【文章內容簡介】 ． 87 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 隨著經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，能夠自動控制與采集的儀表越來越多的引入到人們的生活中去。隨著各式各樣的儀表在不用的需求下越來越多的使用，人們在儀表的采集和儀表的管理這方面也越來越重視了。 以前 的抄表方式都是抄表員 到現(xiàn)場親自抄表。當儀表數(shù)量 相對較少、儀表位置相對集中的情況，這種早期的超標方式是比較合適的。但當儀表數(shù)量較多、儀表位置比較分散的時候，這種傳統(tǒng)的熱工去抄表方式存在著許多不足：例如在工作環(huán)境很差的地方或者有的儀表放在了相對距離比較遠的地方，這些情況下都不利于老式的抄表 ； 一旦使用的儀表出現(xiàn)了故障和錯誤，我們不容易發(fā)現(xiàn)；傳統(tǒng)的抄表 使用 大量的人力物力， 工作效率低下。手動抄表除了效率低，勞動強度大之外，還存在抄表不到位、漏抄、估抄 、錯抄、錯算及抄表周期長等問題。 所得到的數(shù)據(jù)需要人工的輸入到計算機當中，降低了現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的效率。正是因為手動抄 表存在著這些 不足，人們開始尋找新的能替代勞動密集型的人工抄表方式，自動抄表系統(tǒng)也就應運而生了 ]1[ 。 自動抄表的研究背景和現(xiàn)狀 自動抄表系統(tǒng)的研究背景 長期以來，我國一直曹永 以 機關單位為員工提供取暖 ， 從上世紀60 年代就開始使用，根據(jù)前蘇聯(lián)的體系，我國慢慢成立了有自己特色的供熱體系。隨著經濟體制 由計劃向市場 慢慢轉變，以前的供熱體制無法適應時代的要求。根據(jù)歐美 國家的經驗，采用 每戶交自己的熱費可以節(jié)能 20％ ~34％，這也正好適應 了國家的節(jié)能減排的政策。根 據(jù)我國建設部 1995 年發(fā)布的《建筑節(jié)能 ―九五 ‖計劃和 2020 年規(guī)劃》，我國住宅的供熱體系 到 2020 年將 逐漸實行分戶收費制度，由此可見熱量表在現(xiàn)在收費體制和取暖設備中占有很重要的地位。熱量表開始起源于歐洲， 從 1964 年 德國開始首次研制熱量表。開始 的熱量表為機械式，采用孔板、文丘里管 進行流量測量 ，電子熱量表 在 70 年代后才出現(xiàn)，燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 2 電子式熱量表也經歷了從電子積分式、模擬 積分式，到 以 微處理 器為根本的自動 式的發(fā)展過程。 1988 年，國際計量組織發(fā)布 了世界上第一個國際的熱量表標準文件： OIML—R75 號國際建議熱量表。 最近 我國在城鄉(xiāng) 供熱體制 的改革取得了重大的進步，結合供熱計量的需求和在 理論 上的深入研究，我國 發(fā)布了行業(yè)產品標準《熱量表》，并于 2020 年 起正式實施。這標志著我國的城鄉(xiāng)供熱體系改革已經進入產品生產和配套設施建設階段， 我國已經進入按供熱采暖按計量收費的時期 。 我國 現(xiàn)在大部分 取暖地區(qū)還是 按建筑面積 來計算收取費用的 收費體制 ， 這種供熱方法由于 用戶 自己 沒有 對熱量的控制方法，用的多少都是交相同的費用，沒有節(jié)能減排的意思，所以節(jié)約熱能源的悟性不高，其次，熱力公司收取費用比較困難 ， 導致設備和技術的搞糟的積極性也不高。因此我國供熱水 平得不到很大的發(fā)展 ， 這樣使得我國的熱量資源得到了極大的浪費。在這樣的情況 下 ， 我國不斷的提出了很多節(jié)能降耗方案 ，并提出 要對 居民供熱體制 進行 改革 ， 居民取暖不能單一的 按面積收費 ， 要依照自身使用的熱量 ， 準確的收取熱量費。