【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)的應用范圍進一步擴大，市場對抄表系統(tǒng)提出了更高的要求。總結起來有如下幾個方面： 1） 維護智能化 批量采用抄表系統(tǒng)后，由于這個系統(tǒng)是一個規(guī)模宏大的系統(tǒng)，因此抄表系統(tǒng)的維護成為一個大問題。要求抄表系統(tǒng)的軟件能夠具有智能診斷的功能，不但能夠準確、迅速地找到故障，而且能夠指導維修人員迅速排除故障。 2） 抄表數(shù)據(jù)更豐富 以往的系統(tǒng)只需要提供每月的累計值，這是模擬人工抄表的行為，由于自動抄表系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)更為方便，可以實現(xiàn)以往人工抄表根 本無法實現(xiàn)的功能，因此要求有更多的數(shù)據(jù)以便做出進一步的數(shù)據(jù)分析。如，每日的用量數(shù)據(jù)（當用戶發(fā)生過戶是這個數(shù)據(jù)有用）、每月固定時間的凍結數(shù)據(jù)（準確計算每月用量）、每月平均用量、年內(nèi)平均用量數(shù)據(jù)、年內(nèi)最大用量數(shù)據(jù)；還有如表計安裝時間、型號、維護次數(shù)、更換信息；異常數(shù)據(jù)信息：突發(fā)數(shù)據(jù)增大告警信息、突發(fā)數(shù)據(jù)減小信息等等。 3） 采集數(shù)據(jù)更頻繁 人工抄表為每月一次，自動抄表可以更為頻密，每日一次。這對于出租房屋、酒店式公寓等經(jīng)常更換用戶的地方非常適用。 4） 操作更方便 因為應用的范圍更廣，所以對操作人員的要求要降低，這 樣就要求界面更加友好，操作更方便。 5） 專業(yè)化程度更高 自動抄表已經(jīng)由原來只針對物業(yè)管理拓展到專業(yè)的煤氣公司、自來水公司、電力公司、工廠企業(yè)的員工宿舍、學校的學生宿舍和教工宿舍、酒店式公寓的管理等等五花八門的方面。每一種應用都有自己的特點，如自來水公司要求有階梯水價、電力公司要求 4 復費率分時計費、學生宿舍要求具有預付費控制功能、酒店式公寓要求每日能夠結算等等。從而要求為各種不同的用途提供不同的專業(yè)應用軟件。 用戶用電量的數(shù)據(jù)采集可結合電子式電能表來實現(xiàn)，當前電子式電能表主要有兩種形式，一種是在原感應系電度表的 基礎上，利用光電或磁電方式改裝而成的機電脈沖式電能表。一種是利用電量測量專用芯片設計制作的全電子式電能表。 機電脈沖式電能表沿用感應系電能表的測量機構，其數(shù)據(jù)處理機構則由電子電路和計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)，因而，機電脈沖式電能表是一種電子線路與機電轉(zhuǎn)換單元相結合的半電子式電能表。機電脈沖式電能表繼承了感應系電能表結構牢固、長期運行可靠和價格低廉的優(yōu)點。 全電子式電能表不再使用感應系測量機構，而是由專用電量測量芯片與微控制器芯片構成。由于它沒有傳統(tǒng)電能表上的旋轉(zhuǎn)機構，因而又被稱為“靜止式電能表”或“固態(tài)電能表”。近 年來，各種新型電子式電能表不斷推出，所用芯片型號各異，功能眾多，但其基本原理相同，主要功能可歸為三個方面：計量、計費功能（包括分時計量、最大需量計量和預付費等）；保護功能（包括過電流、過電壓保護與防竊電等）；通訊功能（可以是紅外通訊、無線電通訊、專線通訊或載波通訊等）。 當前人們對用水量 、燃氣量 的數(shù)據(jù)采集也主要有兩種形式，一種是在原來機械式水表的基礎上利用傳統(tǒng)水表的刻盤轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電脈沖實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。這種采集方式的顯示可以有機械刻度顯示與數(shù)字顯示兩種顯示方法。另一種方式是直接利用流量傳感器進行數(shù)據(jù)采集，這種數(shù) 據(jù)采集方式是通過傳感器直接將水量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字脈沖或相應大小的輸出電流，采集的數(shù)據(jù)可通過相應的控制芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)積算、存儲并驅(qū)動 LED 或LCD 顯示。 