智能远程水表表头及集中器的设计探讨

2016-08-12李必果桂林市自来水公司广西桂林541002

低碳世界 2016年17期

李必果（桂林市自来水公司，广西桂林 541002）

智能远程水表表头及集中器的设计探讨

李必果（桂林市自来水公司，广西桂林 541002）

随着城镇化建设速度的加快，在水表抄表中传统抄表方式劳动强度大、效率低、管理不便，与现代化社会的发展需求不适应。随着智能化设备的发展，人工抄表、收费及结算方式等逐渐被智能远程抄表系统所替代。智能远程水表抄表系统的应用，实现了定时采集、传输、统计、存储及计费一体化的管理。本文主要针对只能远程水表表头及集中器的设计问题进行分析。

智能远程水表；表头；集中器；设计

引言

长期以来，自来水用户的用水收费管理多数采用人工入户抄表实现，这种方式劳动强度大、费时费力、管理不便，且容易掺杂认为因素，数据的准确性差。现阶段，高层建筑越来越多，水表基本都安装在每一层的水表井内，抄表环境复杂，抄表人员工作难度也比较大，影响抄表工作的及时率。目前，很多电子技术公司也在推广多种自动抄表系统，如IC卡付费水表自动计费系统、无线自动抄表系统、总线智能抄表系统等，这些系统传输的可靠性、抗干扰性及能耗方面还存在一些问题，诸多地方需要改善。总线智能抄表系统是目前使用比较多的一种，由采集器、集中器、通信设备、主站及收费系统等组成。本文主要针对水表表头与集中器硬件及软件设计相关问题进行分析和研究。

1　硬件设计

硬件部分，我公司采用的智能抄表网络系统为总线制系统，为总线制自由拓扑结构，总线分为两种形式，分别是四线制和两线制。公司最开始使用的是四线制智能水表，后来绝大部分采用的是两线制智能水表。四线制水表用RVVP4*0.5的屏蔽线，两条通讯线，一条电源线，一条地线，电源线上的12V直流电源只在通讯时供电，与集中器间采用RS485通信；两线制水表用RVVP2*0.75屏蔽线，用M-Bus通讯协议进行通信。总线上任意处断开可以挂接一个总线制直读表，表与表并连，智能水表可以连接到一个智能数据网络节点的同一条通道上。节点的每一条通道相对独立，简化了布线与施工。通过区域集中器可以在城市的任意位置收集到城市内任意区域的表的数据，而形成事实的中间层，直正抄表到户。系统拓扑结果如图1。系统整个硬件部分包含表头与集中器（区域集中器和网络数据节点）两部分，表头实现了水表读数的输入和现实，并且与集中器通过RS485或M-Bus实现通讯功能；集中器则对表头信号集中进行采集存储。此外，集中器与通讯控制器通过RS485总线连接，通过无线远传设备与控制中心的中央管理计算机进行数据交换，对采集到的数据实现向上传递的功能。

图1　智能远程抄表系统网络拓扑结构图

1.1表头的硬件设计

我公司使用的水表为译码总线制直读水表，它的设计原理为：在每一位字轮上编码，对应每一位字轮，有一位译码器来识别该字轮的读数。与现在超市里普遍采用条码识别器识别条码来收款有相同的原理。这种编码是一种连续编码法。

根据译码表的原理可知，译码表平时是不需要电源，表的内部不需要使用电池。在读表的时候，由系统送电到表里，译码器开始工作，将译出的读数由表内的电子单元送到系统。

表输出的是带校验码（16位的CRC码）的准确的表读数，如果表读数在传输过程中受到干扰，表读数在接收端不准确，那么校验码也会错误码，系统收到后能检验出来表读数已经歧变，系统再发指令到表，表可以再将表读数送出，保证系统读到的表读数不会因传输而发生错误。

表有唯一的地址，系统读数时才有唯一性，无论这只表在哪里，系统只认表地址，不会出现因接错线而导致读数混乱的情况。

1.2集中器的硬件设计

集中器是将控制中心与智能水表连接的中间环节，具有承上启下的作用，集中器的主要功能是实现对收集到的信息的接收、存储及发送等，将表头信号集中进行采集与存储。集中器CPU选择Atmel公司生产的ATmega128增强型单片机，具有两个串口，能够满足上位机与下位机同时通信的需求，而两线接口也可实现和时钟芯片通信的功能，处理速度比较快。集中器内，包含控制器资源分配、电源调理模块、M-Bus通信模块、实时时钟模块、信息存储模块、串口通讯模块、LED状态指示、接口设计等部分，针对每一个模块进行设计，实现集中器所需具备的功能。

