基于4G-DTU的多通道无线数据采集器设计

吴铁军

（辽宁思凯科技股份有限公司，辽宁 丹东 118008）

0 引言

燃气在工业生产、餐饮行业、居民生活中被广泛的使用，而传统的人工抄表方式需要定时安排工作人员到达现场读取计数滚轮累计用气信息，回公司后进行数据录入，浪费大量的人力、物力、财力，同时不能确保数据的实时性、准确性[1]。随着物联网技术的发展，传统人工抄表已经逐渐被远程抄表技术所代替。

近年来，4G通信信号的覆盖率越来越高，通信效率上已达到很高程度，通过使用4G-DTU网络通讯模块可以提高数据传输的稳定性和高效性[2]。与此同时燃气作为危险性气体在发生渗透、泄漏时，如果是在封闭环境里发生聚集使其到达爆炸极限，一旦接触到电火花就会产生爆炸，给工厂人员的生命、财产安全形成巨大威胁。因此，抄表通信需要采用隔离式安全栅，即保证安全又可以兼容不同厂家燃气流量计的通信接口[3]。基于以上两点考虑，本文设计一种基于4G-DTU的多通道无线数据采集器，一方面根据采集间隔、上传间隔将燃气流量计的数据进行封装上报，另一方面在上报过程中接收监控管理平台的阀门控制、调价、参数设置等命令，实现对燃气流量计的远程实时监控[4]。

1 系统总体架构

数据监控管理系统由多台流量计、数据采集器、移动4G网络、监控管理平台组成，系统总体架构如图1。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall system architecture

燃气流量计通常有RS232、RS485、RS422通信接口，无线数据采集器通过合理使用隔离式安全栅采集燃气流量计的实时数据（标况累计量、工况累计量、标况流速、工况流速、压力、温度、报警状态字），将采集好的仪表数据进行存储、分析、计算、整理，按照燃气公司统一的上传通信协议打包后，在通过DTU连网附着上4G网络，采用TCP协议方式将采集的实时数据上报至监控管理平台。

2 技术指标和功能设计

技术指标见表1。

表1 技术指标Table 1 Technical indicators

无线数据采集器功能如下：

1）定时采集功能：可通过管理平台设置采集仪表的时间间隔来采集所连接仪表的数据，采集时间间隔可设置为5min～65535min。

2）数据存储功能：采集器可存储采集的仪表数据，小时用量数据、日用量数据。可存储一块仪表最近的16376条5min一次的数据，小时数据、天日用量数据。

3）数据整理功能：对采集的数据进行标准格式整理，并计算出每块表的小时用量、日用量。对温度、压力、标况流速、标况累计量、工况累计量、工况流速、小时量、日用量等数据转化成标准BCD码。

4）数据传输功能：对采集的数据可进行被动和主动上传。

5）时钟校准功能：监控管理平台对采集器可进行时钟校准。

6）参数设置功能：监控管理平台可对采集器的采集时间间隔、上传条数、统计时刻、上传时间间隔进行设置。

7）数据显示功能：采集器采用可显示汉字的点阵液晶，对要显示的数据进行汉字和符号显示，方便用户观察。

8）外电掉电后，备电源保持基本工作功能：外电不在时，后备电池可维持采集器采集数据和传输数据的功能，保持数据的连续性。

9）掉电报警功能：采集器外电不在时采集器会发送数据通知监控管理平台采集器出现异常情况。

10）仪表切换功能：由于某些原因需要更换现场测量仪表，可通过按键修改抄表通信协议、表地址等功能。

3 系统硬件设计

无线数据采集器由隔离式安全栅、主控板、4G-DTU通信模块、电源模块构成，硬件总体设计如图2。

图2 硬件总体设计Fig.2 Overall hardware design

燃气流量计和无线数据采集器一般安装在燃气调压站里，而燃气属于易燃易爆性气体，对采集器的安装位置、外接电源的布线、防爆等有比较高的要求。因此，安装无线数据采集器时的电源要用金属管保护后与电源模块接入端相连。无线数据采集器设计使用24VDC、1.5A作为整机电源。电源模块设计成一路将直接为隔离式安全栅和4G-DTU通信模块供电，一路设计成经BUCK电路降压，将24V转换为5V，为主控制板提供电源，一路设计成经过充放电控制电路控制电池，防止电池出现过充过放现象。抄表通过合理选用不同型号的隔离式安全栅来适应不同电源接口（9V、12V、24V）、不同通信接口（RS232、RS485、RS422）的燃气流量计。