國內(nèi)外發(fā)展的概況 水、電和燃氣是生活中必不可少的，它們的發(fā)展一直倍受人們的關注。在人們關注的同時，三表抄送系統(tǒng)產(chǎn)生了，并且，隨著科技的不斷發(fā)展，三表抄送系統(tǒng)也越來越智能化。 同時，隨著人們的生活水平不斷提高，老百姓對生活環(huán)境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的發(fā)展。同時，隨著科技的發(fā)展，小區(qū)住宅除了滿足人們最基本的居住要求， 還要將方便、省時的物業(yè)管理帶給住戶。實現(xiàn)住宅的三表（水、電、煤氣）出戶自動抄表、自動計費，已成為新型智能小區(qū)的必備條件。 作為智能化產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán) ——智能抄表系統(tǒng)也同時得到了蓬勃發(fā)展。從沿海的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)深圳、廣州、上海到政治文化中心北京，以及中國西部城市成都、重慶、貴州、昆明等地均不同程度地建設了智能化示范小區(qū)。這些智能化住宅小區(qū)的建設，提高了住戶的生活質(zhì)量，擴大了住戶的居住空間，為當?shù)刂悄芑ㄔO起到了示范作用。 5 傳統(tǒng)的三表需要抄表人員定期挨家挨戶抄取數(shù)據(jù)，結算出費用后，再到各家索取，誤差大、統(tǒng)計工作量大 ，人為的錯誤給物業(yè)管理和用戶帶來極大不便?，F(xiàn)在有許多地區(qū)改為插卡式買電裝置，這雖然減少了人為因素，但是買電時要到銀行，費時費力，且水、電、氣表分別交費，也有許多不便之處。 小區(qū)智能抄表系統(tǒng)節(jié)省時間、人力、物力，提高工作效率，降低物業(yè)成本，準確及時地將住戶所使用的三表數(shù)據(jù)顯示出來，為實現(xiàn)小區(qū)科學、系統(tǒng)的物業(yè)管理提供了有效的解決方法。 小區(qū)智能抄表系統(tǒng)的出現(xiàn)，方便了住戶，可設置多級加密功能，定義訪問權限，更可增加系統(tǒng)的保密性。防泄漏報警可以使住戶放心，不必因家中只有老人、孩子而擔心煤氣的泄漏與觸電現(xiàn)象的發(fā)生。一 方面杜絕了抄表擾民的問題；另一方面可以簡化管理手段，減輕物業(yè)管理負擔。因此三表出戶系統(tǒng)是新一代的具有城市性自動化計量收費管理系統(tǒng)，是提高住宅發(fā)展的必然，合乎人們高品質(zhì)生活的追求，符合國家小康型住宅產(chǎn)業(yè)的精神。 隨著城市生活節(jié)奏的加快，人們需要越來越多的方便設施來滿足生活的需要，小區(qū)智能化是今后的發(fā)展趨勢。智能抄表系統(tǒng)是智能小區(qū)應具有的最基本的系統(tǒng)，它的發(fā)展必將影響到小區(qū)智能的發(fā)展，因此將會有更多的系統(tǒng)集成商、發(fā)展商看中這個項目，對它進行進一步開發(fā)是極重要的。預測三表的前景如下情況： 水表：隨著用水量的增大和 不斷完善，水表的前景應該是穩(wěn)中有升。 電表：因為電的應用越來越廣泛，電表的發(fā)展應該是高居首位。 燃氣表：電的廣泛應用，可能會使得氣表只能保持穩(wěn)定或者是略有下降。 住宅抄表自動化系統(tǒng)應用條件 自動抄表系統(tǒng)作為一個實用系統(tǒng)在住宅建筑工程中的應用應具備以下條件： (1) 系統(tǒng)產(chǎn)品化、模塊化、系列化，并且可按照住宅建筑類型和用戶的需要，靈活組合所需系統(tǒng)。 (2) 系統(tǒng)工程設計應符合國家相應標準、規(guī)范及國家相關政策導向。 (3) 需要相關供水、供電、供氣、郵電、房地產(chǎn)開發(fā)等主管部門的配合，以及綜合物業(yè)管理的 配套實施。 設計方式的選擇及主要內(nèi)容 隨著電子技術、傳感技術、自動控制技術和計算機技術的發(fā)展，耗能表戶外計量已經(jīng)開發(fā)出不少產(chǎn)品。