山東科技大學電氣與自動化工程學院 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)設計

山東科技大學電氣與自動化工程學院 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)。每一個樓層兩戶或三戶共用一個底層模塊，分別采集用戶數(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數(shù)據(jù)庫，上位機對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和計費等操作，當數(shù)據(jù)異常時發(fā)出報警信號，緊急情況下還可直接遠程控制關(guān)閉用戶開關(guān)，減少甚至避免危險情況的發(fā)生。

智能監(jiān)控；多用戶；CAN總線；以太網(wǎng)；嵌入式

1.引言

隨著計算機技術(shù)的廣泛應用和通信技術(shù)的快速發(fā)展，遠程抄表系統(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線通信。通過查閱文獻可見目前比較流行的通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)大都得到應用，比如RS232/485、CAN、ZigBee和GPRS等[1-3]。在經(jīng)濟發(fā)展和國家政策的推動下，廣大農(nóng)村地區(qū)逐漸實行農(nóng)村改造，帶來的結(jié)果之一是將與城市住宅小區(qū)一樣實現(xiàn)水電氣暖的集中供應。因此四表聯(lián)合遠程抄表系統(tǒng)的實用前景十分廣闊。但是目前的研究存在一個問題，即四表數(shù)據(jù)的采集過于單一，只是對于用量的采集，在強調(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)只是采集用戶用電量，而未涉及電壓、電流等更多參數(shù)。在此基礎上，設計一個現(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)化設計，以CAN總線和以太網(wǎng)通信方式，底層將采集更多元的信號類型，通過管理中心進行統(tǒng)計和計費等處理操作，如發(fā)現(xiàn)異常，還可以第一時間遠程操控用戶開關(guān)，避免因煤氣泄漏、電路短路等情況造成損失和危害。同時，在網(wǎng)絡化如此發(fā)達的情況下，用戶更可以用手機、平板等移動設備隨時隨地關(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)點數(shù)，每一個樓層兩戶或三戶共用一套底層模塊，在滿足要求的同時還能簡化設計。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

該現(xiàn)代化小區(qū)水電氣暖四表智能監(jiān)控系統(tǒng)采用三級式結(jié)構(gòu)：底層用戶數(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。每個樓層配置一臺底層用戶信息采集與控制器，分別采集該樓層每個用戶水電氣暖的信息，利用微處理器處理這些信息并通過CAN總線發(fā)送到該用戶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用戶數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查詢、計費、報警與控制等功能。

2.1 用戶數(shù)據(jù)采集

水氣暖用量的采集原理類似，都是對流量的采集。以水量為例，水量采集采用干簧管[4]，此為一種磁敏開關(guān)，在水流作用下，磁針旋轉(zhuǎn)：當磁針靠近干簧管時，簧片吸合；當磁針離開時，簧片分離。磁針每轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，水流快慢決定計數(shù)脈沖的頻率。利用微處理器對此脈沖計數(shù)，乘以磁針每轉(zhuǎn)動一圈所對應的水量，即可得到用戶用水量信息。為了避免干擾等因素，提高計量精確度，可采用雙干簧管模式，兩個雙簧管依次有脈沖輸出時，作為一次采樣有效計數(shù)，這樣可以避免在水閥關(guān)閉或開啟的時候由于抖動引起的誤計量。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置的外部氣體檢測等，這些信息可以利用MK60的ADC通道加以采集。

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

電壓和電流信號采集電路如圖2所示。根據(jù)ATT7022B數(shù)據(jù)手冊，用戶最大10A電流信號經(jīng)過10A/5mA電流互感器并接20Ω電阻得到0.1V電壓信號；額定220V電壓信號串聯(lián)110K電阻形成2mA電流經(jīng)過2mA/2mA電流互感器并聯(lián)240Ω電阻形成0.48V電壓信號。此時，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%。當用戶為單相電時，只需接入對應相的電壓和電流信號即可，或改用單相電能計量芯片ADE7763[6]。

圖2 A相電壓與電流信號采集電路圖

2.2 用戶開關(guān)遠程控制

當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時發(fā)出指令，關(guān)閉用戶相應的開關(guān)，對于水氣暖管道可以應用電磁閥門，而電路的通斷可以用繼電器控制，其工作原理一樣，驅(qū)動電路如圖3所示。MK60引腳輸出高電平時，光耦導通，繼電器通電工作；輸出低電平時，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 多用戶功能的實現(xiàn)

