現(xiàn)代化小區(qū)水電氣暖四表智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 陳 鵬 公茂法 蔡 芬 宋紅賀 滕文輝

現(xiàn)代化小區(qū)水電氣暖四表智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 陳 鵬 公茂法 蔡 芬 宋紅賀 滕文輝

為了提高現(xiàn)代小區(qū)水電氣暖四表數(shù)據(jù)的采集和管理效率及其智能化和安全性，研制出一套集四表數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理和控制于一體的現(xiàn)代化小區(qū)四表智能監(jiān)控系統(tǒng)。每一個(gè)樓層兩戶(hù)或三戶(hù)共用一個(gè)底層模塊，分別采集用戶(hù)數(shù)據(jù)以CAN總線方式傳輸?shù)街虚g層集中控制器，然后以以太網(wǎng)模式傳輸?shù)巾攲由衔粰C(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)費(fèi)等操作，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，緊急情況下還可直接遠(yuǎn)程控制關(guān)閉用戶(hù)開(kāi)關(guān)，減少甚至避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

智能監(jiān)控；多用戶(hù)；CAN總線；以太網(wǎng)；嵌入式

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和通信技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工抄表方式已成為必然。目前關(guān)于這方面的研究集中在通信方式，主要可以分為有線通信和無(wú)線通信。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可見(jiàn)目前比較流行的通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)大都得到應(yīng)用，比如RS232/485、CAN、ZigBee和GPRS等[1-3]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家政策的推動(dòng)下，廣大農(nóng)村地區(qū)逐漸實(shí)行農(nóng)村改造，帶來(lái)的結(jié)果之一是將與城市住宅小區(qū)一樣實(shí)現(xiàn)水電氣暖的集中供應(yīng)。因此四表聯(lián)合遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的實(shí)用前景十分廣闊。但是目前的研究存在一個(gè)問(wèn)題，即四表數(shù)據(jù)的采集過(guò)于單一，只是對(duì)于用量的采集，在強(qiáng)調(diào)智能化和安全化的今天，這將不能滿足要求。以電為例，普通的抄表系統(tǒng)只是采集用戶(hù)用電量，而未涉及電壓、電流等更多參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)代小區(qū)水電氣暖四表智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用上中下三層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，以CAN總線和以太網(wǎng)通信方式，底層將采集更多元的信號(hào)類(lèi)型，通過(guò)管理中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)費(fèi)等處理操作，如發(fā)現(xiàn)異常，還可以第一時(shí)間遠(yuǎn)程操控用戶(hù)開(kāi)關(guān)，避免因煤氣泄漏、電路短路等情況造成損失和危害。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)化如此發(fā)達(dá)的情況下，用戶(hù)更可以用手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地關(guān)注自家四表數(shù)據(jù)和狀態(tài)。另外，為了減少成本和底層節(jié)點(diǎn)數(shù)，每一個(gè)樓層兩戶(hù)或三戶(hù)共用一套底層模塊，在滿足要求的同時(shí)還能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該現(xiàn)代化小區(qū)水電氣暖四表智能監(jiān)控系統(tǒng)采用三級(jí)式結(jié)構(gòu)：底層用戶(hù)數(shù)據(jù)采集與控制、中間層集中控制器和頂層中心管理，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。每個(gè)樓層配置一臺(tái)底層用戶(hù)信息采集與控制器，分別采集該樓層每個(gè)用戶(hù)水電氣暖的信息，利用微處理器處理這些信息并通過(guò)CAN總線發(fā)送到該用戶(hù)所在樓宇單元的中間層集中控制器。所有樓宇單元的集中控制器與頂層管理中心主機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信方式傳輸數(shù)據(jù)與指令。管理中心以管理員身份對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)、計(jì)費(fèi)、報(bào)警與控制等功能。

2.1 用戶(hù)數(shù)據(jù)采集

水氣暖用量的采集原理類(lèi)似，都是對(duì)流量的采集。以水量為例，水量采集采用干簧管[4]，此為一種磁敏開(kāi)關(guān)，在水流作用下，磁針旋轉(zhuǎn)：當(dāng)磁針靠近干簧管時(shí)，簧片吸合；當(dāng)磁針離開(kāi)時(shí)，簧片分離。磁針每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，水流快慢決定計(jì)數(shù)脈沖的頻率。利用微處理器對(duì)此脈沖計(jì)數(shù)，乘以磁針每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所對(duì)應(yīng)的水量，即可得到用戶(hù)用水量信息。為了避免干擾等因素，提高計(jì)量精確度，可采用雙干簧管模式，兩個(gè)雙簧管依次有脈沖輸出時(shí)，作為一次采樣有效計(jì)數(shù)，這樣可以避免在水閥關(guān)閉或開(kāi)啟的時(shí)候由于抖動(dòng)引起的誤計(jì)量。另外還需采集其他信息，如水溫、水壓信息以及為了防止煤氣泄漏引起事故設(shè)置的外部氣體檢測(cè)等，這些信息可以利用MK60的ADC通道加以采集。

