陳白寧，趙 明，任亞軍

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

當(dāng)前水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要有四大類型：智能卡式水表、分線制集中式水表、總線制智能式水表、無(wú)線發(fā)射式水表?？偩€制水表的采集計(jì)量工作單元均裝配在水表內(nèi)并密封，數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等工作全由智能水表本身完成，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進(jìn)行通訊聯(lián)系，而通訊方式又多種多樣。本系統(tǒng)采用GPRS通訊和USB通訊，系統(tǒng)正常工作時(shí)以GPRS通訊為主，當(dāng)GPRS通訊出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員可從集中器中通過(guò)USB通訊讀出數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性都比較高。

1 系統(tǒng)組成及功能

水表遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)主要由脈沖水表、采集器、集中器和管理機(jī)組成。脈沖水表主要完成用水量數(shù)據(jù)的采集，將水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)；采集器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理、存儲(chǔ),并通過(guò)485總線與集中器進(jìn)行通訊，當(dāng)接收到上層指令后，可通過(guò)控制電動(dòng)閥來(lái)控制用戶用水；集中器的作用為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和總線隔離，它的主要任務(wù)有兩項(xiàng)：一是通過(guò)485總線與智能水表通訊，根據(jù)管理機(jī)的要求查詢某個(gè)水表的數(shù)據(jù)；二是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與管理機(jī)通訊，將采集器的數(shù)據(jù)信息傳輸給管理機(jī)；為避免GPRS網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致無(wú)法抄表，在集中器中設(shè)置USB接口，工作人員可用電腦或手抄器通過(guò)集中器抄讀數(shù)據(jù)；管理機(jī)對(duì)用戶的購(gòu)水量和用水量信息進(jìn)行管理，并可通過(guò)發(fā)送特定指令遠(yuǎn)程控制用戶用水。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集器的硬件設(shè)計(jì)

采集器主要由CPU、閥門控制電路、低電壓檢測(cè)電路、485通訊接口電路、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障報(bào)警電路組成，其硬件框圖如圖2所示。

由于采集器通過(guò)電池供電，CPU選擇TI公司MSP430系列超低功耗的混合信號(hào)控制器，MSP430系列單片機(jī)，在1.8～3.6V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，工作電流在0.1～400μA之間，并且外設(shè)資源豐富。

閥門是系統(tǒng)工作的重要器件，本系統(tǒng)中采用的是電動(dòng)球閥，它對(duì)工作電壓要求不高，在3V電壓下也能正常工作，而且工作電流低，可以直接驅(qū)動(dòng)。正常供水情況下，電動(dòng)閥處于常開狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能；當(dāng)預(yù)購(gòu)水量用完時(shí)，電磁閥關(guān)閉并自鎖于常閉狀態(tài)。為防止閥門生銹出現(xiàn)不能關(guān)閉的情況，在程序上應(yīng)設(shè)定每運(yùn)行一定時(shí)間，控制閥門開閉一次。

圖2 采集器硬件框圖

采集器采用專用協(xié)議與集中器通信，RS-485的傳輸距離最大可達(dá)1200m。RS-485標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定了最大總線為32個(gè)單位負(fù)載，可以通過(guò)增大收發(fā)器輸入電阻擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)。

采集器通過(guò)LCD模塊顯示的信息包括總用水量、當(dāng)月用水量、開關(guān)閥狀態(tài)、電池狀態(tài)和故障等。為滿足低功耗的要求，LCD平時(shí)處于休眠狀態(tài)，可用中斷喚醒的方式使其顯示。

2.2 集中器的硬件設(shè)計(jì)

集中器主要通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與管理機(jī)通訊。集中器的電源采用市電，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，配有備用電源。其硬件框圖如圖3所示。

圖3 集中器硬件框圖

由于系統(tǒng)采用外部電源供電，低功耗不再是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)集中器的功能，選擇C8051F340作為集中器的CPU，C8051F340是Silicon Laboratories公司推出的可提供USB功能的混合信號(hào)微控制器，其USB功能控制器具有完整的USB2.0認(rèn)證,支持全速與低速操作,可用于大多數(shù)USB外設(shè)設(shè)計(jì)。Silicon Laboratories公司還為USB驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供了USBXpress開發(fā)套件,使USB主機(jī)和從機(jī)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)可以快捷、高效地完成。

目前，用于工業(yè)系統(tǒng)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊比較多，本系統(tǒng)選擇M32模塊。其主要特點(diǎn)是：內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，免除了編寫上網(wǎng)通信協(xié)議的繁雜過(guò)程，縮短了開發(fā)周期；內(nèi)部使用通用AT命令集控制數(shù)據(jù)的收發(fā)；支持所有的通信方式。

3 水表遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 集中器與采集器通訊協(xié)議

為確保通訊成功，通訊雙方必須在軟件上有一系列的約定，通常稱為通訊協(xié)議。本系統(tǒng)的通訊協(xié)議如下：

集中器發(fā)出的信息幀由前導(dǎo)字節(jié)、幀起始符、儀表類型、采集器地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、幀信息、縱向校驗(yàn)碼及幀結(jié)束符等九個(gè)域組成，每個(gè)域由若干字節(jié)組成,信息幀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息幀的結(jié)構(gòu)

