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      電磁流量計自動抄送系統的設計與實現

      來源:作者:發表時間:2017-06-14 09:26:13

      【摘 要】本文設計了遠程電磁流量計自動抄送系統中的采集器、集中器等,采集器采用功能更強大且功耗較小的 MSP430F149 單片機、集中器采用微控制器 STM32F103,均具有低功耗管理的特點。系統能實現遠程在線自動抄送、實時在線監測用水等功能,自動加程度較高,操作簡單,功耗較低。
       
      1 緒 論
               自動抄送系統根據供水行業的特性, 然后結合當今電子設計技術、數字傳輸技術等,對城市居民用水信息進行智能化采集、綜合性處理;系統主要由遠傳電磁流量計、采集器、集中器、數據服務器、主站系統構成  。
       
      2 電磁流量計自動抄送系統的整體設計
      電磁流量計自動抄送系統的總體方案:
      ( 1 )數字遠傳電磁流量計或者傳統機械式基表改制成帶電子轉換裝置和傳輸設備的遠傳電磁流量計, 考慮到現在老舊居民區仍大量持有機械電磁流量計,專門進行了電磁流量計改制的探討。
      ( 2 )采集器:直接與各種遠傳電磁流量計相連接,主要是采集電磁流量計中產生的脈沖信號或者光電信號, 采集器可以通過與計算機聯網,通過計算機相關管理軟件抄取電磁流量計讀數,每個采集器可接 8~64 個表。 采集器又分為兩種:總線通信型;不顯示計量值,必須與集中器、手抄器、管理計算機等系統聯網抄送。 液晶顯示型:在總線型采集器上加裝了液晶顯示器,循環顯示各表的計量值, 便于用戶查看, 由于實現了計量表的數據出戶顯示,采集器本身即可自成系統,成本較低;也可配一臺手抄器完成自動抄送。
       
      ( 3 )集中器:用集中器采集的脈沖電磁流量計的數據,可以保存在集中器中。 集中器再定時把這些電表的數據傳給主站軟件(或者主站定時去抄集中器保存的數據)。
       
      ( 4 )傳輸網絡: ① 從有線方面來看,以 RS-485 總線作為基礎,組建成多個有線自組網,將其作為內網,而將 PSTN 用于公用網等有線網絡數據傳輸。 在區域范圍內,將有線網作為核心,除此之外的公用網絡,可以進行信息傳輸,實現分離化處理和運行。 由于該項技術相對成熟,且區域范圍內需要的線路數量較為龐大,在很大程度上增加了安裝、維護成本。 ② 而對于無線來說,可以短距離、低功耗無線通信技術作為主體,形成立體化數據傳輸體系。 在該區域內進行安裝和布局時,可以參考 WSN 某些技術進行組網,而對于區域以外,可以沿用有線組網方式,將公用網作為信息傳輸渠道。 在區域內,不需要進行布線處理,安裝維護更加便利。 但值得我們注意的是,數據傳輸時極易遭受電磁干擾,且網絡標準不統一,難以實現對信號傳輸進行高效控制,故要想廣泛推廣和應用,還要加大對技術研究力度,促進各個方面能夠更加完善。
       
      ① 網絡數據管理技術
               通信協議是數據傳輸的重要基礎, 當前, 主要執行的是( CJ/T188-2004 )標準。 該標準明確要求,用戶儀表要集中納入到集中抄送系統當中,存在于物理與數據鏈路層協議當中,確保主站與從站能夠相互連接。
      ② 電源供電技術
               對于表內供電方式來看,可以選擇高能鋰電池,采用兩節鋰電池,劃分為強和弱兩個回路進行供電,同時,也可以利用超級電容設備,進行電能補給。
       
