远程智能抄表系统设计.docx
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远程智能抄表系统设计.docx
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远程智能抄表系统设计
远程智能抄表系统设计
摘要
目前,随着科学技术的迅猛发展,远程智能抄表已逐渐取代人工抄表在人们生活中的地位。
逐渐地,无线远程智能电表将普及全国,一个数字化传送的智能抄表时代即将到来。
所以,开发性能稳定的水、电、气以及纯水的智能化计量抄录装置是我们的当务之急。
本课题正是在这样的背景之下开始研制的。
本文是针对智能化小区的抄表系统所作的研制。
经过对国内外相关技术和案例的分析、研究之后,结合小区的实际情况,设计了一套基于单片机控制技术的自动抄表系统。
该设计综合运用了单片机技术以及RS485通信技术,实现了仪表数据采集、存储、处理、传输等工作。
论文对自动抄表系统作了全面的研究与讨论,介绍了自动抄表系统的总体设计方案,并对系统中采集器终端的设计进行了深入的研究。
论文中详细介绍了采集器终端供电模块、微控制器(单片机)模块、数据存储模块、通信模块、显示模块、时钟模块的硬件设计。
对各模块的硬件设计,介绍所选芯片的特点及使用方法并给出该模块的电路连接图。
系统软件也基本遵循模块化的设计方法,以对应硬件电路的各模块。
在软件设计章节讨论了系统中的通信协议的设计和实现,各个软件模块的功能、设计难点和解决方法等。
“关键词”:
远程智能抄表,单片机,RS485,经济
Thedesignontheremoteautomationmeterreadingsystem
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theremoteintelligentmeterreadinghasgraduallyreplacedthemanualmeterreadingpositioninpeople'slives.Increasingly,wirelessremoteintelligentenergymeterswillbepopularizedtoallthecountry,theeraofadigitaltransmissionofIntelligentMeterReadingiscoming.Therefore,todevelopthedevicewhichcanmeterwater,electricity,gasorpurewaterstablelyandintelligentlyisourtoppriority.Thisprojectstartedjustinthiscontext.
Theautomaticmeterreadingsystemforintelligentresidentialquartersisdesignedinthispaper.Throughanalysisandstudyofthecorrelativetechniqueandcases,combinedwiththepracticalconditionsoftheresidentialquarters,theautomaticmeter-readingsystembasedonmicrocomputercontroltechniqueisdesigned.Thedesignconsiderssensortechnology,microcomputertechnology,RS-485communicationtechnologyandinfraedcommunicationtechnologyasmajorsupports.
Thepaperhasadetailedintroductiontothehardwareofthepowercircuit,microcontrollercircuit,communicationcircuit,datastoragecircuitanddisplaycircuitofthecollectiondeviceterminal.Forthehardwaredesignofeverymoduleandthepapershowsthecircuitdiagram.
Asamodularizationofsystem'ssoftwre,theprogramsaremodulariation,too.Insoftwrechapter,thefunctionsofeachprogrammodulesareintroduceddetailed.