在這樣的情況下 分戶熱計量、精確計量技術 也的到了不少的進步 ， 檢測熱量的 儀表也 使用到用戶小區(qū)中。隨著戶用熱量表用戶的越來越多 ，抄取大量熱量表的工作又成為一種問題。目前使用的熱量表一般都是單獨 的計量， 每個表只是單獨的測量一個用戶的細心，無法連接成網絡 ，從而導致熱網 對每個計量點的信息 無法集中實時監(jiān)控， 這樣有 些用戶對于熱量中心來說都無法檢測到 ， 導致了供熱水平 和效率 低下 ，無法達到節(jié)約能源、降低損耗 的根本目的。目前市場 針對 的熱量表 的抄表方式基本還都是人工去抄表或者是有線的抄表方式 。傳統(tǒng) 的抄表是人工到每家每戶 抄取熱量表 數(shù)據(jù)，不可避免的存在以下問題：所得數(shù)據(jù)不準確，無法反應用戶到底使用了多少熱量 ； 沒有統(tǒng)一的操作 ，存在不明的損失 ；數(shù)據(jù)采集不及時， 不能及時反應用戶信息 ； 并且使用人數(shù)要比較多，投入比較多，但是效率低。顯然，上述缺點 使得人工抄表管理模式 不適應現(xiàn)有的供熱體制 ， 也使得分時熱價運營和管理第 1章 緒論 3 等一些模式的推行。 自動抄表技術 在技術和管理兩方面都繼續(xù)得到長足的進步和改革，因為自動抄表系統(tǒng)火熱的發(fā)展起來。 傳感器、自動化儀表以及集成電路技術和網絡技術的進步，為自動抄表的實現(xiàn)提供了可能。 國外自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前許多國家和地區(qū) 已經床反的使用了自動采標系統(tǒng)，慢慢的取代了早期的抄表方式，其中熱量表的自動抄表系統(tǒng)也得到了廣泛的應用 。 對著 80 年代計算機技術和超大規(guī)模電路的發(fā)展，抄表技術也隨之得到了突飛猛進的發(fā)展。使得這種抄表方式能夠大規(guī)模的推廣變成了一種可能。 由于比較多的開發(fā)費用和產品的不成熟性，使得很多商家在這個新興的行 業(yè)中都望而卻步，雖然這個市場很誘人。隨著新技術的發(fā)展，硬件可靠性的提高，成本的逐漸降低和這個巨大的潛在市場， 使得很多商家投入到 ARM 這一新技術的研究。在科羅拉多州丹佛市，一家公用事業(yè)企業(yè)將 77 萬余臺熱量表實現(xiàn)了自動抄表，成為美國推廣應用量最大的一家公司；北美在 1994 年初就已裝有自動抄表技術。截止到2020 年 1 月，北美已經有 49311372 個單元使用自動抄表。 在歐洲，由于官方宣稱在 2020 年前要撤銷對公共事業(yè)的某些管制，引起了公共事業(yè)企業(yè)間的競爭加劇。 ARM 技術成為企業(yè)提高服務水平、爭取用戶并提供及時的耗 用信息，降低銷售成本的重要手段，于是英、法、德、意等國家的企業(yè)也紛紛制訂 ARM 技術的計劃。目前能生產自動抄表設備的表具制造公司主要有英國的 Dresser Industries，法國的 MAGNOL，德國的 Schlumberger 和意大利的 Met rum。 另外， 1986 年 美國建立了 AMRA 自動抄表研究協(xié)會 ，每 一年左右開一次國際 年會， 很多專題報道都會在年會上出現(xiàn)，目的在于能夠進一步 推廣和發(fā)展 ARM 技術。 隨后已過和歐洲的自動抄表協(xié)會也相機成立。 與此同時， IEC 的 Tc57 和 Tc13 兩大標準化逐漸成 為 ARM 系燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 4 統(tǒng)指定了 相關的標準。各式各樣 的 ARM 系統(tǒng)，很多 新的 ARM 技術不斷 推出，使得整個自動抄表技術行業(yè)快速的發(fā)展 。 