基于M－Bus传输协议的便携式水表运行监测系统的开发

刘淑杰，田 野

（深圳市兴源鼎新科技有限公司，广东 深圳 518000）

基于M－Bus传输协议的便携式水表运行监测系统的开发

刘淑杰，田 野

（深圳市兴源鼎新科技有限公司，广东 深圳 518000）

文章介绍了M－Bus传输协议的便携式水表运行监测系统的开发背景，开发过程中采用的技术路线以及关键技术，该套系统是对全自动抄表系统的一种补充，给用户提供多一种抄表方案的选择。

M－Bus传输协议；便携式；M－Bus转换器

供水企业的管理模式是基于计量表具而建立起来的，变革管理模式，必然首先要变革计量水表，再结合计算机技术、网络技术、信息技术，才能从根本上变革管理模式，提高管理效益。此外，为了通过价格杠杆调节水需求、水资源配置，达到节约用水的目的，国家建设部曾多次下发文件要求实行阶梯水价，对自来水实行分类计量收费和超定额累进加价制度。该制度实施过程中涉及的因素很多，如人均定额用水、家庭人口、用水类型、定额平价、超额加价等，且这些因素会随实际情况的变化而变化，如人口、用水类型变化等，传统的计量器具无法实现。阶梯式计价需要水表的智能化程度，实现的方式和功能方面有新的设置和创新点。

1 项目研发的必要性及前景

全国很多城市正在进行一户一表的改造工程，如果改造完成后仍然采用普通水表，供水企业势必增加相当数量的抄表人员，在人工成本不断提高的今天，对自负盈亏的供水企业是不经济的；供水企业迫切需要一种安装调试简单、配置灵活、投资相对低廉的能够将各户的水表数据短距离的传输到固定点上的抄表系统，由抄表员到几个固定的点上把数据拿回来，既节约人工，又相对节约投资。

2 项目技术研发计划实施方案和目标

2.1 基于M－Bus传输协议的便携式水表运行监测系统

M－Bus传输协议的便携式水表运行监测系统采用了测量、传感、通信及微电子技术，将散装在各户或各楼道的水表通过数据线传到安装在单元入口处的集抄器，抄表日抄表人员手持掌上电脑，依次到集中抄表器处将其所管辖的水表数据读取到掌上电脑中，抄表员回到营业中心后，将掌上电脑中的数据导入到电脑里，进行分析处理及收费，见图1。

2.1.1 集中抄表器的设计

M－Bus集中抄表器（简称为集抄器）是一种全新设计新型集抄器，因其电路简单且没有与表的通信部分，因此雷击损坏的可能性大大降低。产品只有一个存储芯片存储小区、用户等临时数据，通过主机（也就是M－Bus转换器）进行数据交换，平时不供电处于不工作状态，低功耗且不需要维护，满足了高可靠性。

2.1.2 M－Bus转换器设计

M－Bus转换器是为降低集抄器成本而新设计的产品，它集红外通信、M－Bus协议转换、电源、保护电路为一体。红外与配套的兰德掌上电脑通信，M－Bus与水表通信。转换器完成M－Bus到红外之间的数据转换，并把抄表的数据上传到配套的兰德掌上电脑内。

2.1.3 电源

M－Bus转换器需要24 V直流电源，由于蓄电池具有体积大并且有记忆效应、充电时间长等缺点，所以我们用高性能的锂聚合物电池，并佩带充放电均衡保护板。

2.1.4 兰德掌上电脑抄表软件

红外与转换器通信读取用水量、小区等数据，并存于内部数据库，可查看用户用水量，并可以上传数据库到PC分析处理。

2.2 主要技术指标

（1）水表存储出厂编号、水表示值、电子单元工作状态。

（2）通信方式：表到M－Bus转换器——M－Bus协议；M－Bus转换器到集中抄表器——IIC；M－Bus转换器到兰德掌上电脑——红外；兰德掌上电脑到PC——RS232。

图1 系统整体设计方案图

（3）供电电源：M－Bus转换器——24 V 2 000 mAH可充电锂聚合物电池。

（4）工作电流：表电流小于1.5 mA。

（5）工作环境：温度：水表5～＋55 ℃，电子单元部分－25 ℃～＋55 ℃；湿度：0～97% RH。

2.3 基于M－Bus传输协议的便携式水表运行监测系统主要的研发内容

水表部分——网络通信链路的建立；集中抄表器部分——三插结构的TV母头的可实施性；转换器部分——各类数据处理以及协议转换；M－Bus便携式抄表系统——显示客户信息，将兰德掌上电脑上传的数据进行分析整理，从而实现对用户水表的自动读取，减少人为错误同时又节约抄表时间。

2.4 关键技术和解决关键技术途径

2.4.1 关键技术

关键技术：①M－Bus便携式抄表系统的低功耗设计；②直读水表技术；③短路保护技术；④M－Bus总线协议；⑤防水、防阳光技术；⑥数据信息压缩技术。

2.4.2 解决关键技术的途径

（1）M－Bus表只有实现低功耗设计，主机才能够连接更多的水表，同时也增加电池使用寿命。

具体设计步骤如下：

1）处理器的选择。一般情况下是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1 M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/MIPS。但这仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同。

我们把CPU的功率消耗分为两大部分：内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，总的功率等于两者之和，即P＝PCORE＋PI/O。对于PCORE，关键在于其供电电压和时钟频率的高低；对于PI/O来讲，除了留意各个专门I/O控制器的功耗外，还必须关注地址和数据总线宽度。

