基于Lonworks技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)

前 言

目前我國(guó)普通采用水表、氣表、電表人工入戶抄表收費(fèi)方式，這樣給用戶及秒表人員都帶來(lái)很多麻煩。隨著科技的發(fā)展，特別是智能小區(qū)、高層住宅小區(qū)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的抄表方式已經(jīng)不能滿足居民的要求。為了有效解決入戶抄表收費(fèi)存在的諸多弊端，提高工作效率，自動(dòng)抄表系統(tǒng)將是最好的解決方案。

LonWorks總線技術(shù)由于其優(yōu)良特性，已經(jīng)成為實(shí)際上的現(xiàn)場(chǎng)總線推薦標(biāo)準(zhǔn)。LonWorks的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很大的靈活性，通過(guò)多種收發(fā)器提供各種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線型、星型、環(huán)型、混合型等，不同的通道之間網(wǎng)絡(luò)信息以路的器作為通信橋梁。使用路不但可以實(shí)現(xiàn)不同通信介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)傳輸，還能改善網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間和安全性能。

歐宇公司開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表模塊基于LonWorks技術(shù)，采用電力線傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)住戶的煤氣表、水表、電表讀數(shù)的自動(dòng)抄錄，并具有聯(lián)網(wǎng)功能。在小區(qū)的管理微機(jī)上或通過(guò)市話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢抄錄數(shù)據(jù)。

一、LonWorks自動(dòng)抄表模塊（節(jié)點(diǎn)）及系統(tǒng)工作原理

LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)測(cè)控單元稱為L(zhǎng)onWorks智能節(jié)點(diǎn)。每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)使用了一塊LonWorks主控制模塊。LonWorks主控制模塊是智能節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成單元，它以Neuron芯片為核心，同時(shí)包括收發(fā)器、地址譯碼電路、復(fù)位電路、晶振電路及EPROM等。主控制模塊通過(guò)固件完成LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)事件調(diào)度完成用戶定義的各種計(jì)算、I/O事件處理及網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理等功能。LonWorks節(jié)點(diǎn)的示意圖如圖1所示。主控制模塊用于通信和控制：微控制器89C51實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)的處理及驅(qū)動(dòng)功能，在抄表模塊中主要是對(duì)脈沖輸入信號(hào)的計(jì)數(shù)，并完成與主控制模塊的數(shù)據(jù)傳輸。主控制模塊中的收發(fā)器負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)，不同的通信介質(zhì)要求采用相應(yīng)的收發(fā)器：在抄表模塊中，可以采和FTT-10A收發(fā)器，適用于雙絞線介質(zhì)；或采用PLT-22收發(fā)器，適用于電力線通信介質(zhì)。

自動(dòng)抄表系統(tǒng)以LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)。系統(tǒng)由下面幾部分組成：計(jì)算機(jī)、抄表管理軟件、數(shù)據(jù)集中器、抄表節(jié)點(diǎn)模塊、中繼器、Modem、水電氣脈沖表等。

抄表模塊實(shí)時(shí)采集各路脈沖表脈沖輸出信號(hào)，并將脈沖數(shù)累計(jì)存放在抄表模塊RAM內(nèi)，根據(jù)設(shè)定的分段時(shí)間及當(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)。抄表模塊存儲(chǔ)器具有掉電保護(hù)功能，防止掉電丟失脈沖累加值。數(shù)據(jù)集中器具有較大容量的存儲(chǔ)器，能存儲(chǔ)200個(gè)抄表模塊的數(shù)據(jù)。集中器反復(fù)輪詢采集各抄表模塊的數(shù)據(jù)并將其存在集中器的相應(yīng)內(nèi)存中。集中器自動(dòng)過(guò)濾非法數(shù)據(jù)，對(duì)通信異常進(jìn)行相應(yīng)處理，保證在集中器保存一份抄表網(wǎng)絡(luò)所有抄表模塊的數(shù)據(jù)。自動(dòng)抄表系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集模塊多且分散、數(shù)據(jù)傳送實(shí)時(shí)要求不高以及要求每個(gè)傳送接收的數(shù)據(jù)不能出錯(cuò)等特點(diǎn)。當(dāng)上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可從集中器保存的數(shù)據(jù)直接發(fā)回給計(jì)算機(jī)，不需要直接從抄表模塊讀取抄表數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)通信不需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通信速度較快，即使在遇到LonWorks網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信異常情況，也能將數(shù)據(jù)迅速發(fā)回主機(jī)。