國內自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前我國 所使用的抄表方式基本可以分為三種。一是傳統(tǒng)的人工抄表方式，抄表人到每家每戶讀取數(shù)據(jù) ， 然后將數(shù)據(jù)帶到 總局后 再將數(shù)據(jù)人工的輸入電腦。二是預付費方式，抄表人不再需要到用戶家里，用戶到銀行提前繳納費用 或到儀表管理部門購買磁卡、 IC 卡等，按自己的需求購買需求量 ，完成收費工作。三是遠程抄表方式，監(jiān)控中心通過遠程通訊系統(tǒng) 自動獲取遠程儀表數(shù)據(jù)的方式。當前在我國國內大量使用的仍然是采用傳 統(tǒng)人工抄表方式，部分地區(qū)已經慢慢設立 遠程抄表的試點。 選題依據(jù)以及意義 隨著我國市場 經濟的飛速發(fā)展，城市 理念高層建筑不斷增多，工商用戶及三資企業(yè)快速增加，農村網絡化 逐漸普及，鄉(xiāng)鎮(zhèn) 里面企業(yè)逐漸增多，農民家用電器快速普及，隨著 ―一戶一表 ‖政策的實施和多種電價制度的實施，隨之 抄表工作 將發(fā)生了巨大的變化而且將變得越來越復雜。以前的抄表方式的質量和效率上存在的問題 也逐漸暴露出來。以熱力系統(tǒng) 為例子，將發(fā)現(xiàn)老式的抄表方式 存在以下問題： (1)傳統(tǒng) 的 人工抄表由于熱力 網分布面廣，用戶不集中 等原因使得抄表 投入 成本高， 消耗勞動強度大 。 (2)由于抄表質量低引起的不明損失大。由于抄表工作量 大、 采集周期短、 收集頻率高，加上抄表員工的行為不統(tǒng)一，抄表不到位、估抄、錯抄現(xiàn)象 普遍，不明損失大。 (3)熱力公司對 信息的采集 困難，不利于熱價 及時 隨著市場的變化而變化，熱價可調 范圍小。 (4)不利于對用戶的收費和檢測 制度的改革。隨著市場經濟的逐步完善，熱作為一種商品 也開始慢慢的被人們接受 。但由于 個地方社會經濟發(fā)展的不均衡 ， 欠費現(xiàn)象對 熱力企業(yè) 有很大的沖擊 ， 很難將 熱費第 1章 緒論 5 收取 已成為 不可否認的事實。因此許多熱力公司慢慢開始采取預先購買熱量的方法，采 取定量供應，不允許負荷，實行先付款，后消費的營業(yè)收費方式，確保熱費不能及時回收 。實施購熱制， 需要通過對用戶的監(jiān)控手段進行改革，當前的人工抄表和計算方法基本不能 適應這種收費制度 ，無法對用戶實施 及時和 有效的監(jiān)控，阻礙了收費制度和改革的 進一步 實行。 (5)不能適應 現(xiàn)代化的物流管理 。隨著電子 應用技術的快速發(fā)展，計算機已慢慢的 地應用于 熱費管理業(yè)務中，這樣機會 能適應 快速的 社會的信息化發(fā)展。而人工抄表方式不能及時準確的將 得到的信息 送入熱費管理系統(tǒng)。 由于上述問題， 對于無線抄表系統(tǒng)的研究是很具有必要性的 。 (1)從用戶 的需 求方面來說， 一種新的抄表付費方式 確實需要開發(fā)。對熱力公司來說，以前 的抄表方式不能適應新的住宅 結構建設 ，隨著城市高層住宅的增加，使得人工抄表 的效率越來越低 。而且隨著城市公共事業(yè)的發(fā)展以及 很多智能化小區(qū)的出現(xiàn)，熱管理及抄表收費的矛盾越來越突出，以前的抄表收費方式的缺點已明顯凸顯 ， 阻礙了公共事業(yè)的改善和管理水平的提高。然后對最終用戶來說，以前的 抄表也給 現(xiàn)在快節(jié)奏的生活方式，對生活的私密性和安全性也帶來了很大的威脅 。供需雙方都 希望有能夠自動快速不干擾居民生活 的抄表收費方式，能同時兼顧 到 用戶和管理部門 雙方的 利益， 不但 可以實現(xiàn)簡單操作程序，用戶方便，挺高了人民群總的生活質量，也使得企業(yè)的負擔得到減輕，企業(yè)的經濟成本得到減輕，并且使得用戶的安全性得到了提高，所以需要一種更完善的自動抄表方案來解決這些問題。 (2)從技術方面來說， 目前的技術已經可以解決上述的問題。首先，這些年來，多種多樣的抄表方式已經實現(xiàn)，如 RS48 MBUS、 CANBUS的專線傳輸，電力載波傳輸?shù)确绞?。但是現(xiàn)有的這些方式還存在著自己的一些缺點。隨著短距離微功耗無線通信技術的升溫，無線集中抄表慢慢的成為了一種比較好的選擇。尤其是微功率短距離的無線通訊網絡技 術的發(fā)展，加上無線抄表技術的據(jù)去要求，根據(jù)選擇不同的路燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 6 由算法，可以滿足無線集中抄表的需求。除此之外，無線抄表技術還有安裝維護方便，安裝成本低廉，每個通信終端節(jié)點相對獨立等很多優(yōu)勢。 本課題研究的主要內容 目前，實現(xiàn)無線抄表的方法很多，在本課題中選擇了當前比較火熱的MBUS 總線技術和 ZIGBEE 無線傳輸技術。 本論文重點介紹了，在數(shù)據(jù)集中的過程中的方法， 就是 MBUS 總線加上 ZIGBEE 無線傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中和傳輸，這種方式可靠性比較高 。 其次，是通過 VC 設計上位機軟件，實現(xiàn)和 ZIGBEE 的通訊，實 現(xiàn)上位機的讀取熱量表數(shù)據(jù)，并設計上位機界面，使用戶的使用信息一目了然的顯示在上位機界面中。 第 2章 系統(tǒng)概述 7 第 2 章 系統(tǒng)概述 無線遠程抄送系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)終端系統(tǒng)、集中器和中心服務器組成。其中，終端系統(tǒng)由熱量表、采集器構成，采集器通過接口電路與熱量表通信。集中器與采集器之間應用 ZigBee 技術構成無線數(shù)據(jù)通信局域網。中心服務器與集中器之間由于通訊距離較遠，采用 GPRS 模塊實現(xiàn)遠距離的無線通信，如圖 21 所示。 集 中 器終 端終 端終 端集 中 器終 端終 端終 端Z i g B e e 網 絡G P R S 網 路中 心 服 務 器? ?圖 21 遠程數(shù)據(jù)抄表系統(tǒng) 硬件終端設計 熱量表 熱量表利用超聲波測量管道流速、溫度敏感元件鉑電阻 PT1000 測量供回水溫度，能夠精確計算用戶的用熱量，每個熱量表都有地址編號，能進行數(shù)據(jù)通信，向外部傳送供回水溫度、瞬時流速、累計流量、累計熱量、累計工作時間、日期等數(shù)據(jù)。 采集器 采集器由微控制器 (MCU)、接口電路、控制電路、電源電路和 ZigBee燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 8 模塊等組成，通過接口電路讀取熱量表的數(shù)據(jù)，控制鎖閉閥開關，通過 ZigBee網絡完成與集中器的通信。結構原理圖如圖 22 所示。 采集器和集中器之間采用的 ZigBee 技術是一種短距離、低速率、高效率的無線網絡技術，數(shù)據(jù)傳輸頻帶為全球通用 ，其底層采用了直擴技術，具有大規(guī)模的組網能力。網絡中節(jié)點以接力的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，速率最快可達 250Kb/S。在不同的工作頻率下，節(jié)點傳輸距離從十幾米到幾十米，若增加功率放大裝置，可使傳輸距離更遠。對于該系統(tǒng)，終端分布較集中，集中器與采集器之間距離較短，且傳輸數(shù)據(jù)量少，實時性要求高，因此采用 ZigBee 網絡進行數(shù)據(jù)傳輸 ]2[ 。