2）接口驱动电路的低功耗设计。接口电路的低功耗设计，在这个环节里，除了考虑选用静态电流较低的外围芯片外，还应该考虑以下几个因素：①上拉电阻/下拉电阻的选取；②对悬空脚的处理；③Buffer的必要性。简单计算一下，如果在一个3.3 V的系统里用4.7 KΩ为上拉电阻，当输出为低的时候，每只脚上的电流消耗就为0.7 mA，如果有10个这样的信号脚时，就会有7 mA电流消耗在这上面。所以我们应该考虑在能够正常驱动后级的情况下（即考虑IC的VIH或VIL），尽可能选取更大的阻值。现在很多应用设计中的上拉电阻值甚至高达几百KΩ。另外，当一个信号在多数情况下时为低的时候，也可以考虑用下拉电阻以节省功率。CMOS器件的悬空脚中未使用到的输入端接到VCC或地。

3）动态电源管理（DPM）。①选取不同工作模式。CPU内部的各种频率都是通过外部晶振频率经由内部锁相环（PLL）倍频式后产生的，通过内部寄存器设置各种工作频率的高低成为控制功耗的一个关键因素。现在很多CPU都有多种工作模式，我们可以通过控制CPU进入不同的模式来达到省电的目的。②关闭不需要的外设控制器。不用的控制器可以处于各种状态不用去管。但如果要节省功耗，则须将其关闭，否则仍然会消耗电流。

上面两种方式只是动态电源管理的最为简单的实现。在这两种方式中，一种是通过改变系统的时钟频率，另一种是通过控制外设控制器的开关来达到节约能量的目的。

（2）直读水表技术实现。字轮上特定位置的特定编码，通过光电管的发射和接收判断字轮所处的位置，译码字轮值传入CPU内部，实现从机械部件到电子部件的转换。这样在不消耗电能的情况下，依靠自身的机械部件也能正常计数，极大地提高了可靠性，减少能源消耗。

（3）短路保护技术。图2所示为锂电池的短路保护电路：

图2 短路保护电路

当正常工作时，MOSFET管Q2因R1上拉导通，P－端和BAT－端的压差很小，而且电阻R2和R3的阻值很大，所以流过电阻R2和R3的电流几乎为零，短路保护MOSFET管Q1不工作。当发生短路现象时，P＋和P－之间的压差突然变小，P－和BAT－之间的压差突然变大。电阻R2和R3的分压导致了短路保护MOSFET管Q1的栅极电压比源栅极要高，短路保护MOSFET管Q1导通，使Q2的栅极电压变低，从而切断，锂离子电池组就停止放电，得到保护。由于MOSFET管Q1的源栅极的最大压差约为20 V，而多组锂离子电池组的总电压大于20 V。短路时，短路保护MOSFET管Q1源栅极的电压差将大于20 V，从而受损。电阻R2和R3的作用就是通过分压来保证短路保护Q1，R2和R3阻值的调整，要保证短路保护Q1能在发生短路现象时源栅极电压大于开启电压。4组以下的锂离子电池组不需要分压电阻，把R3短路、R2开路即可。电容C1的作用是防止电路误动作，RT1的作用是过流启动保护。

（4）M－Bus总线协议。

1）物理层。物理层的功能是提供一条“非结构位流”传送的物理通道，并为数据链路层提供建立、维护和解除物理连接。物理层规定了主站与从站之间的物理接口的物理和电气特性，负责物理媒体上信息的接收和发送。M－Bus的物理层采用M－Bus总线标准。

2）数据链路层。数据链路层的功能是在物理连接的基础上建立、维护和解除数据连接。数据链路层以帧为单位传输信息，在每帧信息中附加了许多协议控制信息（如同步信息、地址信息、纠错信息、应答信息等），以保证信息无差错传送。M－Bus的数据链路层采用IEC870标准。

3）应用层。M－Bus的应用层采用EN1434－3标准。MBus总线协议为主－从结构的半双工通讯方式，可以进行一主一从或一主多从的操作，从站均有各自的地址编码。在M－Bus总线协议中数据传送时，所有多字节数据域均先传送低位字节，再传送高位字节。发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。M－Bus抄表系统遵循M－Bus总线协议。

（5）对安装电子单元部分采用密封垫圈和黑色的遮光纸有效的解决了防水和防光。

（6）数据信息压缩技术的实现。在整个抄表系统中从读表到表读数传输到电脑内，整个过程数据传输速度成为整个系统采集的最大瓶颈。提高传输速度和减少传输编码都能有效的解决此问题。但提高传输速度，数据出错可靠性大幅度降低，因此我们采用压缩编码的方式，减少传输时间。因减少了编码传输，数据可靠性也大幅度提高。

3 结束语

市场的需求是多样化的，客户的实际情况也是千差万别的，单一的产品远远不能满足实际的市场需要。抄表系统的今后发展应该是多样化的，不仅在抄表方式上选择有无线方式、全自动方式、便携式，技术选择上也可以是RS485或者M－Bus，由客户根据实际需要进行选择。计量仪表智能化，不仅是中国的一种趋势，也是世界性的趋势。

1 杨万海.多传感器数据融合及其应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.4

2 （美）KevinSkahill.可编程逻辑系统的VHDL设计技术［M］.南京：东南大学出版社，1998

Based on M-Bus Transport Protocols Portable Water Meter

Liu Shujie, Tian Ye

This article introduced the M-Bus transport protocols’s portable water meter movement observation system’s development background, in the performance history uses the technology route as well as the key technologies, this set of systems are copy the table system’s one kind of supplement to the completely automatic, provides many one kinds to the user to copy table plan the choice.

M－Bus transport protocols; portable; M－Bus switch

TH814

A

1000－8136（2011）03－0015－03