底層用戶信息采集與控制部分實現(xiàn)一個微處理器控制一個樓層的兩個或三個用戶，其中用戶所有的繼電器驅(qū)動接口通過光耦隔離連接到K60的普通I/O引腳即可。對于信號采集部分中的水氣暖用量的采集，由于其輸出脈沖信號，可通過K60的I/O引腳對其計數(shù)，而對于溫度、氣體檢測等，可通過K60的ADC通道加以采集。對于電量的采集，由于涉及到ATT7022B的分時復用，因此要詳細說明。

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

圖4 多用戶信號采集結(jié)構(gòu)圖

由于ATT7022B計量寄存器數(shù)據(jù)更新時間為1/3秒左右，故分時復用時間要大于1/3秒，可設為1秒。用K60控制多路開關(guān)接通用戶1#電流信號，經(jīng)過1s時間（具體精準時間用K60內(nèi)部定時器計時得到，記為T1）后讀取計量寄存器數(shù)據(jù)，其中電量記為，并切換到用戶2#,。同理可得到用戶2#和用戶3#的分時復用時間T2和T3，以及相應電量以用戶1#為例，一個分時復用期間的總電量為

則用戶總電量為：

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總線匯集一個樓宇單元的所有用戶數(shù)據(jù)，并通過頂層以太網(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單片機具有兩個CAN模塊控制器，通過外擴一個CAN收發(fā)器TJA1050和跨接120Ω匹配電阻的雙絞線即實現(xiàn)其通信。MK60單片機具有雙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），因此需要一個物理層（PHY）芯片才能實現(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]。這類協(xié)議的編程復雜度和難度相對較大，但是完全可以利用現(xiàn)有開源協(xié)議棧LwIP。因此首先要實現(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 上位機軟件與數(shù)據(jù)庫設計

頂層小區(qū)管理中心將上位機PC、應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器三者合一，主要實現(xiàn)的功能是：管理用戶信息，設置各種參數(shù)，記錄和統(tǒng)計用戶四表數(shù)據(jù)、費用等信息，遠程控制用戶開關(guān)設備以及為用戶提供信息查詢服務。為此設計電腦管理軟件和便攜式設備（手機和平板等）查詢軟件。電腦管理軟件利用Delphi7.0和SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)，分為管理員登錄模式和用戶登錄模式，兩者具有不同的權(quán)限，前者作為小區(qū)中心管理整個小區(qū)用戶的信息和數(shù)據(jù)，并且能夠設置參數(shù)和發(fā)送指令，而后者僅具備在登錄賬號后信息查詢的功能。

上位機對用戶開關(guān)的遠程控制分為手動和自動模式。手動即在發(fā)出報警信號后通過人為點擊監(jiān)控系統(tǒng)相應按鈕發(fā)出命令關(guān)閉用戶開關(guān)；而自動模式是指當系統(tǒng)連續(xù)兩次發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，直接發(fā)出關(guān)斷信號，無需人為干預。

3.實驗結(jié)果與分析

通過設置一個異常情況，驗證該系統(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，功率因數(shù)設為0.8L，則有功功率為880W，無功功率為220Var。設置報警閾值為額定值的80%，即當實測值超過額定值的±80%時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并切斷該用戶電路。實際測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機用戶數(shù)據(jù)查詢界面

從圖6中可以，在20:20:18時刻之前，監(jiān)測到的參數(shù)正常，且誤差均在0.1%以內(nèi)；而到20:20:21時刻，測得電壓值為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，并通過音響發(fā)出報警聲，點擊紅色警燈（已設置為手動遠控模式），彈出“是否遠程關(guān)斷用戶開關(guān)？”對話框，點擊“確定”按鈕，可觀察到大約1秒后繼電器動作切斷電路，下一次數(shù)據(jù)更新時電壓/電流有效值、有功/無功功率和頻率值均為零，而功率因數(shù)為1，原因是當ATT7022B電壓通道和電流通道沒有信號輸入時，功率因數(shù)寄存器值為0x7FFFFF，即功率因數(shù)為1。說明系統(tǒng)檢測到異常后能夠正確發(fā)出指令，且對應用戶繼電器能夠正確動作，滿足要求。

4.結(jié)論

通過實驗驗證該系統(tǒng)能夠滿足有關(guān)四表數(shù)據(jù)的標準和規(guī)定，主要包括測量要求和計量精度等。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，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計，能夠?qū)崟r監(jiān)控數(shù)據(jù)并能快速準確地做出響應。此外，用戶和水電氣暖公司能夠通過互聯(lián)網(wǎng)查詢這些信息，使信息得到充分共享，用戶對自己使用情況做到了如指掌，供應公司也能根據(jù)這些信息進行調(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)自動化。