2　软件设计

在硬件设计及系统总体设计的基础上，对智能远程水表系统软件进行设计。在软件程序语言上主要包含C语言和汇编语言两种，功能简单且对效率要求高的设计中汇编语言比较适用；而C语言则具有编程容易，层次结构清晰，更符合人们的思维习惯，可有效降低系统开发与调试的时间，所以，AVR上软件设计多数采用C语言开发。本次研究选择C语言对单片机软件进行编程。

2.1集中器的软件设计

因为该系统中，不但要与上位机通信，还要与下位机通信，即同时与PC机和表头进行信息交互，集中器接受到上位机的命令后，执行与表头之间的通信。因此，主程序要求采用循环模式，计时器T/C0计时到位即中断，对上位机发出的命令是否接收到进行判断，对命令标志相应的值进行设置。如果接收到上位机的命令，则集中器执行命令，打开阀门对表头信息进行采集。主程序对命令标志不断循环检查，根据命令标志执行相应的命令。集中器主程序流程如图2所示。

图2　集中器主程序流程图

2.2系统通讯协议

M-Bus是专门用于公共事业仪表的总线结构，M-Bus系统则是一个带有通讯控制主机的多级系统，由主机和多个终端设备采用两根电缆连接而成，所有终端设备并联在总线上，从总线上可获取电源。M-Bus协议是以IEC870协议为基础的，将该协议用于智能水表远程抄表系统中，主要是由于MBus总线具有提高电压与传输数据的功能，即主机通过地址编码向对应终端发出数据请求，对应终端接收到主机命令后为其提供数据。在此过程中，主机是连续不断的向终端提供M-Bus电压的，通过电压调制实现主机向终端发送信息；终端则通过自身电流消耗反馈给主机信息，而终端向主机发送信息是通过电流调制实现的。可见，M-Bus总线具有传输信号与提供电源的功能，终端不需要再配备电源，有效的解决了终端电池使用寿命有限的问题，也降低了仪表故障的发生率。因为M-Bus仪表总线属于局域网范畴，因此也同样具备局域网的特征，即范围、传输技术及拓扑结构。

2.3数据处理方法

在M-Bus总线上，信号传输过程包含三种状态：主站向终端发出数据请求、主站从终端接收数据及总线空闲时主站与终端都保持传号状态。主站向终端发送数据时，总线电压发生改变，总线电流不变，通过电压调制实现数据传输，总线上只允许一个主站连接，在工作时，向总站提供电源，主站通过电平变化传输信息；终端至主机的数据传输，采用总线电流调制，即总线电压不变；总线空闲时，主站与终端均保持传号转台，在数据交换过沉重没有中断M-Bus电压，所以可持续为终端提供电源。

3　硬件和软件测试

在硬件调试中，硬件电路板是系统最基本的组成，要确保硬件电路不出现任何差错，因此需要对印制电路板进行测试：①对电源线及地线连接情况进行检查，对所有元器件逐个进行测试；②对系统外部电位器接线进行测试，确保系统能够准确输入；③与硬件原理图进行对照，逐个检查电路板各个器件的连接，确保正确连接，防止出现断路或短路现象。该两线制M-Bus总线系统中，表头部位因为没有独立的电源，需要在M-Bus总线上将电压稳压后为表头提供电源，M-Bus通讯主站向终端进行数据传输时，电压范围必须满足要求，所以，对M-Bus上的电压进行测试是非常重要的环节。在M-BusTXD端口分别置一与置零，也就是主站分别向终端发送1和0，然后对M-Bus+与M-Bus-之间的电压值进行测量，结果为发送1时，电压为19.72V，发送0时，电压为10.75V，由此可知，电压范围定要满足M-Bus通讯规则。

在软件调试中，主要从以下两个方面进行：①子函数调试。对于Atmel的AVR器件，其已经具备了完全变成与偏上调试的功能，对芯片硬件利用AVR JTAG仿真器进行仿真，如程序单步执行、断点设置等，通过仿真对芯片立面程序的详细运行情况进行了解。利用AVR Studio仿真界面，对程序运行时单片机各时钟、引脚、串口、寄存器等状态变化进行观察。在对程序进行调试时，可以先写比较简单的程序，查看单片机是否能够正常工作，对单片机工作正常进行验证后，再对单片机各种初始化函数进行写入，然后依据硬件设计及功能需求，对相关软件程序进行编写。需要注意的是，软件程序需要每编写完一个以后，要检查编译是否准确无误，也就是利用AVR Studio仿真功能进行调试验证，无误后即可进行下一个子函数的编写，所有子函数编写与单独测试完成后，全部加入主程序进行联调测试。②远程水表抄录系统联调。在各子函数调试完成后，可生成集中器的主程序。经过下载表头主程序及设置相关通讯串口参数以后，通过VC上位机界面对集中器下达指令，进行表头数据采集、读取历史数据、修改ID等操作，没有异常后，及完成智能远程水表系统的设计和实现。