智能遠程水表表頭及集中器的設計探討

李必果（桂林市自來水公司，廣西 桂林 541002）

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智能遠程水表表頭及集中器的設計探討

李必果（桂林市自來水公司，廣西 桂林 541002）

隨著城鎮化建設速度的加快，在水表抄表中傳統抄表方式勞動強度大、效率低、管理不便，與現代化社會的發展需求不適應。隨著智能化設備的發展，人工抄表、收費及結算方式等逐漸被智能遠程抄表系統所替代。智能遠程水表抄表系統的應用，實現了定時采集、傳輸、統計、存儲及計費一體化的管理。本文主要針對只能遠程水表表頭及集中器的設計問題進行分析。

智能遠程水表；表頭；集中器；設計

引言

長期以來，自來水用戶的用水收費管理多數采用人工入戶抄表實現，這種方式勞動強度大、費時費力、管理不便，且容易摻雜認為因素，數據的準確性差?，F階段，高層建筑越來越多，水表基本都安裝在每一層的水表井內，抄表環境復雜，抄表人員工作難度也比較大，影響抄表工作的及時率。目前，很多電子技術公司也在推廣多種自動抄表系統，如IC卡付費水表自動計費系統、無線自動抄表系統、總線智能抄表系統等，這些系統傳輸的可靠性、抗干擾性及能耗方面還存在一些問題，諸多地方需要改善?？偩€智能抄表系統是目前使用比較多的一種，由采集器、集中器、通信設備、主站及收費系統等組成。本文主要針對水表表頭與集中器硬件及軟件設計相關問題進行分析和研究。

1　硬件設計

硬件部分，我公司采用的智能抄表網絡系統為總線制系統，為總線制自由拓撲結構，總線分為兩種形式，分別是四線制和兩線制。公司最開始使用的是四線制智能水表，后來絕大部分采用的是兩線制智能水表。四線制水表用RVVP4*0.5的屏蔽線，兩條通訊線，一條電源線，一條地線，電源線上的12V直流電源只在通訊時供電，與集中器間采用RS485通信；兩線制水表用RVVP2*0.75屏蔽線，用M-Bus通訊協議進行通信?？偩€上任意處斷開可以掛接一個總線制直讀表，表與表并連，智能水表可以連接到一個智能數據網絡節點的同一條通道上。節點的每一條通道相對獨立，簡化了布線與施工。通過區域集中器可以在城市的任意位置收集到城市內任意區域的表的數據，而形成事實的中間層，直正抄表到戶。系統拓撲結果如圖1。系統整個硬件部分包含表頭與集中器（區域集中器和網絡數據節點）兩部分，表頭實現了水表讀數的輸入和現實，并且與集中器通過RS485或M-Bus實現通訊功能；集中器則對表頭信號集中進行采集存儲。此外，集中器與通訊控制器通過RS485總線連接，通過無線遠傳設備與控制中心的中央管理計算機進行數據交換，對采集到的數據實現向上傳遞的功能。

圖1　智能遠程抄表系統網絡拓撲結構圖

1.1表頭的硬件設計

我公司使用的水表為譯碼總線制直讀水表，它的設計原理為：在每一位字輪上編碼，對應每一位字輪，有一位譯碼器來識別該字輪的讀數。與現在超市里普遍采用條碼識別器識別條碼來收款有相同的原理。這種編碼是一種連續編碼法。

根據譯碼表的原理可知，譯碼表平時是不需要電源，表的內部不需要使用電池。在讀表的時候，由系統送電到表里，譯碼器開始工作，將譯出的讀數由表內的電子單元送到系統。

表輸出的是帶校驗碼（16位的CRC碼）的準確的表讀數，如果表讀數在傳輸過程中受到干擾，表讀數在接收端不準確，那么校驗碼也會錯誤碼，系統收到后能檢驗出來表讀數已經歧變，系統再發指令到表，表可以再將表讀數送出，保證系統讀到的表讀數不會因傳輸而發生錯誤。

表有唯一的地址，系統讀數時才有唯一性，無論這只表在哪里，系統只認表地址，不會出現因接錯線而導致讀數混亂的情況。

1.2集中器的硬件設計

集中器是將控制中心與智能水表連接的中間環節，具有承上啟下的作用，集中器的主要功能是實現對收集到的信息的接收、存儲及發送等，將表頭信號集中進行采集與存儲。集中器CPU選擇Atmel公司生產的ATmega128增強型單片機，具有兩個串口，能夠滿足上位機與下位機同時通信的需求，而兩線接口也可實現和時鐘芯片通信的功能，處理速度比較快。集中器內，包含控制器資源分配、電源調理模塊、M-Bus通信模塊、實時時鐘模塊、信息存儲模塊、串口通訊模塊、LED狀態指示、接口設計等部分，針對每一個模塊進行設計，實現集中器所需具備的功能。

2　軟件設計

在硬件設計及系統總體設計的基礎上，對智能遠程水表系統軟件進行設計。在軟件程序語言上主要包含C語言和匯編語言兩種，功能簡單且對效率要求高的設計中匯編語言比較適用；而C語言則具有編程容易，層次結構清晰，更符合人們的思維習慣，可有效降低系統開發與調試的時間，所以，AVR上軟件設計多數采用C語言開發。本次研究選擇C語言對單片機軟件進行編程。

