樓曉春 何麗莉

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年汽車學(xué)院1，浙江 杭州 310018;杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院友嘉機(jī)電學(xué)院2，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和居民生活質(zhì)量的日益提高，水、電、煤氣等的用量急劇上升。目前，使用的電表和氣表普遍都是以人工入戶抄表的形式進(jìn)行的，這種形式存在人工讀數(shù)誤差、居民對入戶安全的要求以及抄表效率低等諸多弊端[1－2]。數(shù)據(jù)采集完全依賴人工完成的傳統(tǒng)方法已成為制約公用事業(yè)企業(yè)發(fā)展的重要障礙。

1991年，美國Echelon公司推出了LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)。它是一種局部操作網(wǎng)絡(luò)(LON網(wǎng))，主要通過Cypress、Toshiba和Motorola等公司生產(chǎn)的一系列神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、嵌入在神經(jīng)元芯片中的LonTalk通信協(xié)議、LonMark協(xié)會(huì)規(guī)約的互操作性技術(shù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)[3－5]。目前，LonWorks技術(shù)已成為我國建設(shè)部唯一推薦采用的智能建筑技術(shù)。

本文結(jié)合LonWorks總線技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能抄表系統(tǒng)，將小區(qū)內(nèi)分散的水表、電表、煤氣表的數(shù)據(jù)由抄表采集器上傳到管理計(jì)算機(jī)，由物業(yè)管理中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中處理，并可以經(jīng)通信服務(wù)器及公共電信線路遠(yuǎn)傳至公用事業(yè)中心進(jìn)行統(tǒng)一結(jié)算管理。

1 抄表采集器

采集器實(shí)時(shí)采集和計(jì)算各表具的輸出脈沖，并存放在RAM和外部存儲(chǔ)器中。同時(shí)，根據(jù)設(shè)定的分段時(shí)間和當(dāng)前時(shí)刻，將采集到的數(shù)據(jù)累計(jì)到不同的時(shí)間段上，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段計(jì)數(shù)。抄表模塊的存儲(chǔ)器具有掉電保護(hù)功能，能防止掉電丟失和脈沖累加值。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

抄表采集器的核心器件是神經(jīng)元芯片和智能收發(fā)器。神經(jīng)元芯片采用Neuron3150系列，最高工作頻率為20 MHz，片內(nèi)含RAM和EEPROM，但還需外擴(kuò)ROM或Flash，用來存儲(chǔ)系統(tǒng)映象和設(shè)備應(yīng)用程序。神經(jīng)元芯片通過11個(gè)I/O引腳與計(jì)量表具連接。神經(jīng)元芯片的服務(wù)引腳是一個(gè)輸入/輸出雙向引腳，當(dāng)作為輸入引腳時(shí)，可用于安裝網(wǎng)絡(luò)和配置抄表采集器;當(dāng)作為輸出引腳時(shí)，可通過其外接的LED來指示抄表采集器的狀態(tài)和故障。神經(jīng)元芯片有CP0～CP4共5個(gè)通信引腳，可以配置成單端、差分和專用模式的輸入方式。

采集器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集器硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of collector

收發(fā)器采用FFT-10A自由拓?fù)涫瞻l(fā)器，支持無極性、自由拓?fù)?包括總線型、星型、環(huán)型、樹型甚至幾種方式的組合)的互連方式。FTT-10A收發(fā)器包含1個(gè)隔離變壓器、1個(gè)曼徹斯特編碼通信收發(fā)器和信號處理器件，采用厚膜電路將它們集成在同一個(gè)芯片中，通信速率為78 kbit/s，最長通信距離為2 700 m。收發(fā)器連接方式如圖2所示。

圖2 收發(fā)器連接方式Fig.2 Connections of the transceiver

本設(shè)計(jì)中，將神經(jīng)元芯片的通信端口配置成單端模式，則CP0為數(shù)據(jù)輸入引腳、CP1為數(shù)據(jù)輸出引腳、CP4為網(wǎng)絡(luò)沖突檢測輸入引腳。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

