户用仪表的物联网构建

刘慕双,山红伟

(承德石油高等专科学校机械工程系,河北承德 067000)

户用仪表的物联网构建

刘慕双,山红伟

(承德石油高等专科学校机械工程系,河北承德 067000)

介绍了物联网远程抄控户用仪表的数据传输和控制方法,采用M-Bus总线作为户用仪表的现场总线网络,M SP430嵌入式系统单片机作为户用仪表现场网络的小区主站,GPRS无线数据传输方式作为小区主站与城市户用仪表管理中心之间相互通信的手段,构建了具有Internet共享浏览数据、远程控制及故障诊断功能的户用仪表物联网。

物联网;户用仪表;数据远传

户用仪表是用来计量居民家庭的水、电、气、热等使用量的仪表。水、电、气、热是居民家庭生活的基本物质资料,这些物质资料的消耗量关系到居民家庭生活的消费支出、舒适程度,对减小污染、降低排放和创立节能社会都具有重要的意义。无论是普通居民,还是水、电、气、热提供商,以及政府相关管理部门都需要及时了解水、电、气、热的消耗量值。因此,构建具有户用仪表的数据信息读取、传输、发布和管理监控功能的物联网对社会和谐、可持续发展具有重要意义。

1 物联网远程抄控户用仪表的构造

1.1 数据远传户用仪表的结构和计量方法

图1 远程抄控水表示意图Fig.1 Long-distanceread and control watermeter

为了构建户用仪表的物联网,就要对户用仪表进行改造,使之成为带传感器的可发讯息的仪表。户用仪表可用的传感器有超声波、干簧管、韦根和无磁等几种形式。在水的计量中,超声波流量计通常用在大口径水的管路计量中,极少用在小口径管路的居民用户供水计量中。在户用仪表中使用干簧管计量是靠旋转磁极的作用形成电路开路或闭路变化,从而产生电脉冲来计量水、电、气、热的使用量。干簧管在磁极的作用下开合属于机械动作,随着开合次数的增加,干簧管就会产生疲劳断裂而发生失效。韦根传感器的抗干扰能力差,在外界有电磁干扰的情况下产生较大的流量计量误差。在户用仪表中应用无磁的方式计量,不存在上述缺点,是优选方案。图1是一种无磁远程抄控水表,其工作原理[1]是采用无磁转动信号测试电路,在流量测量场合应用时,在无磁流量传感器中采集部分流量只需要1个转盘和几个电感电容。在转盘的一半涂上具有阻尼特性的金属膜(如锡、铝),电感成120°分布,电感线圈靠近转盘表面,转盘固定在叶轮表面。当流体流动带动转盘转动时,随着转盘的转动,电感相对转盘的金属表面和非金属表面的位置交替变化,同时M SP430嵌入式系统单片机定时给LC回路激励信号,从而使电感产生阻尼振荡。这样,当电感处于金属膜的位置时,阻尼衰减幅度大;反之,衰减幅度较小。通过M SP430检测波形衰减的幅度,就可以判断电感的状态,从而达到计量的效果。

1.2 户用仪表远程控制功能的实现方法

户用仪表的物联网具有强大的功能,除了能在远程抄录每个仪表的数据,还应该能远程控制每个用户的水、电、气、热的使用。图1的远程抄控水表,它既可以计量用户水的用量,还可以对管路实施远程开关阀的控制,这种远程抄控水表可用于居民用户的水和热管路的流量计量和控制。远程抄控户用仪表由微功耗阀门、计量传感器电路、防窃气电路、电压测试电路、流量监测等部分组成,具有数据提示功能、精确计数功能、欠压处理功能、阀门自动处理功能等。可控制是远程抄控户用仪表的重要功能,采用图1所示的水表实现了Internet远程控制用户管路的功能。