2.1集中器的軟件設計

因為該系統中，不但要與上位機通信，還要與下位機通信，即同時與PC機和表頭進行信息交互，集中器接受到上位機的命令后，執行與表頭之間的通信。因此，主程序要求采用循環模式，計時器T/C0計時到位即中斷，對上位機發出的命令是否接收到進行判斷，對命令標志相應的值進行設置。如果接收到上位機的命令，則集中器執行命令，打開閥門對表頭信息進行采集。主程序對命令標志不斷循環檢查，根據命令標志執行相應的命令。集中器主程序流程如圖2所示。

圖2　集中器主程序流程圖

2.2系統通訊協議

M-Bus是專門用于公共事業儀表的總線結構，M-Bus系統則是一個帶有通訊控制主機的多級系統，由主機和多個終端設備采用兩根電纜連接而成，所有終端設備并聯在總線上，從總線上可獲取電源。M-Bus協議是以IEC870協議為基礎的，將該協議用于智能水表遠程抄表系統中，主要是由于MBus總線具有提高電壓與傳輸數據的功能，即主機通過地址編碼向對應終端發出數據請求，對應終端接收到主機命令后為其提供數據。在此過程中，主機是連續不斷的向終端提供M-Bus電壓的，通過電壓調制實現主機向終端發送信息；終端則通過自身電流消耗反饋給主機信息，而終端向主機發送信息是通過電流調制實現的。可見，M-Bus總線具有傳輸信號與提供電源的功能，終端不需要再配備電源，有效的解決了終端電池使用壽命有限的問題，也降低了儀表故障的發生率。因為M-Bus儀表總線屬于局域網范疇，因此也同樣具備局域網的特征，即范圍、傳輸技術及拓撲結構。

2.3數據處理方法

在M-Bus總線上，信號傳輸過程包含三種狀態：主站向終端發出數據請求、主站從終端接收數據及總線空閑時主站與終端都保持傳號狀態。主站向終端發送數據時，總線電壓發生改變，總線電流不變，通過電壓調制實現數據傳輸，總線上只允許一個主站連接，在工作時，向總站提供電源，主站通過電平變化傳輸信息；終端至主機的數據傳輸，采用總線電流調制，即總線電壓不變；總線空閑時，主站與終端均保持傳號轉臺，在數據交換過沉重沒有中斷M-Bus電壓，所以可持續為終端提供電源。

3　硬件和軟件測試

在硬件調試中，硬件電路板是系統最基本的組成，要確保硬件電路不出現任何差錯，因此需要對印制電路板進行測試：①對電源線及地線連接情況進行檢查，對所有元器件逐個進行測試；②對系統外部電位器接線進行測試，確保系統能夠準確輸入；③與硬件原理圖進行對照，逐個檢查電路板各個器件的連接，確保正確連接，防止出現斷路或短路現象。該兩線制M-Bus總線系統中，表頭部位因為沒有獨立的電源，需要在M-Bus總線上將電壓穩壓后為表頭提供電源，M-Bus通訊主站向終端進行數據傳輸時，電壓范圍必須滿足要求，所以，對M-Bus上的電壓進行測試是非常重要的環節。在M-BusTXD端口分別置一與置零，也就是主站分別向終端發送1和0，然后對M-Bus+與M-Bus-之間的電壓值進行測量，結果為發送1時，電壓為19.72V，發送0時，電壓為10.75V，由此可知，電壓范圍定要滿足M-Bus通訊規則。

在軟件調試中，主要從以下兩個方面進行：①子函數調試。對于Atmel的AVR器件，其已經具備了完全變成與偏上調試的功能，對芯片硬件利用AVR JTAG仿真器進行仿真，如程序單步執行、斷點設置等，通過仿真對芯片立面程序的詳細運行情況進行了解。利用AVR Studio仿真界面，對程序運行時單片機各時鐘、引腳、串口、寄存器等狀態變化進行觀察。在對程序進行調試時，可以先寫比較簡單的程序，查看單片機是否能夠正常工作，對單片機工作正常進行驗證后，再對單片機各種初始化函數進行寫入，然后依據硬件設計及功能需求，對相關軟件程序進行編寫。需要注意的是，軟件程序需要每編寫完一個以后，要檢查編譯是否準確無誤，也就是利用AVR Studio仿真功能進行調試驗證，無誤后即可進行下一個子函數的編寫，所有子函數編寫與單獨測試完成后，全部加入主程序進行聯調測試。②遠程水表抄錄系統聯調。在各子函數調試完成后，可生成集中器的主程序。經過下載表頭主程序及設置相關通訊串口參數以后，通過VC上位機界面對集中器下達指令，進行表頭數據采集、讀取歷史數據、修改ID等操作，沒有異常后，及完成智能遠程水表系統的設計和實現。

4　結束語

隨著智能遠程抄表系統的應用，降低了勞動強度、方便了管理、采集的數據更加的準確。由于系統組成的單元模塊比較多，本研究只是對系統部分功能進行了介紹，還需要進一步深入研究。

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2016-4-20

TP274.2

A

2095-2066（2016）17-0061-02