基于Lonworks技術(shù)的遠程自動抄表系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：LonWorks總線 微控制器 遠程抄表
前 言
目前我國普通采用水表、氣表、電表人工入戶抄表收費方式，這樣給用戶及秒表人員都帶來很多麻煩。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存在的諸多弊端，提高工作效率，自動抄表系統(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)成為實際上的現(xiàn)場總線推薦標(biāo)準。LonWorks的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性，通過多種收發(fā)器提供各種典型的拓撲結(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)時間和安全性能。
歐宇公司開發(fā)的遠程自動抄表模塊基于LonWorks技術(shù)，采用電力線傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)住戶的煤氣表、水表、電表讀數(shù)的自動抄錄，并具有聯(lián)網(wǎng)功能。在小區(qū)的管理微機上或通過市話網(wǎng)實現(xiàn)遠程查詢抄錄數(shù)據(jù)。
一、LonWorks自動抄表模塊（節(jié)點）及系統(tǒng)工作原理
LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的每個測控單元稱為LonWorks智能節(jié)點。每個智能節(jié)點使用了一塊LonWorks主控制模塊。LonWorks主控制模塊是智能節(jié)點的基本構(gòu)成單元，它以Neuron芯片為核心，同時包括收發(fā)器、地址譯碼電路、復(fù)位電路、晶振電路及EPROM等。主控制模塊通過固件完成LonTalk協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，并通過事件調(diào)度完成用戶定義的各種計算、I/O事件處理及網(wǎng)絡(luò)報文處理等功能。LonWorks節(jié)點的示意圖如圖1所示。主控制模塊用于通信和控制：微控制器89C51實現(xiàn)對輸入/輸出數(shù)據(jù)的處理及驅(qū)動功能，在抄表模塊中主要是對脈沖輸入信號的計數(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)器負責(zé)將節(jié)點連入網(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)。
自動抄表系統(tǒng)以LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)。系統(tǒng)由下面幾部分組成：計算機、抄表管理軟件、數(shù)據(jù)集中器、抄表節(jié)點模塊、中繼器、Modem、水電氣脈沖表等。
抄表模塊實時采集各路脈沖表脈沖輸出信號，并將脈沖數(shù)累計存放在抄表模塊RAM內(nèi)，根據(jù)設(shè)定的分段時間及當(dāng)前時刻，將采集到的數(shù)據(jù)累計到不同的時間段上，實現(xiàn)分時段計數(shù)。抄表模塊存儲器具有掉電保護功能，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器，能存儲200個抄表模塊的數(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。集中器自動過濾非法數(shù)據(jù)，對通信異常進行相應(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)傳送實時要求不高以及要求每個傳送接收的數(shù)據(jù)不能出錯等特點。當(dāng)上位計算機進行數(shù)據(jù)采集時，可從集中器保存的數(shù)據(jù)直接發(fā)回給計算機，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。
LonWorks神經(jīng)元芯片程序分為兩個部分：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，把原來用LonMake來配置的參數(shù)改為通過主機命令方式來配置。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)識好模塊編號。這樣模塊到現(xiàn)場后不需要用LonWorks軟件進行安裝。采用預(yù)安裝方式，用戶可不必了解LonWorks有關(guān)知識就能完成抄表系統(tǒng)的安裝。
現(xiàn)場安裝方式：采用這種安裝方式要求安裝人員到現(xiàn)場用LonWorks軟件對模塊逐個建立網(wǎng)絡(luò)映像，并將網(wǎng)絡(luò)像下載到每個抄表模塊。這種配置靈活，抄表模塊可以與多種LonWorks模塊共享一個網(wǎng)絡(luò)并相互交換數(shù)據(jù)。采用現(xiàn)場安裝方式進行配置系統(tǒng)能充分利用LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的各種功能，但對工程公司有較高要求，需要對LonWorks網(wǎng)絡(luò)有較深認識。
抄表模塊的設(shè)計要解決以下問題：
（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并能檢測信號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.自動抄表模塊的硬塊設(shè)計
該模塊專門用于水表、電表和煤氣表的自動抄錄。每個模塊可以直接抄讀24個脈沖輸出型表。在脈沖監(jiān)測部分，采用了終端電阻匹配方法及A/D技術(shù)，將脈沖采集轉(zhuǎn)化為對模擬量的采集，再分析其A/D采樣值，就可以識別脈沖表的狀態(tài)，并檢測到線路的通斷狀態(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)動同步時鐘輸入及片選信號輸出，89C51接收同步時鐘輸入。主控制模塊中Neuron芯片的IO8引腳輸出同步時鐘；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)計的抄表模塊具備以下功能：
（1）同時采集24路脈沖表，可支持單觸點、雙觸點、電平輸入多種輸入方式；可同時支持三種不同的脈沖表。
（2）具有脈沖表連線斷線、短路檢測功能。
（3）能采集脈寬>10ms的脈沖信號。
（4）模塊具有內(nèi)部時鐘，可進行分時段計費。
（5）具有掉電保護電路，保證停電時計數(shù)數(shù)據(jù)不丟失。
（6）由計算機下載數(shù)據(jù)，進行初始設(shè)置，并由計算機查閱各種數(shù)據(jù)。
（7）具有低電壓檢測電路，電壓低于一定值時，向計算機報警。