2 连接户用仪表的现场总线

2.1 户用仪表的M-Bus数据传输总线技术

建立户用仪表的物联网,实现户用仪表数据的互联网上传,需要建立居民小区的户用仪表的现场总线系统。工业自动化应用领域中可用RS485,PRFBUS,CAN,HART等现场总线系统。由于建设成本、使用环境、技术要求等因素的影响,中国国内的建设行业标准推荐户用仪表采用M-Bus,RS485总线进行数据传输。M-Bus总线是欧洲专为户用仪表数据传输而设计的总线系统,M-Bus以其安装布线方便和独特的远传供电方式而更显优势。利用M-Bus总线技术构造物联网的户用仪表小区楼宇基础网络系统,通信容量大,总线可提供600 m A电流的容量,通信速率高达9 600 b/s,通信设备布线成本低。采用普通双绞线作为数据通信线缆,可实现无极性任意分支布线、恒流环通信方式,总线通信抗干扰能力强,传输距离可达1 km[2]。采用M-Bus总线系统,构成物联网小区楼宇的基础网络,非常适合户用仪表的数据传输,在居民小区还可用作家庭智能化控制,消防报警,小区水、电、气、热控制,中央空调控制等基础网络。

2.2 户用仪表与M-Bus总线接口电路[3]

数据传输户用仪表的单片机M SP430FW 427通过以 TSS721A为主芯片的接口电路(如图2所示)与M-Bus总线相连接,此电路可将M-Bus总线的数据传输信号转换成2路 TX和RX与M SP430FW 427相连接。其中,VCC与 GND起为M SP430FW 427供电作用,TX与RX起数据传送和接收作用。M-Bus数据通信总线具有总线供电作用,节省了网络布线资源和户用仪表的内部电池。

3 户用仪表的物联网构造及功能分析

3.1 户用仪表传感网的构造

户用仪表的物联网由户用仪表、楼宇中继器、小区户用仪表主站、城市数据传输中心等部分组成,如图3所示。户用仪表的数据信息通过M-Bus数据总线统一集中到M-Bus楼宇中继器上,M-Bus楼宇中继器通过小区M-Bus数据总线统一集中到M-Bus小区中继器上,这样小区中户用仪表的数据就可通过在小区中的两级M-Bus网络传到小区户用仪表主站中来。小区户用仪表主站中包括M-Bus小区中继器、小区抄表计算机管理系统、GPRS传输装置等部分。每个小区中继器可以带256个楼宇中继器,每个楼宇中继器可以带256个户用仪表,所以一套小区M-Bus抄表系统最多可以接65 536个户用仪表,可以满足上万户小区安装户用仪表的数量要求。

图2 M-Bus总线与M SP430FW 427之间通信接口电路Fig.2 Communicatiion interface circuit between M-Bus and MSP430FW 427

图3 户用仪表物联网Fig.3 Internet of household meter

小区中的M-Bus总线系统的建设应遵循国家城镇建设行业标准。M-Bus总线系统建设成本较低,安全性和可靠性较高。所有户用仪表都可采用简单的双线并联,局部户用仪表的故障不影响网络整体运行状态,M-Bus中继器有总线短路过载保护功能,总线短路不会损坏总线上的设备,网络整体安全性较高。

3.2 户用仪表的物联网功能的实现[4-5]

物联网的定义如下:通过信息传感设备,按约定的协议,把物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。构造物联网首先要把各种传感器仪表通过现场总线连接起来,通过这个总线网络利用现场计算机管理系统即可收集现场总线上传感器仪表的数据,也可对这些仪表发送数据指令;其次,就是使现场计算机管理系统与 Internet相连接。笔者采用M-Bus总线技术在居民小区构建了户用仪表传感网络,在M-Bus总线上建立了计算机管理系统小区户用仪表主站,采用 GPRS