考慮到用戶(hù)有三相電的使用可能，例如大功率空調(diào)等，電量采集可采用專(zhuān)用電能計(jì)量芯片ATT7022B[5]，對(duì)用戶(hù)電壓/電流有效值、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率和電能等電氣參數(shù)，ATT7022B內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這些電氣參數(shù)的計(jì)算并將結(jié)果保存到相應(yīng)寄存器中，外部MCU可以直接通過(guò)SPI總線讀取計(jì)量寄存器數(shù)據(jù)。

電壓和電流信號(hào)采集電路如圖2所示。根據(jù)ATT7022B數(shù)據(jù)手冊(cè)，用戶(hù)最大10A電流信號(hào)經(jīng)過(guò)10A/5mA電流互感器并接20Ω電阻得到0.1V電壓信號(hào)；額定220V電壓信號(hào)串聯(lián)110K電阻形成2mA電流經(jīng)過(guò)2mA/2mA電流互感器并聯(lián)240Ω電阻形成0.48V電壓信號(hào)。此時(shí)，ATT7022B內(nèi)部電流和電壓通道線性誤差小于0.5%，電能線性誤差小于0.1%。當(dāng)用戶(hù)為單相電時(shí)，只需接入對(duì)應(yīng)相的電壓和電流信號(hào)即可，或改用單相電能計(jì)量芯片ADE7763[6]。

圖2 A相電壓與電流信號(hào)采集電路圖

2.2 用戶(hù)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出指令，關(guān)閉用戶(hù)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，對(duì)于水氣暖管道可以應(yīng)用電磁閥門(mén)，而電路的通斷可以用繼電器控制，其工作原理一樣，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。MK60引腳輸出高電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，繼電器通電工作；輸出低電平時(shí)，光耦關(guān)斷，繼電器斷電停止工作。安裝熔斷器是為了防止線圈短路造成危害，提高安全性。

圖3 繼電器控制電路圖

2.3 多用戶(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

底層用戶(hù)信息采集與控制部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)微處理器控制一個(gè)樓層的兩個(gè)或三個(gè)用戶(hù)，其中用戶(hù)所有的繼電器驅(qū)動(dòng)接口通過(guò)光耦隔離連接到K60的普通I/O引腳即可。對(duì)于信號(hào)采集部分中的水氣暖用量的采集，由于其輸出脈沖信號(hào)，可通過(guò)K60的I/O引腳對(duì)其計(jì)數(shù)，而對(duì)于溫度、氣體檢測(cè)等，可通過(guò)K60的ADC通道加以采集。對(duì)于電量的采集，由于涉及到ATT7022B的分時(shí)復(fù)用，因此要詳細(xì)說(shuō)明。

多用戶(hù)之間屬于并聯(lián)關(guān)系，電壓相同，故電壓信號(hào)只需測(cè)量母線處電壓；而電流信號(hào)互不相同，要分別采集，并根據(jù)分時(shí)復(fù)用原理分別加到ATT7022B芯片電流通道引腳，利用多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換用戶(hù)電流。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多用戶(hù)信號(hào)采集結(jié)構(gòu)圖

由于ATT7022B計(jì)量寄存器數(shù)據(jù)更新時(shí)間為1/3秒左右，故分時(shí)復(fù)用時(shí)間要大于1/3秒，可設(shè)為1秒。用K60控制多路開(kāi)關(guān)接通用戶(hù)1#電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)1s時(shí)間（具體精準(zhǔn)時(shí)間用K60內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)得到，記為T(mén)1）后讀取計(jì)量寄存器數(shù)據(jù)，其中電量記為，并切換到用戶(hù)2#,。同理可得到用戶(hù)2#和用戶(hù)3#的分時(shí)復(fù)用時(shí)間T2和T3，以及相應(yīng)電量以用戶(hù)1#為例，一個(gè)分時(shí)復(fù)用期間的總電量為