（8）具有清零開關(guān)，模塊在使用前將所有計數(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)制成載波信號或擴頻信號，然后通過耦合器耦合到220V或其他直流電力線上，甚至是沒有電力的雙絞線。這樣做的好處是利用已有的電力線進行數(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)器提供了一種簡單、有地的將神經(jīng)元節(jié)點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距離通信可靠。在電力線上通信存在以下問題：電力線間歇性噪聲較大（某些電路啟停、運行都會產(chǎn)生較大的噪聲）；信號衰減很快；線路阻抗經(jīng)而波動。這些問題使通過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，但是在實際應(yīng)用中要解決通信距離和三相電力線耦合問題。
在電力線上通信的節(jié)點數(shù)量只受LonWorks網(wǎng)絡(luò)限制，通信距離由信號的衰減和電力線上的噪聲決定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于自己拓撲結(jié)構(gòu)。要延長電力線通信距離可以采用兩種方法：
（1）增強電力線通信信號輸出強度；
（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放大器PLA21。目前，這種放大器價格比較貴，采用放大器的節(jié)點成本也相對較高，只適于比較重要或關(guān)鍵的節(jié)點，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)屬于自由拓撲結(jié)構(gòu)，但是在一個電力線網(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電力線網(wǎng)只存在一個通信通道，不能從物理將其分開成兩個獨立的網(wǎng)段，因此，不能用普通的中繼器來延長其通信距離。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，如將兩個不同變壓器輸出的電力線連接成網(wǎng)絡(luò)。對于網(wǎng)一相要延長其通信距離，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。其原理是利用一個節(jié)點做中繼節(jié)點。該節(jié)點接收到指定B、C三個節(jié)點在電力線上，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進行通信，A發(fā)報文給B，B再將報文發(fā)給C，這樣就實現(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：對于抄表系統(tǒng)來說，所有抄表模塊與數(shù)據(jù)集中器進行通信，抄表模塊之間不需要進行通信。因此只要在集中器中裝1個三相電源耦合器，其余抄表模塊為單相電源耦合就能實現(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。每個變壓器低壓電網(wǎng)為一個獨立通信網(wǎng)絡(luò)，不同變壓器輸出低壓網(wǎng)絡(luò)之間不進行通信。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行模塊號注冊。集中器注冊是指上位機將集中器需要采集抄表模塊的所有編號下載到集中器。一個網(wǎng)絡(luò)可安裝多個集中器模塊，當(dāng)集中器注冊模塊不同時，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)量時使用。當(dāng)集中器注冊的模塊號相同時，則集器采集相同的抄表模塊數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)置可用于對數(shù)據(jù)進行備份。
二、自動抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
小區(qū)管理中心使用一臺PC機作為管理機，實現(xiàn)小區(qū)遠程抄表和計費打印等功能。在計算機內(nèi)插上LonWorks網(wǎng)卡-PCLTA。將計算機連入小區(qū)抄表LonWorks網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)采用電力線。每個抄表模塊最多可帶24塊計費表。管理計算機可隨時查詢?nèi)我蛔舻乃?、電表和媒氣表的讀數(shù)；對用戶每月消耗的水、電、媒氣用量進行統(tǒng)計、費用計算、交費管理；對欠費用戶自動打印欠費通知單。通過LonWorks總線控制節(jié)點還可以對水、電、媒氣實現(xiàn)遠程開/關(guān)控制，方便實施對水、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）自動抄表系統(tǒng)抄表模塊組成二級網(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)拓撲結(jié)構(gòu)，在管理微機上可以實現(xiàn)小區(qū)每位住戶的水表、電表和煤氣表的抄讀。
（2）實現(xiàn)遠程控制，可在管理中心對三表實施關(guān)斷或開啟。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時，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)生欠費或違章事件時，可通過網(wǎng)絡(luò)實施關(guān)斷水、電、煤氣的供給，強化收經(jīng)遇管理及違章處理。
（3）具有煤氣泄漏報警、抄表通信中斷、傳感器斷線和短路、煤氣閥門工作不正常、電池欠壓等情況報警功能，并可記錄報警歷史數(shù)據(jù)。
（4）在管理微機上能夠查詢小區(qū)內(nèi)每一個計量表實時讀數(shù)。
結(jié)束語
近年來，LonWorks技術(shù)的應(yīng)用在我國得到迅速發(fā)展，國內(nèi)外眾多的系統(tǒng)集成商積極參與開發(fā)LonWorks智能節(jié)點的使用。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、電力自動化、安全防范等領(lǐng)域。
我們開發(fā)生產(chǎn)的基于LonWorks技術(shù)自動抄表系統(tǒng)已經(jīng)成功地在實際工程中得到了應(yīng)用，運行狀況良好。自動抄表系統(tǒng)的實施，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)的管理都帶來了很大的便利。
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