LonWorks神經(jīng)元芯片程序分為兩個(gè)部分：一部分為應(yīng)用程序，另一部分為網(wǎng)絡(luò)映像。應(yīng)用程序決定模塊的功能；網(wǎng)絡(luò)映像決定模塊網(wǎng)絡(luò)與其他模塊連接關(guān)系。安裝方式可用兩種：一是預(yù)安裝方式，一是現(xiàn)場(chǎng)安裝方式。

預(yù)安裝方式：LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)功能很豐富，但具體到抄表系統(tǒng)而言，系統(tǒng)只用部分功能，而且功能相對(duì)固定不變，其模塊之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系可以預(yù)先確定。根據(jù)這種情況，把原來(lái)用LonMake來(lái)配置的參數(shù)改為通過(guò)主機(jī)命令方式來(lái)配置。所有抄表模塊的出廠前預(yù)裝好程序并完成必要的配置，標(biāo)識(shí)好模塊編號(hào)。這樣模塊到現(xiàn)場(chǎng)后不需要用LonWorks軟件進(jìn)行安裝。采用預(yù)安裝方式，用戶可不必了解LonWorks有關(guān)知識(shí)就能完成抄表系統(tǒng)的安裝。

現(xiàn)場(chǎng)安裝方式：采用這種安裝方式要求安裝人員到現(xiàn)場(chǎng)用LonWorks軟件對(duì)模塊逐個(gè)建立網(wǎng)絡(luò)映像，并將網(wǎng)絡(luò)像下載到每個(gè)抄表模塊。這種配置靈活，抄表模塊可以與多種LonWorks模塊共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并相互交換數(shù)據(jù)。采用現(xiàn)場(chǎng)安裝方式進(jìn)行配置系統(tǒng)能充分利用LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的各種功能，但對(duì)工程公司有較高要求，需要對(duì)LonWorks網(wǎng)絡(luò)有較深認(rèn)識(shí)。

抄表模塊的設(shè)計(jì)要解決以下問(wèn)題：

（1）抄表模塊能適應(yīng)各種脈沖表輸出，能正確采集脈沖信號(hào)并能檢測(cè)信號(hào)連線斷路或短路等異常情況。

（2）解決電力線通信距離的限制及可靠性。

1.自動(dòng)抄表模塊的硬塊設(shè)計(jì)

該模塊專門用于水表、電表和煤氣表的自動(dòng)抄錄。每個(gè)模塊可以直接抄讀24個(gè)脈沖輸出型表。在脈沖監(jiān)測(cè)部分，采用了終端電阻匹配方法及A/D技術(shù)，將脈沖采集轉(zhuǎn)化為對(duì)模擬量的采集，再分析其A/D采樣值，就可以識(shí)別脈沖表的狀態(tài)，并檢測(cè)到線路的通斷狀態(tài)。

LonWorks總線主控制模塊與89C51的通信采用同步串行I/O方式，使用Neurowire主控方式，即由主控制模塊驅(qū)動(dòng)同步時(shí)鐘輸入及片選信號(hào)輸出，89C51接收同步時(shí)鐘輸入。主控制模塊中Neuron芯片的IO8引腳輸出同步時(shí)鐘；IO9引腳是串行數(shù)據(jù)輸出；IO10引腳為串行數(shù)據(jù)輸入；選擇IO5引腳作為片選信號(hào)輸出。89C51采用中斷的方式傳輸數(shù)據(jù)，并在協(xié)議幀中加入校驗(yàn)碼，以保證通信數(shù)據(jù)的正確性，如圖2所示。

采用雙CPU技術(shù)設(shè)計(jì)的抄表模塊具備以下功能：

（1）同時(shí)采集24路脈沖表，可支持單觸點(diǎn)、雙觸點(diǎn)、電平輸入多種輸入方式；可同時(shí)支持三種不同的脈沖表。

（2）具有脈沖表連線斷線、短路檢測(cè)功能。

（3）能采集脈寬>10ms的脈沖信號(hào)。

（4）模塊具有內(nèi)部時(shí)鐘，可進(jìn)行分時(shí)段計(jì)費(fèi)。

（5）具有掉電保護(hù)電路，保證停電時(shí)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)不丟失。