3.1 主控制板

主控制板由国产FM33LG048微处理器、数据存储器、液晶、按键、RS232、RS485、继电器、电池充放电控制电路构成。该处理器是一款基于ARM Cortex-M0+内核32位的微控制器，可在电压为1.65V～5.5V、-40℃～+85℃环境下工作，最高主频64Mhz，8个串口，6个定时器，充足的256KB Flash空间可实现系统远程升级。数据存储器采用美国RAMTRON公司的FMV02铁电存储器，该存储器读写次数超过10亿次，10年以上的数据保存时间，存储容量为256K位，用于存储采集器重要设置参数。采用美国ATMEL公司的45DB081D FLASH存储器，具有8M存储量，用于存储大量燃气流量计的数据。液晶显示采用深圳瑞特电子有限公司的RT12864--S宽温点阵液晶显示模块，可以显示汉字和英文字母，方便察看和维护。电池充放电控制模块采取外电在时对电池浮充电，外电不在时自动切换到电池供电。当电池电压低于正常工作电压时，自动启动保护功能，断开电池工作。主控制板设计如图3，数据采集时，微处理器控制3个继电器的通断，将RS485依次和隔离式安全栅的输RS485口导通，达到一个RS485可以抄多个燃气流量计，防止处理器串口占用过多。数据上传时，微处理器通过R232和4G-DTU通信，DTU以透传方式实现数据的打包上报、接收监控管理平台的命令并执行。通过按键和液晶显示设备条码号、抄表返回数据、抄表协议、设备状态等信息。

图3 主控板电路设计Fig.3 Circuit design of main control board

3.2 4G-DTU通信模块

H7710-DTU产品支持RS232、RS485、RS422、TTL 4种通用串口中的至少1种接口，工作电压+5V DC～+36V DC，工作电流1.5A。本文选用RS232、24V电源和无线数据采集器相连。合理地选择DTU的配置参数是该产品应用的关键[5-7]。DTU的配置参数如图4，将RS232串口调试工具、24V电源与DTU用导线相连接，取一张开通4G功能的SIM卡放入DTU的插槽中，打开DTU专用工具软件，点击图片左上方COM6后，选择对应的波特率，一般使用的是串口参数（57600，8，N，1），DTU上电后自动连接读取DTU的版本信息；对“常用参数”项进行设置：访问接入点输入移动CMIOT、联通CMNET，DTU身份识别码输入对应的无线数据采集器条码号，波特率为默认57600，通道通讯方式1选择TCP+DDP，IP地址1输入现场IP地址（根据监控管理平台设定），端口1输入现场端口号（根据监控管理平台设定），点击更多管理员登录，对“RTU”项进行设置：RTU的最大数据包输入1024，启用RDP协议选择EN，启用DTU下行协议选择SMS+GPRS。将RS232串口调试工具与DTU的调试串口相连，关闭DTU专用工具软件，打开串口调试助手软件，选择波特率115200，DTU重新上电后，自动连接4G网络。连网过程中，可以看到信号强度、信噪比、基站、连接ip和端口等信息，如果显示拨号成功，证明DTU和监控管理平台搭建起一条可靠的TCP长连接，此时DTU将唯一身份识别码进行封装成注册包上报给监控管理平台，平台会搜索内部数据库显示如果有该身份识别码，则返回DTU注册成功数据后，可进行正常的业务数据交互，如果3min时间内无业务数据交互，DTU将启动心跳包来维持TCP的长连接。如果显示无法拨号成功，需要查看SIM卡是否有机卡绑定、区域限制等特殊影响。

图4 DTU配置参数Fig.4 DTU Configuration parameters

3.3 隔离式安全栅

本文采用隔离式检测端安全栅PHD-11DC-13H、PHD-11DC-33F、PHD-11DC-23H，功耗约2.5W。通信接口配有一路输入、一路输出，可实现在危险区输入的RS485接口与安全区输出的RS232、RS485、RS422接口之间，半双工数字信号的双向通信。电源接口配有一路输入、一路输出，输入供电电压20V DC～+35V DC，输出为现场仪表提供配电电源9V、12V、24V等。

每个燃气公司使用的测量仪表各不相同，主要有埃尔斯特流量计、天信流量计、爱拓利流量计、罗美特流量计等。埃尔斯特流量计内部支持RS232、RS422接口通信，通信电源要求9V±10%，可以选择使用隔离式安全栅PHD-11DC-23H进行数据通信。爱拓利流量计内部支持RS232接口通信，通信电源要求8V±10%，可以选择使用隔离式安全栅PHD-11DC-13H进行数据通信。天信和罗美特流量计内部支持RS485接口通信，通信电源要求24V，可以选择使用隔离式安全栅PHD-11DC-33F进行数据通信。