“KeyWords”:
Remotesmartmeterreading,SCM,RS485,Economic
第一章引言
1.1课题的目的和意义
智能抄表系统简称AMRS(AutomaticMeterReadingSystem),是一种不需要工作人员到达现场就可以进行抄录用户能耗的智能化能耗管理系统。
近年来,无线远程智能抄表技术在国内外迅速发展。
为了增强用户的耗电量、耗水量、耗气量的管理,提高对于居民能耗管理的效益,使其适应市场经济需要,管理部门实行电度表、水表、气表、纯水表的自动抄表和用电、用水、用气的监控管理是非常必要的。
因此,远程智能抄表系统将是未来发展的主要方向,这对于提高居民能耗管理部门的管理水平和经济效益无疑具有着十分重要的意义。
居民住宅区中的智能抄表系统是能耗管理自动化的一个重要手段和组成部分,它的最终目的是:
自动、集中、定时地抄录各用户的用电量、用水量、用气量,按耗能的峰、平、谷时间来自动的调整复费率去核算每个用户的能耗费用,最终通过一个上位机来自动完成向各用户电费结算、打印收据并通过银行转账结算。
为能耗管理部门提供了及其有效的能耗管理办法。
该系统的实现是迈向能耗管理自动化的第一步,并有助于提高能耗管理的现代化水平[1]。
1.2国内外的发展状况
1.2.1国外发展现状
在美国、加拿大、日本和西欧等许多发达国家和地区用自动抄表系统代替传统的人工抄表早已实现并广泛应用了,尤其是对用户煤气表的自动抄录系统,己经有几十年的发展历史了。
自动抄表系统的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术等的快速发展,它们使得无线远程智能抄表技术在智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的品质要求下逐渐成型,如今无线远程智能抄表系统已达到可以大规模应用于广大用户的实用性阶段。
在国外,电力线载波通信技术的发展已经相当成熟了,近些年正在向着利用电力线载波通信来实现家庭能耗管理自动化的方向上发展,国外学者已经研究并提出了统一的电能表通信协议DLMS/COSEM(DeviceLanguageMessageSpecification/CompanionSpecificationforEnergyMetering),并被国际电工委员会采纳作为IEC62056国际标准。
这一通信技术的进步大力促进了电力线载波抄表的发展并使得它的发展有了统一的方向而更加规范和易于操作。
国外无线通信以及网络技术的迅速发展使基于无线网络技术的应用逐渐成为当前无线通信的主流。
无线网络技术其自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制,使其成为远程数据采集系统中解决监控点地域广、设备布局分散等问题的主流技术。
目前国外无线远程抄表系统主要基于微处理器,通过GPRS、CDMA等无线通信网络,向管理系统传送采集的数据。
在欧洲,在国家政策的刺激下,公用事业企业间的竞争逐渐加剧。
远程智能抄表技术成为企业提高服务水平、争取用户并提供及时的耗用信息、降低销售成本的重要手段,于是英、法、德、意等国的企业纷纷制订了发展远程智能抄表技术的计划。
其中能生产自动抄表设备的仪表制造公司有英国的DresserIndustries,法国的MAGNOL,德国的Schlumberger,意大利的Metrum[2~4]。
1.2.2国内发展现状
90年代以前,在我国大部分地区,传统的抄表方式主要有两种:
一是人工抄表,另一种是掌上机抄表。
随着国民经济的发展,城市高层建筑不断增多,工商用户及三资企业迅速增加,农村农网逐渐普及,乡镇企业逐渐增多,农民家用电器迅速普及,还有“一户一表”政策的实施以及多种电价制度的执行,都使得抄表工作发生了巨大的变化并且变得越来越复杂。
常规抄表方式的质量和效率问题也逐渐暴露出来:
(1)、人工抄表受人的行为因素﹑影响查抄数据准确性
人是人工抄表的实施主体,但人的行为容易受到情绪等因素的影响,还容易受到天气等环境因素的影响。
人的行为不确定性直接影响到抄表数据的准确性。
(2)、 楼宇表井安装情况复杂影响抄读表数
目前住宅楼宇建设,基本都是各种计量器具与入户管道都集中在同一表井中,热计量表安装在表井之内,由于楼宇房型不同,热表安装位置不同,表井大小不同,在无照明的情况下,抄表人员读取表数非常困难,影响了查抄数据的准确性。
(3)、人工查表增加后续人工成本
