遠程抄表系統集中器的設計與實現

王宏文，韓振磊，郝春華

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

針對人工抄表工作量大、效率低下、漏抄誤抄率高、實時性差、可靠性低、無法及時發現現場故障等不能滿足現代化和信息化的要求[1]，抄表不需人力，僅依靠網絡和計算機快速而準確地完成遠程無線集中抄表將成為發展趨勢。設計一套成本低廉、布線簡單、安裝方便、維護費用低、運行穩定的自動抄表系統將起到節省人力、提高抄表效率和經濟效益的作用。本設計已在2014年4月正式投入使用。

1 遠程抄表系統構成

一套完整的遠程抄表系統自上而下包括上位機、集中器、采集器、熱量表，其結構如圖1所示。

遠程抄表系統自上而下采用主從式機構，只有主站才能發起通信，從站只能應答。上位機軟件運行在服務器上，由它定時發出抄表命令或設置信息，通過GPRS網絡與集中器進行通信。管理員可通過鏈接互聯網的PC機瀏覽抄收的數據信息和對系統下發命令。

圖1 遠程抄表系統結構框圖Fig.1 Remote meter reading system structure

項目中一般一個樓棟只安裝一個集中器，安裝集中器的單元不安裝采集器，其余每個單元均安裝一個采集器，集中器既有采集器的功能又有采集其他采集器數據上傳到服務器的功能。集中器通過RS485總線連接若干個采集器和熱量表[2]。集中器依據采集器和熱量表獨一無二的地址信息順序統一抄讀。其中集中器與其所在單元的熱量表和集中器與采集器間采用同一條RS485總線，各個單元的采集器和其對應單元的熱量表間采用不同的RS485總線形式并聯起來。

2 集中器的硬件結構

集中器是連接各用戶的智能熱量表和控制中心的關鍵環節，起到承上啟下的作用。其主要功能是完成數據信息的采集、管理、存儲和上傳[3]。集中器的硬件結構包括數據通信接口、存儲設備和電源模塊。其設計結構如圖2所示。

圖2 集中器硬件設計Fig.2 Design diagram of concentrator hardware

（1）集中器的通信功能：采用單片機STM32F103的USART1控制M-Bus主站采集樓棟大熱量表數據信息。USART2連接RS485總線采集用戶數據和采集器數據。USART3作為顯示接口，用于顯示系統的時間等配置信息。UART4連接組態軟件，安裝完畢后系統需通過此接口進行配置信息的輸入和維護時通過此接口查看系統的運行狀態。UART5通過RS232與DTU GPRS模塊相連接，作為采集數據上傳的通信接口。

（2）集中器存儲功能：STM32F103單片機內部有64 K的RAM，作為采集數據的存儲區，有512 K的FLASH，除了程序所占的存儲空間外可開辟2 K的配置信息存儲區，單片機外設配有4G的SD卡作為異常信息的存儲和采集數據的備份區，在上位機出現故障時可作為系統數據信息的重要依據。

（3）集中器的電源部分：電源部分由電源模塊和電源轉換芯片組成，其組成框圖如圖3所示。

圖3 電源組成框圖Fig.3 Block diagram of power

M-Bus主站正常工作需要-24 V和+12 V的穩壓電源，M-Bus主站發送數據時，總線壓差36 V表示邏輯“1”，壓差 24 V 表示邏輯“0”，采用金升陽帶隔離DC-DC模塊，其輸入范圍為18 V～40 V，輸出電壓為24 V或12 V，將2個模塊的輸出疊加可以滿足要求[4]。DTU模塊需要+12 V的直流穩壓電源供電，采用LM2575-12組成的穩壓電路可滿足要求。RS485總線和LCD屏正常工作電壓是+5 V，采用LM2575-5組成的穩壓電路可滿足要求。

3 集中器的軟件設計

本系統軟件設計采用狀態機模式，集中器的任務調度依靠RTC分時完成，提高了系統的實時性。狀態機模式如圖4所示。

集中器程序設計時把整個系統分成了6個任務，分別為實時接收組態軟件配置信息、采集解析樓棟大熱量表數據、采集各戶熱量表數據、采集各單元采集器數據、定時上傳采集數據到網絡服務器和定時存儲異常信息和采集數據到SD卡[5]。集中器軟件設計主流程圖如圖5所示。

圖4 集中器軟件設計模型Fig.4 Design model of concentrator software

圖5 集中器軟件主流程圖Fig.5 Main process diagram of concentrator software

集中器程序設計時把系統的主任務都分配狀態標志位，然后把每個主任務分成若干個次級任務，同時也分配相應的狀態標志位。主程序執行過程是每執行完一個次級任務都會返回到狀態標志位的查詢狀態，這樣保證系統任意任務都能機會平等地占用CPU資源，保證系統響應的實時性。狀態標志位一般由RTC、上位機和組態軟件觸發產生。

4 集中器數據傳輸協議

本設計中，數據傳輸協議分為物理層、數據鏈路層、網路層和應用層。在數據鏈路層，數據信息是以幀形式傳輸的，每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數據長度、數據域、CRC校驗碼和結束符7部分組成。下行通信都是集中器主動發出命令幀開始的，被選擇的熱量表或者采集器根據命令幀的要求做出響應[6]。通信中為了防止通信失敗，必須建立命令重發機制，重發次數最多為3次。幀是數據傳送的基本單元，發送和響應幀格式如表1所示。

表1 數據幀格式Tab.1 Data frame format

5 結語

本文提出的遠程抄表系統中集中器的設計方案能滿足多種儀表的自動化管理，如水表、熱量表、電表和燃氣表等均可采用本設計。由于本設計安裝簡便、成本低廉、維護費用低、運行費用少、產生的經濟效益和社會效益顯著，極大地促進了我國熱計量系統的改造。本系統具有多種總線型接口，軟件稍加改造就可應用于物資管理、醫療監控、消防安全等行業，因而其具有廣闊的應用前景。

[1] 王富斌.短距離無線通信技術在抄表系統中的應用[D].濟南：山東大學，2009.

[2] 王曉蘭，譚文忠.基于儀表總線的嵌入式接口設計[J].儀表技術與傳感器，2004（6）：43-47.

[3] 郜煥平.基于模糊產生式規則的智能管理模型及其應用[J].現代制造工程，2005（11）：29-30，86.

[4] 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006：196-212.

[5] 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[6] 閏德光，謝軍龍，戴汝平.M-BUS二線制總線[J].自動化儀表，2003，24（3）：33-36. ■