（6）由計(jì)算機(jī)下載數(shù)據(jù)，進(jìn)行初始設(shè)置，并由計(jì)算機(jī)查閱各種數(shù)據(jù)。

（7）具有低電壓檢測(cè)電路，電壓低于一定值時(shí)，向計(jì)算機(jī)報(bào)警。

（8）具有清零開(kāi)關(guān)，模塊在使用前將所有計(jì)數(shù)器清等。

（9）模塊能向外部提供12V/100mA或5V/100mA電源。

（10）供電采用AC220V電源，方便用戶使用。

（11）可接蓄電池，使用12V/7AH蓄電池，能供模塊工作2天（不含向外部供電）。

2電力線通信

電力線通信是將數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，然后通過(guò)耦合器耦合到220V或其他直流電力線上，甚至是沒(méi)有電力的雙絞線。這樣做的好處是利用已有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，大大減少了通信中遇到的繁瑣的布線。LonWorks電力線收發(fā)器提供了一種簡(jiǎn)單、有地的將神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)加入到電力線中的方法。

電力線上通信的關(guān)鍵是：如何保證在電力線上長(zhǎng)距離通信可靠。在電力線上通信存在以下問(wèn)題：電力線間歇性噪聲較大（某些電路啟停、運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲）；信號(hào)衰減很快；線路阻抗經(jīng)而波動(dòng)。這些問(wèn)題使通過(guò)電力線的通信非常困難，而采用新型的PLT-22電力線收發(fā)器是目前比較好的解決方案。

PLT-22收發(fā)器是一種高性能的電力線收發(fā)器，但是在實(shí)際應(yīng)用中要解決通信距離和三相電力線耦合問(wèn)題。

在電力線上通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量只受LonWorks網(wǎng)絡(luò)限制，通信距離由信號(hào)的衰減和電力線上的噪聲決定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于自己拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。要延長(zhǎng)電力線通信距離可以采用兩種方法：

（1）增強(qiáng)電力線通信信號(hào)輸出強(qiáng)度；

（2）在電力線上增加中繼器。

采用方法（1）需要增加電力線信號(hào)放大器PLA21。目前，這種放大器價(jià)格比較貴，采用放大器的節(jié)點(diǎn)成本也相對(duì)較高，只適于比較重要或關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，如在數(shù)據(jù)集中器中使用； 不適用于在抄表模塊中使用。

電力線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是在一個(gè)電力線網(wǎng)絡(luò)上某相所有線路是連在一起的。從通信通道邏輯看一個(gè)電力線網(wǎng)只存在一個(gè)通信通道，不能從物理將其分開(kāi)成兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段，因此，不能用普通的中繼器來(lái)延長(zhǎng)其通信距離。普通的中繼器適用于將物理上不相連的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，如將兩個(gè)不同變壓器輸出的電力線連接成網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于網(wǎng)一相要延長(zhǎng)其通信距離，則要采取其他措施。在本抄表系統(tǒng)中，成功地采用了一種軟中繼的辦法。其原理是利用一個(gè)節(jié)點(diǎn)做中繼節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)接收到指定B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)在電力線上，其中A與B、B與C能正常通信，A與C不能正常通信。利用B做中繼，A若要與C進(jìn)行通信，A發(fā)報(bào)文給B，B再將報(bào)文發(fā)給C，這樣就實(shí)現(xiàn)A與C的通信。

基于以上描述，并要求系統(tǒng)安裝配置方便，將抄表模塊分成了三種不同類型。每類模塊除能正常采集24路脈沖電表外，還能做軟中繼使用。每類模塊具有不同的中繼功能，目的是防止信息包形成環(huán)路，造成信息不斷在網(wǎng)絡(luò)上傳送的情況。其連接關(guān)系如圖3所示。

