功能：①抄表系统由管理上位机和抄表采集器、控制器、路由器组成数据采集/控制网络，采用自由拓扑网络结构，以双绞线作为控制网络通信介质;②在管理上位机上可以实现对每个住户的水表、电表和气表实际数据的抄读;③可以按照不同时段的收费率，分别计算每个住户每月水、电、气的峰谷时段费用;④查询每个住户当前数据和历史记录;⑤对于欠费的用户，可以暂时关断水、电、煤气的供给，当用户交费后，再恢复供给;⑥报警。

3 结束语

传统的人工抄表方式效率低下，可能出现读数和记录错误，而且存在一定的安全隐患，不能满足当前智能社区系统发展的要求。本文结合LonWorks现场总线技术和以太网通信技术，设计了抄表采集器的硬件与软件，并建立了基于LonWorks技术的智能抄表系统，实现了小区内分散的水表、电表、煤气表等计量表具的实时数据读取、费用计算和历史数据查询等功能，

具有较强的工程实用性。

[1]侯叶，郭宝龙.LonWorks监控系统的结构研究[J].自动化仪表，2007，28(3)：43 －45.

[2]董健，常正跃.智能水表及远程集中抄表的现状及发展趋势[J].中国住宅设施，2003，14(2)：31 －32.

[3]高安邦，孙社文，单洪.LonWorks技术开发和应用[M].北京：机械工业出版社，2009：2 －6.

[4]雷霖.现场总线控制网络技术[M].北京：电子工业出版社，2004：3 －5.

[5]马莉.智能控制与Lon网络开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003：2 －4.

[6]刘鑫荣，吴向前.由Lon和RS485总线组成的自动抄表测控网络[J].自动化仪表，2007，28(8)：19 －22.

[7]陈玉华，徐建俊，高安邦.基于Internet的LonWorks网络控制方案的研究[J].电脑学习，2007(6)：3 －4.