3.4 备用电源模块

目前，防爆电源所用电池主要类型有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。由于铅酸电池的循环寿命短、比能量低，相比同容量的镍氢、锂离子电池重量、体积大很多。而锂离子电池虽然比能量高，但对充放电电路要求非常高。过充电时，电池电压随极化增大而迅速上升，会引起锂离子电池的永久性破坏，电池内部膨胀并产生大量气体，放出大量的热，遇明火易燃烧、易爆炸，并且电池难以承受挤压、穿刺、高温。当发生碰撞时，有发生爆炸的风险，安全性能有待提高。镍氢电池比能量较高，性能稳定、安全环保、无记忆效应，对充放电电路的要求不高，只需要充电时限制电压、限制电流，放电时不过放即可。因此，采用镍氢电池作为无线数据采集器的备用电源[8,9]。

根据无线数据采集器的隔爆箱大小，选择内置20节串联容量13AH的镍氢电池组，单节镍氢电池的标称电压为1.25V，镍氢电池组的电压为25V、总容量应为325W·h，按照设计要求备用电源的工作时间不少于72h。根据主控板的电路设计，当无线数据采集器用镍氢电池组作为供电时，绝大部分功耗集中在隔离式安全栅、4G-DTU的应用，所以主控板需要控制它们的电源，不工作时断开电源，防止功耗过大。而每次隔离式安全栅抄表需要电压24V、消耗平均电流16mA、耗时30s，10min采集10次耗能为：24V×16MA×30s×10=115200。每次4G-DTU上传需要电压24V、消耗平均电流320mA、耗时300s，10min上 传 1次 耗 能 为：24V×320MA×300s=2304000。总 容 量 24V×13000MA×3600s=1123200000， 可 用 次数 1123200000/（115200+2304000）=464次， 可 用 时 间464×10min/60min=77h，所以镍氢电池组给无线数据采集器供电时，最快采样间隔1min，上传间隔10min，可以满足设计要求。

4 系统软件设计

软件程序流程图如5。

图5 软件程序流程图Fig.5 Software program flow chart

首先进行系统初始化后，通过4G-DTU注册到4G网络获取到网络时间，完成采集器内部时间校准，通过采集、上传间隔参数计算下一次采集、上传的时间。当数据采集时间到时，依次控制切换继电器通过RS485经过隔离式安全栅获取流量计的实时数据，不同厂家的流量计协议各不相同，对采集到的计量数据统一封装后存储45DB081D中。当系统上报的时间到时，读取45DB081D存储器中的实时计量数据，主动打包上报至监控管理平台；上报完成后，等待接收监控管理平台下发读取和设置命令（如远程阀门控制、用气状态监控、阶梯气价实时调整、修改配置参数），采集器对接收到的命令进行处理并返回应答。当接收到结束数据包后，无线数据采集器退出连网上报流程。当外电在时，上传间隔参数可设置最短5min，达到数据实时上报。

5 系统测试

单表抄收成功率是指在规定的时间内，应用平台接收到的仪表数据的个数与该时间内平台应接收到的仪表数据的总个数的百分比。机电同步率是指接收到的与仪表表观数据相符的数据个数与接收到的数据总个数的百分比。在实验室准备15台模拟燃气流量计与5台无线数据采集器进行连接，采用AC220V供电，依次通过监控管理平台修改设置采集间隔1min，上传间隔5min，通过采集器按键液晶轮显查看参数是否正确，分别按抄表和上传键，查看采集器工作是否正常。正常后，每天通过监控管理平台查看上传个数和数据是否准确，连续测试10天，测试结果见表2。5台无线数据采集器的单表抄收成功率均大于99%，上传成功的数据中无计量异常数据，机电同步率100%，达到预期设计的技术要求。

表2 单表抄收成功率Table 2 Success rate of single meter reading

6 结语

本文设计的基于4G-DTU的多通道无线数据采集器，利用4G-DTU提高远程通信速率、带宽，增加了抄读表的上传成功率。通过合理地使用不同型号的隔离式安全栅，解决了不同厂家流量计电源电压不同、通信接口不兼容、通信接口内部芯片不匹配、现场表具多等问题。单个无线数据采集器可以同时连接多个燃气流量计，大大节省燃气公司的抄表成本。经测试证明，该无线数据采集器抄读计量数据实时、准确，具有很好的商业价值。