基于Proteus的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

隨著生活水平的提高，人們對(duì)資源的消費(fèi)日益增長(zhǎng)，資源消費(fèi)的計(jì)量、管理和收費(fèi)工作日益繁雜，提高管理層次和自動(dòng)化水平的產(chǎn)品因此應(yīng)運(yùn)而生。但以往耗能表的抄收為人工方式，不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，還會(huì)造成大量人力、物力及時(shí)間的浪費(fèi)，同時(shí)帶來錯(cuò)抄、漏抄、估抄的現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)超標(biāo)方式已經(jīng)越來越不能適應(yīng)今后住宅的發(fā)展需求和人們的生活需求，取而代之的將是是戶外的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，即利用傳感、控制、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將每個(gè)用戶的耗能表數(shù)據(jù)自動(dòng)采集到采集器中，再由采集器將數(shù)據(jù)傳送到戶外的集控器中，然后通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到上位監(jiān)控主機(jī)中，進(jìn)行分析、計(jì)量和儲(chǔ)存。最后，能源供給公司再根據(jù)上位機(jī)計(jì)算出來的住戶消費(fèi)費(fèi)用進(jìn)行電子收費(fèi)。這種方法既節(jié)省人力、物力、時(shí)間，又能保證準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

系統(tǒng)組成及其工作原理
該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要是由PC上位機(jī)、集控器和采集器三部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框架圖

從上圖中可以看出，抄表系統(tǒng)分三個(gè)層次，最上層為小區(qū)中央處理機(jī)，用來全面監(jiān)控；中間層由小區(qū)內(nèi)部局域網(wǎng)(以太網(wǎng))構(gòu)成，是數(shù)據(jù)傳送的大通道；最底層為四表數(shù)據(jù)采集層，由RS485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，完成四表的數(shù)據(jù)采集、集中并向上位機(jī)傳送的功能。上層是利用VB語言設(shè)計(jì)的一個(gè)界面友善、操作方便的軟件系統(tǒng)，用戶只需要簡(jiǎn)單的按鍵操作就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)口進(jìn)行遠(yuǎn)程收發(fā)。發(fā)送的命令，經(jīng)內(nèi)部局域網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)端的網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口設(shè)備。中層的集控器主要負(fù)責(zé)對(duì)命令識(shí)別并實(shí)現(xiàn)該命令的相關(guān)操作，如全抄表、單用戶抄表和定時(shí)抄表命令。下達(dá)的命令經(jīng)RS485總線網(wǎng)絡(luò)傳送給各個(gè)用戶家中的采集器中，然后對(duì)脈沖表（如煤氣表、水表、電表等）進(jìn)行讀取并存儲(chǔ)，最后再經(jīng)RS485總線上傳。

系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能使四表數(shù)據(jù)通過小區(qū)內(nèi)局域網(wǎng)傳輸。其采用了臺(tái)灣摩挲公司的串口上網(wǎng)接口設(shè)備Nport Express DE-311，它是一種單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，有兩個(gè)端口，一個(gè)是RS232或RS485電平的輸入接口，另一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)接口，內(nèi)部自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP封裝，對(duì)用戶來說是完全透明的，如圖2所示。該設(shè)備在市面上已經(jīng)非常普及。

圖2  Nport應(yīng)用圖

集控器的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括CPU、外圍存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)上傳/下載模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中，CPU選用的是AT89C51；外圍存儲(chǔ)模塊選用了串行E2PROM的24C02芯片，它是基于I2C-BUS 的存儲(chǔ)器件，遵循二線制協(xié)議，具有接口方便、體積小、數(shù)據(jù)掉電不揮發(fā)等特點(diǎn)，在儀器儀表及工業(yè)自動(dòng)化控制中得到大量的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了脈沖抄表的原理，四表都是脈沖式的數(shù)字表，主要由霍爾傳感器組成。數(shù)字表內(nèi)的感應(yīng)器每旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)出一個(gè)脈沖，使耗費(fèi)量和脈沖數(shù)成正比，可根據(jù)脈沖數(shù)來確定用量的具體值。采集模塊主要由ULN2003、74LS378、7411、CD40174等四個(gè)芯片組成，最多可采集6路數(shù)據(jù)，由于本設(shè)計(jì)中只采集四表數(shù)據(jù)，所以有兩路懸空未用。

圖3 集控器的硬件電路

CD40174芯片的Q0～Q3分別接至AT89C51的P1.0～P1.3。同時(shí)，7411芯片產(chǎn)生的負(fù)脈沖信號(hào)送至單片機(jī)的INT0，以便有智能終端脈沖產(chǎn)生時(shí)，使CPU能產(chǎn)生中斷，進(jìn)行采集。對(duì)P1.0～P1.3進(jìn)行循環(huán)查詢，則可知采集的脈沖數(shù)來自哪個(gè)數(shù)字表，采集程序流程如圖4所示。

圖4 采集程序流程圖

系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一是采集器和集控器的C語言編程，二是上位機(jī)的控制程序編程。這里主要介紹上位機(jī)程序編程。上位機(jī)操作平臺(tái)采用VB編程，與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系通過一個(gè)通用控件Winsock來完成。Winsock控件對(duì)用戶來說是不可見的，它提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑，通過設(shè)置控件的屬性并調(diào)用就可輕易連接到一臺(tái)遠(yuǎn)程機(jī)器上去，并且還可雙向交換數(shù)據(jù)。它提供了兩種傳輸模式，即TCP和UDP。由于TCP模式是一種面向連接的傳送方式，在傳送數(shù)據(jù)前，通信雙方必須都收到對(duì)方的回應(yīng)信號(hào)才能啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，因而占用了大量的時(shí)間用來完成握手信號(hào)的傳送，而UDP模式是一種快速存取數(shù)據(jù)的通信方式，發(fā)送與接收都不需要重新建立聯(lián)機(jī)，節(jié)省聯(lián)機(jī)的時(shí)間，本設(shè)計(jì)中采用UDP模式。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了用Vista透明窗體風(fēng)格，主要包括軟件登陸模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、抄表設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、計(jì)費(fèi)設(shè)置模塊等部分，其中大部分模塊設(shè)計(jì)中都涉及到了數(shù)據(jù)庫(kù)操作。

結(jié)語
該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)有線抄表方式的弊端，傳輸數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確性高、通信費(fèi)用低。其基于Proteus技術(shù)，組網(wǎng)靈活、易于擴(kuò)展,使設(shè)計(jì)與施工的難度和成本得以降低，具有良好的開放性、可靠性和可擴(kuò)充性，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義與廣闊的發(fā)展前景。