則用戶(hù)總電量為：

2.4 嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)通信

系統(tǒng)中間層集中控制器的主要功能一是利用底層CAN總線匯集一個(gè)樓宇單元的所有用戶(hù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)頂層以太網(wǎng)總線將此信息上傳至小區(qū)中央管理系統(tǒng)；二是解析頂層下達(dá)的指令，并將其打包成CAN總線協(xié)議下的數(shù)據(jù)包下傳至底層。MK60單片機(jī)具有兩個(gè)CAN模塊控制器，通過(guò)外擴(kuò)一個(gè)CAN收發(fā)器TJA1050和跨接120Ω匹配電阻的雙絞線即實(shí)現(xiàn)其通信。MK60單片機(jī)具有雙10/100Mbps速率的以太網(wǎng)模塊，但是僅具有數(shù)據(jù)鏈路層（MAC層），因此需要一個(gè)物理層（PHY）芯片才能實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接[7]，其硬件電路模型如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，必須處理好每一層的TCP/IP協(xié)議[8]。這類(lèi)協(xié)議的編程復(fù)雜度和難度相對(duì)較大，但是完全可以利用現(xiàn)有開(kāi)源協(xié)議棧LwIP。因此首先要實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的移植，采用uC/OS-II系統(tǒng)，然后再移植協(xié)議棧程序[9-10]。

2.5 上位機(jī)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

頂層小區(qū)管理中心將上位機(jī)PC、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三者合一，主要實(shí)現(xiàn)的功能是：管理用戶(hù)信息，設(shè)置各種參數(shù)，記錄和統(tǒng)計(jì)用戶(hù)四表數(shù)據(jù)、費(fèi)用等信息，遠(yuǎn)程控制用戶(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備以及為用戶(hù)提供信息查詢(xún)服務(wù)。為此設(shè)計(jì)電腦管理軟件和便攜式設(shè)備（手機(jī)和平板等）查詢(xún)軟件。電腦管理軟件利用Delphi7.0和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，分為管理員登錄模式和用戶(hù)登錄模式，兩者具有不同的權(quán)限，前者作為小區(qū)中心管理整個(gè)小區(qū)用戶(hù)的信息和數(shù)據(jù)，并且能夠設(shè)置參數(shù)和發(fā)送指令，而后者僅具備在登錄賬號(hào)后信息查詢(xún)的功能。

上位機(jī)對(duì)用戶(hù)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制分為手動(dòng)和自動(dòng)模式。手動(dòng)即在發(fā)出報(bào)警信號(hào)后通過(guò)人為點(diǎn)擊監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)按鈕發(fā)出命令關(guān)閉用戶(hù)開(kāi)關(guān)；而自動(dòng)模式是指當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)兩次發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，直接發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，無(wú)需人為干預(yù)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)設(shè)置一個(gè)異常情況，驗(yàn)證該系統(tǒng)的正確性。利用三相多功能電能表檢定裝置提供A相220V電壓和5A電流信號(hào)，功率因數(shù)設(shè)為0.8L，則有功功率為880W，無(wú)功功率為220Var。設(shè)置報(bào)警閾值為額定值的80%，即當(dāng)實(shí)測(cè)值超過(guò)額定值的±80%時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并切斷該用戶(hù)電路。實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機(jī)用戶(hù)數(shù)據(jù)查詢(xún)界面

從圖6中可以，在20:20:18時(shí)刻之前，監(jiān)測(cè)到的參數(shù)正常，且誤差均在0.1%以?xún)?nèi)；而到20:20:21時(shí)刻，測(cè)得電壓值為100.7V，低于176V閾值，軟件監(jiān)控界面提示燈由綠色變?yōu)榧t色，并通過(guò)音響發(fā)出報(bào)警聲，點(diǎn)擊紅色警燈（已設(shè)置為手動(dòng)遠(yuǎn)控模式），彈出“是否遠(yuǎn)程關(guān)斷用戶(hù)開(kāi)關(guān)？”對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”按鈕，可觀察到大約1秒后繼電器動(dòng)作切斷電路，下一次數(shù)據(jù)更新時(shí)電壓/電流有效值、有功/無(wú)功功率和頻率值均為零，而功率因數(shù)為1，原因是當(dāng)ATT7022B電壓通道和電流通道沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，功率因數(shù)寄存器值為0x7FFFFF，即功率因數(shù)為1。說(shuō)明系統(tǒng)檢測(cè)到異常后能夠正確發(fā)出指令，且對(duì)應(yīng)用戶(hù)繼電器能夠正確動(dòng)作，滿足要求。

4.結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠滿足有關(guān)四表數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，主要包括測(cè)量要求和計(jì)量精度等。采用底層CAN總線和頂層以太網(wǎng)通信方式能夠滿足傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸速度快的要求。小區(qū)管理中心智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能豐富，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并能快速準(zhǔn)確地做出響應(yīng)。此外，用戶(hù)和水電氣暖公司能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢(xún)這些信息，使信息得到充分共享，用戶(hù)對(duì)自己使用情況做到了如指掌，供應(yīng)公司也能根據(jù)這些信息進(jìn)行調(diào)度，提高效率，減少成本。

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陳鵬（1991—），山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。