其中前導(dǎo)字節(jié)是由集中器或采集器發(fā)送的所有幀前面的一串規(guī)定數(shù)目的十六進(jìn)制的字符，本系統(tǒng)采用3個(gè)字符；幀起始符為68H，表示一幀信息的開始；儀表類型是指參與通信的采集器屬于何種類型的計(jì)量?jī)x表，水表抄表系統(tǒng)的儀表類型為10H-19H中任意一個(gè)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選擇10H；采集器地址域由7個(gè)字節(jié)組成(A0A1A2A3A4A5A6)，每個(gè)字節(jié)為2位BCD碼格式，地址長(zhǎng)度為14位十進(jìn)制數(shù)，其中A6A5為廠商代碼，低地址在前，高地址在后。當(dāng)某一字節(jié)以AAH尋址時(shí)，忽略該字節(jié)地址；當(dāng)?shù)刂窞锳AAAAAAAAAAAAAH時(shí)，為廣播地址。控制碼的格式如圖5所示：其中D7為0時(shí)表示由集中器發(fā)出的控制幀，為1時(shí)表示由采集器發(fā)出的應(yīng)答幀。D6為0時(shí)表示采集器正確應(yīng)答，為1時(shí)表示采集器對(duì)異常信息的應(yīng)答。D5-DO為控制碼，部分控制碼及其功能如下：

圖5 控制格式

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字段包含一個(gè)表示字節(jié)數(shù)的整數(shù)，用十六進(jìn)制表示，是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字段和校驗(yàn)字段之間(不包括該兩個(gè)字段)的數(shù)據(jù)字節(jié)的計(jì)數(shù)值。讀數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于或等于64H。寫數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于或等于32H。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等于0，表示無(wú)數(shù)據(jù)域。校驗(yàn)碼采用累加和校驗(yàn)，一個(gè)字節(jié)從幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)進(jìn)行二進(jìn)制算術(shù)累加，不計(jì)超過(guò)FFH的溢出值。

3.2 采集器的軟件設(shè)計(jì)

采集器的軟件功能主要包括脈沖數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)顯示、閥門控制和485通訊等部分組成。主程序主要負(fù)責(zé)初始化，初始化完成后即進(jìn)入低功耗模式，等待中斷，由各個(gè)中斷服務(wù)程序完成采集器的全部功能。中斷服務(wù)程序包括計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)中斷、通訊中斷、顯示中斷、低電量中斷、防拆信號(hào)中斷。采集器的中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。

3.3 集中器的軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 接入GPRS網(wǎng)絡(luò)

集中器主程序的主要任務(wù)是通過(guò)AT指令控制M32模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)和USB功能的初始化。其登入GPRS網(wǎng)絡(luò)的AT指令為

AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；這條指令指使用中國(guó)移動(dòng)的APN。

AT%CGPCO=1 “PAP，，”，1；這條指令完成PAP驗(yàn)證。

圖6 采集器中斷服務(wù)程序流程圖

AT$DESTINFO=“XXXX.XXXX.XXXX.XXXX”,1,1234；這條指令中XXXX.XXXX.XXXX.XXXX為管理機(jī)的公網(wǎng)IP地址，1234為管理機(jī)中管理軟件接收/發(fā)送數(shù)據(jù)所用端口。

ATD*97#；這條指令直接用于撥號(hào)。

完成上述AT指令后，集中器與管理機(jī)建立了透明傳輸連接。

3.3.2 USB通訊API程序設(shè)計(jì)

借助USBXpress提供的USB器件API,可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)C8051F340單片機(jī)作為USB器件的USB通信。USBXpress提供了10個(gè)USB器件API函數(shù)。在對(duì)C8051F340單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí),只需將USBXpress提供的API函數(shù)的封裝庫(kù)USBX_F34X.LIB調(diào)入編譯軟件的鏈接器中,并在主程序中用“include”命令包含USB_API.h頭文件，就可以調(diào)用USBXpress提供的10個(gè)USB器件API函數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)USB數(shù)據(jù)包的讀寫，其程序流程圖如圖7所示，圖7a為USB器件的初始化，圖7b為中斷服務(wù)程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖7 USB通訊API程序流程圖

實(shí)現(xiàn)水表的遠(yuǎn)程集中抄表，可以有效地解決入戶抄表效率低的問(wèn)題，提高自來(lái)水公司的用水管理水平和管理效率，使管理部門隨時(shí)了解居民的用水情況，并且抄表工作不受時(shí)間限制，杜絕拖欠水費(fèi)，避免干擾居民生活，減少安全隱患。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T 778.1～3-2007飲用冷水水表和熱水水表,北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社[S]．

[2] 王鐵流,吳丹丹.李成.基于C8051F320 USB接口的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路[J].電子產(chǎn)品世界,2006,12:101-103.

[3] 姚靈.水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].上海計(jì)量測(cè)試,2008,3:2-4.

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