主要分為三大類：機械表、 IC 卡類電表、遠傳耗能表三種戶外計量方式。現(xiàn)將這三種常見電表的優(yōu)缺點分析如下： （ 1）老式機械表：也叫感應表，利用電磁感應原理制造而成。轉(zhuǎn)盤引起的機械磨 6 損和振動易引起機械變形，很容易造成誤差超差。準確度等級是 ，也就是機械表的計量誤差是控制在士 2%之內(nèi)的。具有易磨損、易失磁、功能低、準確度低、誤差特性不好、過載能力差、電壓適應范圍窄、運行維護不方 便等缺點。 （ 2） IC 卡類電表：多采用單片機為主機進行控制，在原普通單相電度表上加裝一對紅外發(fā)射接收管，對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)進行計數(shù)，主機完成對用戶用電量的一記錄、累加、顯示和控制功能。配上一塊非接觸式 IC卡，完成從供電管理部門到用戶間的幣度轉(zhuǎn)換和 現(xiàn)有卡無電的現(xiàn)象；將本屬于供電系統(tǒng)的收費任務，轉(zhuǎn)嫁給用戶，若購電點位于住宅較遠處，將會給居民帶來麻煩等。 （ 3）遠傳耗能 (電 )表：一般是在保證計量的可靠性及準確性的前提下，在普通耗能(電 )表的基礎上，通過加裝各種感應探頭組件實現(xiàn)的。這種感應探頭能夠探知耗能表機械轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動 ，機械轉(zhuǎn)盤每旋轉(zhuǎn)一圈，該感應探頭便輸出一個脈沖信號。將該信號脈沖記錄并累計下來，便能準確地反映轉(zhuǎn)動圈數(shù)，從而達到將機械轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號的目的。將轉(zhuǎn)軸的圈數(shù)通過一定的計算，便能轉(zhuǎn)化為相應的耗 (電 )能數(shù)據(jù)。 鑒于以上各種 水電氣 表存在諸多不適于應用在遠程抄表系統(tǒng)的缺點， 以及 目前在工業(yè)用和民用的供水、供氣計量應用中，如電子類水表、熱量表、燃氣表等都應用大量的葉輪式流量計。由于這些流量計的工作原理相同，都是由液體和氣體的流動推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)動速度與流速成正比關系，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來計算流量。在本系統(tǒng)中，采 用直流電機模擬水電氣類的數(shù)字量表，采用 L298N 作為直流電機的驅(qū)動，驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，直流電機在轉(zhuǎn)動的時候會產(chǎn)生脈沖，通過單片機的外部中斷采樣直流電機產(chǎn)生的脈沖數(shù)，用來計量數(shù)字量表的數(shù)值。 在本系統(tǒng)中，我們可以通過打開水龍頭，或者氣體開關，單片機讀取到脈沖數(shù)以后將其轉(zhuǎn)化為相應的水的噸數(shù)，或者氣體的立方數(shù)，通過液晶顯示器作為人機交互界面進行顯示，可顯示當前使用的氣體或水的使用量。 本文總體分為五章內(nèi)容。 第一章引言，介紹課題研究的背景和意義。 第二章系統(tǒng)總體設計，從整體上分析系統(tǒng)集成的可靠性，并介紹課題研究的 方法及步驟，提出水、電、氣數(shù)據(jù)采集模塊的方案以及數(shù)據(jù)通信方案 及協(xié)議 設計。 第三章系統(tǒng)硬件設計，詳細 介紹水、電、氣數(shù)據(jù)采集模塊的設計原理以及相關芯片 。 第四章系統(tǒng)軟件設計，介紹三表計量系統(tǒng)的軟件設計以及仿真。 第五章總結與 展望 。 7 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本硬件系統(tǒng)應包括：用戶三表數(shù)據(jù)采集顯示模塊、樓座單元數(shù)據(jù)集中模塊、 RS485 串口電路、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構成的 “ 客戶端 ” 與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、 RS232串口電路、上位管理計算機構成的 “ 管理端 ” 兩部分。 “ 客戶端 ” 與 “ 管理端 ” 通過無線收發(fā)模塊構 成的無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 系統(tǒng)框圖如圖 21所示： 圖 21：系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)中，三表計量電路及單元集中電路均采用了 AT89S 系列單片機， AT89S 系列單 片機具有在線可編程功能（ ISP），本設計均留有 ISP 接口，這樣完全可以先焊接好硬件 電路，然后通過 ISP 端口將軟件可執(zhí)行代碼寫入電路芯片。 單片機 與用戶 “ 三表 ”之 間通信線采用帶屏蔽的雙絞電纜。由于 GPRS 模塊采用 Saro3130P GPRS DTU，使用時只需 將其作為一個采用 RS232 接口的通信器 件使用即可。 性能分析 功耗分析 在用戶計量儀表系統(tǒng)中，顯示電路的功耗設計是一個必須考慮的問題。本系統(tǒng)中，“三表”顯示電路采用了液晶顯示模塊 SMC1602A。正常情況下 SMC1602A 背光電源斷開， 其工作電流只有 2mA，大大降低了系統(tǒng)功耗； 電能測量芯片 ADE7751 正常工作時其 電流也只有 3mA；串行 EPROM 芯片 AT24C04 最大工作電流為 3mA；時鐘芯片DS1302 最大工作 電流為 ；單片機芯片 AT89S52 當晶振為 12M 時在激活模式下工作電流約為 20mA 左右。 綜合考慮各方面因素 ，整個系統(tǒng)的平均功耗約為 左右。 用水量數(shù)據(jù) 采集模塊 RS485 接口 GPRS模塊 GPRS模塊 RS232串口電路 PC 機 AT89S52 電能數(shù)據(jù) 采集模塊 煤氣量數(shù)據(jù) 采集模塊 8 系統(tǒng)可靠性分析 干擾是任何電氣儀表必須面對的問題，它混在信號中，會降低系統(tǒng)的可靠性，甚至會使系統(tǒng)無法正常工作。提高系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力應從軟件和硬件兩方面采取措施。實驗證明，系統(tǒng)失效和硬件損壞是由各種干擾引起的，可見干擾對系統(tǒng)的影響很大。在系統(tǒng)中電源的抗干擾設計是最關鍵的，尤其對來自變壓器一次側的高頻干擾、浪涌電壓干擾。 在數(shù)據(jù)安全方面，系統(tǒng)中都采用了串行 EEPROM，來對重要的數(shù)據(jù)（用戶編號和用 電量等）具有掉電保護功能。 在信號傳輸線路上，由于 RS485 的通信距離較遠，傳輸速率較低，所以在總線終端 進行了匹配，并采用帶屏蔽的雙絞電纜作為傳輸線。這樣就在一定程度上有效的防止了信號在傳輸過程中被干擾，使信號能夠精確的傳輸。 在系統(tǒng)通信過程中，由于信道上各種因素的影響，傳輸信號會受到一定程度的干擾，又由于采用串行異步通信方式，僅靠奇偶校驗是不夠的。所以本系統(tǒng)采用了 DL/T645電 表通信協(xié)議中規(guī)定的（ CS）校驗。它是從幀起始符開始到校驗碼之前的所有字節(jié)的模256 的和，即各字節(jié)二進制算術和，不計超過 256 的溢出值。 為了避免電路因某種原因造成單片機“死機”（進 入死循環(huán)或“跑飛”），電路使用了 AT89S52 看門狗功能，在單片機出現(xiàn) “死機 ”時能夠及時復位，從而保證了 機器的正常運行。 AT89S52 單片機 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng) 可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛運用。 其 主要特性 有 ： 與 MCS51 單片機 產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 ； 1000 次擦寫周期； 全雙工 UART 串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 掉電后中斷可喚醒； 看門狗定時器 。 9 數(shù)據(jù)采集顯示模塊 數(shù)據(jù)采集顯示模塊包括：用戶用電量采集與顯示電路、用戶用水量采集與顯示