现代居民小区以高层建筑居多,要雇用大量的人力进行抄表工作,据测算每人每天可完成100块热表的抄表工作,以20万户为例:
要雇用2000人才能完成一次抄表工作。
所以对于这种临时性较强,但又必须要求查抄数据准确,供热管理单位在人力组织上是非常困难的。
(4)、 人工抄表很难做到统一时点抄表
热计量的数据是从供热开始的统一时间开始,对于初装热计量表用户,初次确定表数应从热计量表计数开始,人工抄表从第一户开始到最后一户,热计量表数已经产生了差异,所以人工抄表很难统一时点查抄数据,容易造成纠纷。
(5)、 人工抄表不利于对热表的监控
用户的热表通常是在供热前统计,供热结束统计,以表数为准,结算用热费,在整个供热期间若发生热表故障,用热户用热发生变化,供热单位根本无法掌握。
以上所有出现的现实问题,仅靠增加抄表人员、延长抄表时间、增加抄表次数,不仅无济于问题的解决,而且会造成整个供电部门成本上升、效益下降、管理混乱等等多方面问题,不利于能耗管理系统的稳定发展。
进入90年代以后,国内许多研究机构和企业纷纷投入对自动抄表技术的研究,并有多种自动抄表系统陆续问世,这标志着我国自动抄表技术应用的起步。
目前国内存在三种抄表方式:
人工抄表、预付费方式、远程集中抄表方式。
人工抄表由于前述的诸多缺陷已成为落后的抄表方式,只在少数边远地区使用。
预付费方式也由于IC卡的一些致命技术隐患及带来的管理问题而应用受到限制。
远程集中抄表(分线制、总线制、无线、电力载波、卫星通讯等)由于其通信技术的先进性和系统灵活等优点而得到重大发展。
就电表采集方式来说,分线制即采集器定时顺序采集来自多路分线连接的表计信号并进行数据处理,存储,各采集器之间采用总线制连接,最后连接至计算机,其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置。
目前国内市场上各抄表开发系统的公司多用此型。
分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟,也节约成本(多户表共享一个采集器),但从实际情况看存在如下缺点:
分线的任何环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据、需专业人员调试系统而维扩费用也相应增加、采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失。
实际使用中效果反映不理想。
总线制智能抄表方式开发由来已久,它是在表内设单片机,即在表计上装配采集器,表计的数据采集、处理、存储、等基础工作全由采集器完成。
其优点是出现故障不影响其他表的抄取,缺点是成本增加、管理中心压力大(需管理每只表)。
目前江苏、安徽省地区等实际使用效果比较满意。
抄表系统目前已经广泛应用于物业公司、自来水公司、煤气公司、供电公司、企业内部宿舍的计量收费管理。
尤其是如今住房需求的不断增长,还有旧的居民小区需要改造,这些都为智能建筑市场提供了良好机遇,无线抄表系统作为小区智能建筑的标准配置也将获得广阔的应用市场和发展空间[5~6]。
1.3本文主要工作
本文以当前远程智能抄表系统的研究为基础,主要围绕集中期和采集器的硬件与软件的设计展开论述。
第二章从宏观角度介绍了智能抄表系统的总体设计,并简要说明了本设计的某些重要特点。
第三章分块介绍了采集器和集中器的硬件设计,其中对采集器主要介绍起外围电路,集中器与采集器有许多相似之处,所以只对集中器与采集器不同之处进行介绍。
第四章分块介绍了采集器和集中器的软件设计,并给出程序框图。
第二章远程智能抄表系统的总体方案设计
本文所介绍的系统是基于传统的“电表远程智能抄表”的基础上,新增加了对于居民用户的用气、用水、用纯水三个能耗量的检测、抄录与传送装置。
还运用了电力线载波通讯方式。
本系统主要针对智能化居民区设计,由两部分构成:
主控端和采集器(客户智能用量表)端。
客户端与主控PC机通过通信模块来完成智能抄表任务。
本设计实际包含两个部分的设计:
通信部分的设计与客户端智能表的设计。
2.1远程智能抄表系统概述
1、自动抄表系统的组成
典型的能耗计量智能抄表系统主要的组成部分包括:
前端采集子系统、通信子系统、中心处理子系统。
即由采集器顺序定时采集来自多路分线所连接的电表信号并进行数据处理、存储等,各采集器之间采用的连接方式是总线连接,最后连接至计算机。
其典型特点是各用户分表通过每一分户线连接至采集器。
系统一般分为四个层次的结构,分别为:
前端采集子系统、服务器(区域管理器)子系统、通信子系统、管理中心子系统,有些产品还会附带一个掌抄器。
系统的结构如图1-1所示。
(1)前端采集子系统
采集各个基表所输出的数据,一般一个采集器可以采集多个基表。
远程的数据采集系统可以由电子式电能表或加装了光电转换器的机电脉冲式电能表来构成系统的最前端,它们以电脉冲的形式把用户的耗能量传递给上一级数据采集装置。
目前应用广泛的远程智能抄表系统大多数都采用两级式数据汇集结构,即由安装于用户生活小区单元的采集器收集十几到几十个基表的读数,而负责定期从采集器读取数据的装置是安装在配电变压器下的集中器。
(2)服务器(区域管理器)子系统
它的功能是用多机通信的方式采集数据采集器中的各个基表的数据,然后进行处理、存储等操作,并通过某通信总线与总控制室的系统管理中心的计算机相连接,一个服务器可以连接多达几十个数据采集器。
(3)通信子系统
通信子系统的主要功能是把数据传送到控制中心的总线通道去。
为了符合成本要求并适应不同的环境条件,通信子系统的构成有多种方案。
按照通信介质不同来区分,通信子系统主要包括光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种方案。
图1-1远程智能抄表系统结构图
Fig1-1Structurediagramoftheremoteautomationmeterreadingsystem
(4)管理中心子系统
管理中心子系统主要由系统管理软件和多媒体计算机组成,安装在物业管理中心,是整个能耗计量智能抄表系统的最上层,所有用户的能耗信息通过总线通道汇集到此处,管理人员利用软件对数据进行汇总、分析并作出相应决策。
在硬件允许的情况下,还可以直接向下级的集中器以及电能表发出控制指令,从而对用户的能耗操作实施如停、送等远程操作的控制。
由于各个基表要处理的数据量比较大,因此要求管理中心的硬件必须要有运算和存储的能力。
软件方面则要求操作系统一定要稳定可靠,软件需要具有处理大量数据的能力。
典型的抄表软件具有如下功能:
A.远程设定抄表集中器。
B.采集器内的参数。
C.抄收整个系统中所有电能表的数据。
D.电量日报、月报,进行电费结算。
E.使系统可进行查询管理。
F对异常用户给予告警提示。
物业管理中心的系统管理软件需要有如下功能:
A.查询管理网络中任意一个用户的基表的示数以及各月的耗能量,并且可以查询应缴纳的费用。
B.查询居民区的某一栋楼每个月各个基表的示数及应缴纳的总费用。
C.修改每一户的各基表的底数和修改每户户主的姓名。
E.查询上个月的费率,输入本月期望的费率。
F.能够打印报表,按月、季打印出居民区内每单元、每用户的能耗用量及其费用。
G.打印各用户应缴费用的通知单及其月用量。
2、自动抄表系统的主要功能及特点
自动抄表系统之所以成功,要归功于现代科技将计算机技术、通讯技术以及传感器技术等高精尖技术完美地结合起来,构成了一个先进的计算机监控管理系统。
它具有其它抄表系统所不具备的独特优势:
(1)自动化:
数据能够在通信网络上进行通讯,可实现远程自动抄表。
(2)易于控制:
表内数据可通过系统指令来实现定时抄表并能够很轻松的实现各时段能耗量抄送。
(3)实时性:
可精确的获得系统内部所有电能表在某一时段的能耗用量;
(4)高效性:
提高现代化能耗管理水平并实现抄表、核算、收费全部自动化,减轻了各个能耗管理部门人工抄表负担,为其减员增效提供了高技术手段。
(5)数据处理功能全面:
可实现能耗量日报表、月报表的查询及打印、基表管理功能,还可处理完整的用户信息。
2.2远程智能抄表系统总体方案设计
本设计的系统总体方案图如图2-1所示:
图2-1系统总体方案图
Figure2-1TheoverallschematicdiagramofAMRS
从图中可以看到系统总体分为三层。
最低一层是数据采集单元,它是由基表以及采集器所构成的;中间一层是抄表单元,它是由集中器、通讯网络以及数据采集单元所构成;最高一层为整个远程智能抄表系统,它是由所有的抄表单元、主站(可扩展Modem或Interne联接)所构成的。
系统采用的是模块化设计,使系统的链接更加的灵活多变。
这个系统的工作原理是:
系统的基表通过其内部的传感器以脉冲信号的方式把耗能量传输给采集器,采集器接收到多路脉冲信号后进行计数和处理,并将结果储存。
采集器与集中器之间所采用的通讯方式是RS485方式,采集器平时处于接受命令状态,当接收到集中器的操作命令时,则按照指令内容进行操作,并将有关数据送至集中器。