（1）集中器能與所有模塊通信。

（2）中繼1能將從集中器收到的信息傳給中繼2和中斷3；將從中繼2或中繼3收到的信息傳給集中器。

（3）中繼2將從集中器或中繼1收到的信息傳給中繼3；將從中繼3收到的信息包傳給中繼1和集中器。

三相電力線通信：對(duì)于抄表系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所有抄表模塊與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行通信，抄表模塊之間不需要進(jìn)行通信。因此只要在集中器中裝1個(gè)三相電源耦合器，其余抄表模塊為單相電源耦合就能實(shí)現(xiàn)在三相線上傳輸抄表數(shù)據(jù)。

電力線抄表系統(tǒng)以變壓器為單位。每個(gè)變壓器低壓電網(wǎng)為一個(gè)獨(dú)立通信網(wǎng)絡(luò)，不同變壓器輸出低壓網(wǎng)絡(luò)之間不進(jìn)行通信。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)集中器、中繼模塊及抄表模塊構(gòu)成，如圖4所示。

數(shù)據(jù)集中器在使用前需要進(jìn)行模塊號(hào)注冊(cè)。集中器注冊(cè)是指上位機(jī)將集中器需要采集抄表模塊的所有編號(hào)下載到集中器。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可安裝多個(gè)集中器模塊，當(dāng)集中器注冊(cè)模塊不同時(shí)，則集中器采集不同抄表模塊數(shù)據(jù)。這種設(shè)置可以在系統(tǒng)中抄表模塊數(shù)量大于集中器最在采集模塊數(shù)量時(shí)使用。當(dāng)集中器注冊(cè)的模塊號(hào)相同時(shí)，則集器采集相同的抄表模塊數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)置可用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

二、自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

小區(qū)管理中心使用一臺(tái)PC機(jī)作為管理機(jī)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)遠(yuǎn)程抄表和計(jì)費(fèi)打印等功能。在計(jì)算機(jī)內(nèi)插上LonWorks網(wǎng)卡-PCLTA。將計(jì)算機(jī)連入小區(qū)抄表LonWorks網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)采用電力線。每個(gè)抄表模塊最多可帶24塊計(jì)費(fèi)表。管理計(jì)算機(jī)可隨時(shí)查詢?nèi)我蛔舻乃?、電表和媒氣表的讀數(shù)；對(duì)用戶每月消耗的水、電、媒氣用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、費(fèi)用計(jì)算、交費(fèi)管理；對(duì)欠費(fèi)用戶自動(dòng)打印欠費(fèi)通知單。通過(guò)LonWorks總線控制節(jié)點(diǎn)還可以對(duì)水、電、媒氣實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制，方便實(shí)施對(duì)水、電、媒氣供給的有效管理。

結(jié)合相應(yīng)的管理軟件，該系統(tǒng)具有如下功能；

（1）自動(dòng)抄表系統(tǒng)抄表模塊組成二級(jí)網(wǎng)絡(luò)，使用電力線或雙絞線作為傳輸介質(zhì)，采用自由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在管理微機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)每位住戶的水表、電表和煤氣表的抄讀。

（2）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可在管理中心對(duì)三表實(shí)施關(guān)斷或開(kāi)啟。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，管理中心代用戶關(guān)斷煤氣或供電，減少安全隱患；當(dāng)發(fā)生欠費(fèi)或違章事件時(shí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施關(guān)斷水、電、煤氣的供給，強(qiáng)化收經(jīng)遇管理及違章處理。

（3）具有煤氣泄漏報(bào)警、抄表通信中斷、傳感器斷線和短路、煤氣閥門工作不正常、電池欠壓等情況報(bào)警功能，并可記錄報(bào)警歷史數(shù)據(jù)。

（4）在管理微機(jī)上能夠查詢小區(qū)內(nèi)每一個(gè)計(jì)量表實(shí)時(shí)讀數(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，LonWorks技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)得到迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多的系統(tǒng)集成商積極參與開(kāi)發(fā)LonWorks智能節(jié)點(diǎn)的使用。目前，LonWorks技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于智能建筑、工業(yè)控制、電力自動(dòng)化、安全防范等領(lǐng)域。

我們開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的基于LonWorks技術(shù)自動(dòng)抄表系統(tǒng)已經(jīng)成功地在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好。自動(dòng)抄表系統(tǒng)的實(shí)施，提高了小區(qū)管理的智能化水平，提高了居民的舒適安全性及管理效率，給人們的生產(chǎn)和小區(qū)的管理都帶來(lái)了很大的便利。