无线数据传输技术实现了小区户用仪表主站与Internet的连接。

小区户用仪表主站由小区M-Bus中继器、M SP430嵌入式单片机系统、GPRS无线数据传输装置组成[6],其功能是通过M-Bus总线定时抄录本小区之内的户用仪表的数据并进行存储。小区主站计算机根据事先规定的原则,对这些数据逐一进行分析,判断各个户用仪表的运行状态,进行故障诊断分析。小区主站计算机系统通过 GPRS装置,将抄表数据和故障诊断的结果及时上传到城市户用仪表管理中心的数据服务器上来,这个数据服务器与Internet相连接,就实现了抄表数据的各方面的共享。这样就实现了城市小区的户用仪表与Internet的连接,构成了户用仪表的物联网。在城市中,建设户用仪表的物联网平台,通过实时上传到Internet上的户用仪表的数据,居民可以了解自己家庭的消费情况,水、电、气、热提供商可以知道本公司的销售情况和设备运行情况,政府行政管理部门可以统计核算出城市的水、电、气、热消耗情况,为城市生产生活和运行管理提供依据,是未来城市信息化建设中解决户用仪表数据抄录、共享、管理问题以及节省资源、避免重复建设的较为合理的方案 。

户用仪表物联网上的信息交换可以双向进行,除了上面所述的户用仪表的数据上传实现抄表功能外,还可利用物联网对居民小区的户用仪表等设施传送信息,实现控制户用仪表和居民小区的各种设施的功能。

4 结 语

1)利用M-Bus总线技术构造物联网的户用仪表小区楼宇基础网络系统,具有布线简单、成本低、容量大、带载能力强、传输距离远、抗干扰能力强的特点。

2)采用MSP430嵌入式单片机系统建立小区户用仪表主站,具有数据处理能力强、存储容量大及故障诊断的功能。

3)GPRS无线数据传输技术可实现小区户用仪表主站与城市收费管理运营公司之间的无线数据交换,是城市区域户用仪表物联网的重要环节,构建户用仪表的物联网实现了城市基础设施的有效利用。

[1] 周连廷.MSP430FW 427在热表中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用(M icrocontroller&Embedded System),2004(6):82-84.

[2] 刘立群,孙志毅.基于M-Bus的超低功耗数据采集系统[J].单片机与嵌入式系统应用(M icrocontroller&Embedded System),2006(1):24-29.

[3] 刘慕双,邹克武.微功耗数据远传热量表的研制[J].现代测量与实验室管理(Advanced Measurement and Labo ratory Management),2006(4):5-7.

[4] 宋俊德.浅谈物联网的现状和未来[J].移动通信(Mobile Communications),2010(15):8-10.

[5] 赵 静,喻晓红,黄 波,等.物联网的结构体系与发展[J].通信技术(Communications Technology),2010,43(9):106-108.

[6] 冯凌杰,张 梅,范建丰.基于 GPRS远程监控系统的通信实现[J].微处理机(M icrop rocesso rs),2010(3):36-38.

[7] 杨 倩.物联网关键技术及应用[J].电信科学(Telecommunications Science),2010(8A):139-142.

[8] 王静哲,周永鹏.基于 GSM天线网络的远程抄表系统设计[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2003,24(4):53-56.

[9] 刘俊伏,刘金娥.基于GPRS的城市路灯远程监控系统[J].河北工业科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),2007,24(5):286-288.

Construction of internet of things of household meter

L IU M u-shuang,SHAN Hong-wei
(Department of Mechanical Engineering,Chengde Petroleum College,Chengde Hebei 067000,China)

The paper introduced themethodsof household meter data transmission and control through internet of things.By using M-Bus as field bus network,MSP430 embedded MCU as cell site netwo rk,GPRSw ireless data transmission asmeansof communication between cell site netwo rk and urban household meter management center,an internet of things of household meters w ith characteristicsof data sharing,remote control and fault diagnosis is built.

internet of things;household meter;remo te data transmission

TN915.05

A

1008-1542(2011)01-0039-04

2010-06-21;

2010-09-29;责任编辑:陈书欣

中央预算内投资计划项目(20091168)

刘慕双(1961-),男,河北唐山人,教授,硕士,主要从事机械电子工程及仪器、仪表产品的研制与开发工作。