集中器可以定时或实时地对下属多的采集器的数据进行抄录并存储。
当主站计算机想要调用数据的时候,集中器就会将储存的数据打包上传给主站,或直接对采集器进行各种操作。
当基表安装的位置比较分散时,系统还可以创造性地使用中继器对其下属采集器进行中转。
下面介绍本系统的实际选择:
本系统针对现在居民用户所使用的电表、气表、水表和纯水表等基本计量工具所存在的诸多缺陷提出一定的解决方案。
还能够将能耗数据通过网络传送到指定单位,实现抄录、传送、缴费等的自动化。
系统主要应用AT89S51单片机作为CPU分站,对用户的电、水、气以及纯水的用量进行脉冲采样,其中电的能耗量可直接从多用户电子式电能表上进行抄收。
系统大约可承受32个以上集中器,每个集中器又可以连接32个采集器,每个采集器可以带3块基表以及一块多用户电子式电能表。
本系统通过分布式结构,并与上位机构成了典型的分布式测控系统。
通过上述对采集器和集中器的个数的分析,可以很轻松的算出系统总的容量:
每个采集器可以采集一个用户的水、电、气以及纯水的用量,而每个集中器可容纳32个采集器之多,那么每一个集中器上就收录了32个用户的能耗信息,有知道每个子网上可连接32个集中器,由此可算得每个子网上汇聚的用户能好信息量可达1024户,这还没有算上中继器,如果加入了中继器,理论上我们可远程抄收的用户能耗量可达无限多户。
以目前城市居民小区的发展状况来看,这个系统已具有足够的能力去管理各种各样的居民小区了。
该系统可以通过控制中心计算机发出指令,直接对下层的各用户基表进行控制,实施抄收、设定、传送数据等功能。
可以在完全没有抄表人员干涉的情况下高效完成对用户各基表数据的抄收任务,还能实现由工作人员采用便携机进行抄取和设定等操作。
系统更人性化的加入了后备电池装置,可以在市内停电48小时以内连续正常工作[7~10]。
由于系统是设计任务是对采集器和集中器的硬件与软件进行设计,采集器的设计重点为硬件而集中器的设计重点是通信。
本设计的主要设计框图如图1-2所示。
2.3远程智能抄表系统功能设计目标
下面是用户提出的系统设计目标:
(1)对水、纯水、气、电的基表计量信号进行远程传输并能实现计费功能
(2)系统要对其中的传输线路的短路及断路具有一定提示功能。
(3)欠费可停止用户用电,方便物业管理。
(4)抗磁干扰功能。
水、气、纯水等基层计量装置被放置在磁铁附近时,不应影响其工作。
(5)抄表时间预定为凌晨,并且可以支持自动抄表和手动抄表两种模式。
(6)能用便携机到现场进行抄表和参数设置等操作,并保证系统便于手动安装和调试。
(7)能够针对特定的用户进行抄表。
(8)对于每户的费用报表可以分别打印也可安固定单位集中打印。
(9)可按照用户的地址、编号、电话、姓名等详细信息进行分类设置和查看小区各个住户的用度数据。
(10)系统应具有后备电池装置,保证市内停电后还可正常工作48小时。
(11)系统或某设备意外断电时,数据不会丢失。
(12)有记录历史数据的能力,便于系统的查询和管理。
第三章采集器和集中器的硬件设计
采集器的硬件设计主要包括:
用户的各种基表(如远传电能表、远传水表、远传热能表和远传燃气表)的选择,采集器的硬件电路的设计,集中器的硬件电路的设计,显示电路的设计,采集器的后备电源的设计以及通讯电路的设计等等,本文将一一介绍。
3.1采集器的硬件设计
采集器要完成的功能很简单,就是每隔一段时间通过485总线采集电表数据,把最新数据存到E2PROM芯片里,若接收到集中器的命令则把E2PROM数据通过无线模块上传给集中器。
采集电表的时间间隔大概一个小时。
另外采集器还有路由中继、控制电表通断等功能,不过硬件结构上主要由RS485接口、E2PROM存储器、无线模块几部分组成。
采用8位单片机完全可以实现这些功能,我们选用AT89S51。
采集器框图结构如下图3-4:
3.1.1单片机的电路设计
AT89S51的管脚图如上图3-5所示。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
(1)主要特性:
•8031CPU与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器(寿命:
1000写/擦循环)
•全静态工作:
0Hz-33MHz
•三级程序存储器保密锁定
•128*8位内部RAM
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