               而針對外部供電來說,可以將總線作為媒介,借助外部集中器對電磁流量計進行電能供應。 集中器等設備可以通過大容量電池,將交流電源轉變為直流電,獲得電能。 但受到當前技術水平的影響,在實踐中還存在很多不足,具體表現在如下幾點:
       
      a. 帶電裝置電磁流量計自身性能,是影響系統計量特性及可靠性的主要原因,如果在該方面能夠有所突破,能夠在很大程度上突破傳統機械電磁流量計存在的弊端,且能夠提高傳感效果,是一項重要突破。
      b. 短距離無線通信,也是一項技術難點,它能夠解決以往網絡布線存在的弊端,且能夠增強信號傳輸穩定性,延長電池使用壽命,提高信息采集有效性。
      c. 帶電子裝置電磁流量計運行中,供電非常棘手,一旦供電不穩定、不持續,勢必會影響到電磁流量計自動抄送系統性能的發揮。
      ( 5 )遠傳工作站:分區采集、存儲、處理該區域用水信息。
      ( 6 )數據處理中心:自來水公司直接從集中器采集用水信息,進行集中處理,智能分析,數據挖掘,故障異常判斷,用水量預測預報等。 基于數據庫進行操作。
      ( 7 )上位機軟件:完成角色分配、權限分配、各種管理、計費、統計分析等功能。
       
      3 系統硬件設計
      3.1 采集器的電路設計(略)
      3.2 集中器的設計
      集中器的負責電磁流量計和工作站的連接, 主要任務是完成總線隔離和數據傳輸,具體包括:
      ( 1 )數據采集功能:從改制后的電子電磁流量計采集電磁流量計讀數,時間日期, 電磁流量計狀態等實時數據, 每次收集的數據隨時間標記。 采集方法有實時采集,定期自動采集,自動補抄等三種方式。 實時采集意味著集中器可以實時采集指定的電磁流量計數據或采集器保存的儀表數據,并實時發送到遠程操作站或服務器。
      ( 2 )數據儲存能力:集中器要對采集的數據進行存儲。
      ( 3 )集中器能實現其他輔助功能:如進行網絡參數、通信參數、電磁流量計地址、路由地址等的個性化設置。 集中器設計主要有電源模塊、按鍵、 LCD 屏、工作狀態、通信狀態指示燈等。集中器由微控制器 STM32F103 電路, 電源, GPRS 通信,RS232 串口, NANDFlash 外部存儲器, 復位電路, Lo Ra 收發,JTAG 調試接口,輔助外設等硬件模塊構成。
       
      3.2.1 電源電路
               提供 STM32 、 LCD 、 NANDFlash 的 3.3V 電壓, GRPS 的 4V電壓,以及 MAX32 等其他器件的 5V 電壓。
       
      3.2.2 RS232 電路 (見圖 1 )
               在單 5V 供電時能產生 +10V 和 -10V 的電壓。
      TTL 串口轉 R S232 電路
       
      3.2.3 GPRS 遠程傳輸電路設計
               GPRS 具有橋梁作用, 主要連接集中器與遠程服務器,在設計過程中,可以利用 SIM900A ,將其作為 GPRS 模塊,供電電壓恒定在 3~4.5V 之間,當其處于睡眠狀態時,消耗電流為1mA ,內置 TCP/IP 協議,用戶只需要 MCU 通過串口發出指令后,能夠設置具體的模塊,完成對數據的傳輸。
       
      4 結 論
               本課題給出了電磁流量計遠程自動抄送系統的整體框架,給詳細設計了其中的下位機硬件及軟件,具有明確的工程背景。 從整體框架設計、硬件設計、軟件設計、調試過程與結果,可以看出:
      ( 1 )本項目的設計方案可行的。
      ( 2 )本系統設計達到目標是:
      ① 采用新型電子電磁流量計或者對原機械基本進行改制使其具備遠程采集功能;
      ② 對采集器進行了詳細設計,具備預設功能;
      ③ 支持抄送方式:遠程抄送,串口抄送,紅外線抄送等;
      ④ 上位機軟件采用 BS 架構,界面直觀、操作簡單;
      ⑤ 系統具有穩定性、可靠、功耗低等特點。
      ( 3 )本項目開發緊密結合生產實際,具有一定的應用、推廣價值。
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