采集器軟件流程如圖3所示。

圖3 采集器軟件流程圖Fig.3 Software flowchart of collector

抄表采集器的軟件流程主要包括器件初始化、引腳定義、歷史記錄數(shù)據(jù)恢復(fù)及發(fā)生事件時(shí)的處理程序。

LonWorks設(shè)備提供了NodeBuilder軟件工具，設(shè)備的應(yīng)用程序采用Neuron C編寫。Neuron C是一種基于ANSIC，并能對簡單網(wǎng)絡(luò)通信、硬件I/O和事件驅(qū)動(dòng)處理加以擴(kuò)展的高級編程語言[3，5]。

在用戶編寫應(yīng)用程序的過程中，需要對神經(jīng)元芯片的I/O引腳進(jìn)行初始化。本設(shè)計(jì)中神經(jīng)元芯片的11個(gè)I/O引腳分別與各計(jì)量表具連接，用以接收計(jì)量表具產(chǎn)生的脈沖。I/O引腳定義如表1所示。

表1 I/O引腳定義Tab.1 Pin definition

Neuron C語言是一種事件驅(qū)動(dòng)的高級編程語言。在應(yīng)用程序中，用戶需要定義當(dāng)某一事件發(fā)生時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)抄表采集器的I/O引腳上檢測到計(jì)量表具的輸出脈沖時(shí)，可以在脈沖的高電平、低電平、上升沿或下降沿進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。本文中，抄表采集器在脈沖的下降沿對計(jì)量表具產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行累計(jì)。

在抄表采集器的軟件中，設(shè)置了定時(shí)器1和定時(shí)器2這2個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器1的主要功能是將當(dāng)前累計(jì)的各計(jì)量表具的數(shù)據(jù)備份到片外的存儲(chǔ)器，防止系統(tǒng)掉電時(shí)的數(shù)據(jù)丟失;定時(shí)器2的主要功能是更新各計(jì)量表具的網(wǎng)絡(luò)變量值。

2 LonWorks智能抄表系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

LonWorks智能抄表系統(tǒng)主要由管理中心上位機(jī)、LonWorks-IP路由服務(wù)器i.Lon600、抄表采集器和計(jì)量表具等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System structure

管理中心上位機(jī)作為管理機(jī)，可實(shí)現(xiàn)小區(qū)遠(yuǎn)程抄表、計(jì)費(fèi)、打印等功能，可將其連接在Internet網(wǎng)絡(luò)上。i.Lon600是一個(gè)遵循EIA 852協(xié)議的LonTalk到IP的路由器，能將 Internet或任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作為本地或遠(yuǎn)程傳遞LonWorks控制信息的通道，為遠(yuǎn)程存取訪問LonWorks設(shè)備提供了一個(gè)可靠的、安全的Internet通道。LonWorks網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)選用雙絞線。每個(gè)抄表采集器最多可外接11個(gè)計(jì)量表具。

管理計(jì)算機(jī)管理中心的上位機(jī)可查詢小區(qū)內(nèi)任一住戶的水表、電表和氣表的當(dāng)前讀數(shù)和歷史記錄;對用戶每月消耗的水、電、煤氣的用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)費(fèi)、交費(fèi)管理和歷史數(shù)據(jù)查詢;對欠費(fèi)用戶進(jìn)行自動(dòng)打印欠費(fèi)通知單。同時(shí)，管理計(jì)算機(jī)還可以通過LonWorks控制設(shè)備，對水、電、煤氣實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)控制，便于有效管理水、電、煤氣的供給。

Echelon公司為創(chuàng)建和維護(hù)LonWorks設(shè)備網(wǎng)絡(luò)提供了一套功能豐富的集成工具——LonMaker集成工具。LonMaker集成工具以Echelon公司的LNS網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成了功能強(qiáng)大的客戶-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)和Microsoft Visio界面，用于設(shè)計(jì)和啟動(dòng)分布式Lon-Works控制網(wǎng)絡(luò)。LNS DDE Server軟件包允許任何DDE或者SuiteLink相兼容的Microsoft軟件。

Windows應(yīng)用程序監(jiān)視和控制LonWorks網(wǎng)絡(luò)而無需編程，如與人機(jī)界面應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)記錄和趨勢分析應(yīng)用程序以及圖像處理顯示的接口。同時(shí)，與DDE相兼容的 Windows應(yīng)用程序，通過建立 LNS和 Microsoft DDE協(xié)議的連接，可以和LonWorks控制設(shè)備進(jìn)行交互網(wǎng)絡(luò)變量、配置信息和應(yīng)用程序消息等。上位機(jī)軟件可采用組態(tài)王、VB或VC等軟件進(jìn)行編寫，包括人機(jī)界面、通信功能和數(shù)據(jù)處理等。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

管理中心上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)過程主要包括以下5個(gè)方面。

①利用LonMaker軟件組建LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)，并與Internet網(wǎng)絡(luò)集成。

②運(yùn)行LNS DDE Server軟件，組態(tài)軟件的通信驅(qū)動(dòng)程序配置中選擇DDE方式，監(jiān)控軟件作為一個(gè)DDE客戶程序，通過驅(qū)動(dòng)程序向LNS DDE Server請求數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與抄表系統(tǒng)采集器的數(shù)據(jù)交換，從而監(jiān)控整個(gè)LonWorks網(wǎng)絡(luò)。

③設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件操作界面，組態(tài)王提供了功能比較豐富的界面設(shè)計(jì)控件，便于開發(fā)人員設(shè)計(jì)友好的操作界面。

④數(shù)據(jù)變量設(shè)計(jì)，將組態(tài)軟件中的內(nèi)存變量和I/O變量等與LonWorks抄表采集器的輸入輸出網(wǎng)絡(luò)變量和I/O端口建立連接。

⑤編寫程序，主要包括定時(shí)子程序設(shè)計(jì)、抄表采集器數(shù)據(jù)預(yù)處理、界面動(dòng)畫的變量處理等。

上位機(jī)監(jiān)控軟件操作界面分為主界面和查詢界面。其中，主界面可實(shí)現(xiàn)對每個(gè)住戶的水表、電表和氣表實(shí)際數(shù)據(jù)的抄讀;查詢界面可實(shí)現(xiàn)對每個(gè)住戶的水表、電表、氣表在各個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)、費(fèi)用、欠費(fèi)和報(bào)警記錄的查詢。

2.3 系統(tǒng)主要功能

本文設(shè)計(jì)的智能抄表系統(tǒng)具有以下幾個(gè)主要功能：①抄表系統(tǒng)由管理上位機(jī)和抄表采集器、控制器、路由器組成數(shù)據(jù)采集/控制網(wǎng)絡(luò)，采用自由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以雙絞線作為控制網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì);②在管理上位機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)住戶的水表、電表和氣表實(shí)際數(shù)據(jù)的抄讀;③可以按照不同時(shí)段的收費(fèi)率，分別計(jì)算每個(gè)住戶每月水、電、氣的峰谷時(shí)段費(fèi)用;④查詢每個(gè)住戶當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史記錄;⑤對于欠費(fèi)的用戶，可以暫時(shí)關(guān)斷水、電、煤氣的供給，當(dāng)用戶交費(fèi)后，再恢復(fù)供給;⑥報(bào)警。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的人工抄表方式效率低下，可能出現(xiàn)讀數(shù)和記錄錯(cuò)誤，而且存在一定的安全隱患，不能滿足當(dāng)前智能社區(qū)系統(tǒng)發(fā)展的要求。本文結(jié)合LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了抄表采集器的硬件與軟件，并建立了基于LonWorks技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)內(nèi)分散的水表、電表、煤氣表等計(jì)量表具的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取、費(fèi)用計(jì)算和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，

具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

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