智能水表的數(shù)據(jù)采集畢業(yè)設(shè)計

1、 本科畢業(yè)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計題目智能水表的數(shù)據(jù)采集學生姓名 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化指導教師 2013 年5月15 日教學單位 電子電氣工程系 學生學號 200995014009 編 號 目目 錄錄一、設(shè)計正文 （1）二、附錄1. 設(shè)計開題報告（25）2. 設(shè)計結(jié)題報告 （26）3. 成績評定及答辯報告表（27）基于基于 M M S S P430P430 單片機智能網(wǎng)絡水表的單片機智能網(wǎng)絡水表的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計張文彬(寶雞文理學院 電子電氣工程系) 摘摘 要要 單片機自 20 世紀 70 年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應用很廣、發(fā)展很快。而

2、 msp430 單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種。隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，有關(guān)城市的水、電、氣、暖表的管理和數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)的問題也日益突出，根據(jù)自來水網(wǎng)的改造、智能小區(qū)的建設(shè)以及實施“一戶一表”工程的需要，本文設(shè)計了一種基于msp430 單片機的智能網(wǎng)絡水表，智能水表通過集中器和上位機管理系統(tǒng)連接，將水表的數(shù)據(jù)傳輸給遠方的上位機，同時上位機管理系統(tǒng)通過集中器對智能網(wǎng)絡水表進行監(jiān)測和管理。利用低成本 、 高性能的 M SP430 單片機作為基表進行硬件設(shè)計 ,使用了廣泛應用的基于 R S - 485 電氣接口的異步串行通訊技術(shù)作為通訊方式 ,利用 SQL Server 技術(shù)和 Vi

3、sual C + +編程語言設(shè)計了遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機管理軟件. 文中給出了系統(tǒng)模型 ,并對其關(guān)鍵部分的數(shù)據(jù)采集器 、 集中器和上位機管理系統(tǒng)做了系統(tǒng)的分析. 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ; 集中器 ; M SP430 單片機 ; R S - 485 總線 ; 智能網(wǎng)絡水表Design of water meter remote-reading system based on MSP430 microcon troller intelligent network water meterZhang wenbin(School of Information, Baoji Universit

4、y.)Abstract: Because of its extremely high performance-price ratio, the single-chip computer (SCC) has been paid great attention to ever since it came out in 1970s of 20th Century, and has gained an extensive applicable field and fast development. Among all kinds of SCCs, MSP430 SCC is the most typi

5、cal and representative one. More and more problems are arising on the management and record-reading of water meter, electricity meter, and natural gas mater systems as the community development is growing fast. Aiming to solve these problems, the thesis designed a remote central meter reading system

6、 and intelligent water system, development of intelligent resident community and the high demand of one meter per family project. This intelligent water mater will collect the data and transfer it to the remote upper-level managing system via concentrator and upper-level management system, while the

7、 upper-level management system is responsible for monitoring and managing intelligent water meter network.This system used of the MSP30 microcontroller which is low cost and high performance as the principal part to design hardware ,used a synchronous serial communication technology based on RS-485

8、electric in terrace as communication means SQL Server technology and V C+ program language are used to design the remote-reading management software system. This paper systematically introduces the model of the system and the critical part of the system such as data collector, concentrator and upper

9、-level manage system.Key words: automatic meter reading system; concentrator; MSP430 microcontroller; RS-485 bus; interlli-gent network water meter.目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論 .11.1 研究背景 .11.2 選題意義 和經(jīng)濟效益 .21.2.1 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡水表的推廣應用前景 .21.2.2 社會效益 .31.2.3 設(shè)計的技術(shù)指標.41.2.4 采用的控制芯片 ..5 采用的數(shù)據(jù)采集方式 .41.2.6

10、 無線傳輸采集的方式 .7第二章第二章整體設(shè)計整體設(shè)計 .82.1 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體概述.82.2 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu).92.2.1 智能網(wǎng)絡水表智能網(wǎng)絡水表 .92.2.2 脈沖采集電路 .102.2.3 液晶顯示電路及顯示器 .112.2.4 閥門控制電路 .122.2.5 通信接口.122.3 集中器設(shè)計.132.3.1 集中器.152.4 上位機管理系統(tǒng).19第三章第三章小結(jié)小結(jié) .22參考文獻參考文獻 .23致謝致謝 .240 第一章第一章 緒論緒論隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，有關(guān)城市的水、電、氣、暖表的管理和數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)的問題也日益突出，根據(jù)自來水網(wǎng)的改造、智能

11、小區(qū)的建設(shè)以及實施“一戶一表”工程的需要，本文設(shè)計了一種基于 MSP430 單片機 的智能網(wǎng)絡水表，智能水表通過集中器和上位機管理系統(tǒng)連接，將水表的數(shù)據(jù)傳輸給遠方的上位機，同時上位機管理 系統(tǒng)通過集中器對智能網(wǎng)絡水表進行監(jiān)測和管理。 為適應這個發(fā)展方向 , 在研制出有線遠傳水表及其數(shù)據(jù)采集器的基礎(chǔ)上 ,開發(fā)了專用的數(shù)據(jù)集中器 ,以實現(xiàn)遠傳水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 同時本文對水表的遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了全面的介紹，該系統(tǒng)有三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：上位機管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡水表。智能網(wǎng)絡水表通過RS-485 總線和集中器連接，集中器通過調(diào)制解調(diào)器 MODEM 和電話網(wǎng)連接，將數(shù)據(jù)通過電話網(wǎng)傳輸給上位機管

12、理系統(tǒng)，降低成本的同時提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r上位機管理系統(tǒng)還可以和銀行聯(lián)網(wǎng),組成四級網(wǎng)絡，為集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的擴展奠定了基礎(chǔ)。這樣的設(shè)計代替了人工入戶數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集方式,大大方便了居民生活。 本文所設(shè)計完成的智能水表具有功能完善,計量準確的優(yōu)點。1 1 .1.1 研究背景研究背景 當今社會科學技術(shù)高度發(fā)展，現(xiàn)代的建筑不僅融合了傳統(tǒng)的建筑特點，而且包括了高科技產(chǎn)品和現(xiàn)代科學技術(shù)，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的智能建筑和智能小區(qū)很多已經(jīng)實現(xiàn)了樓宇自動化，例如：寬帶上網(wǎng)、防盜、防火聯(lián)網(wǎng)報警等，同時耗能計量表出戶集中數(shù)據(jù)采集、自動收費、聯(lián)網(wǎng)管理己成為現(xiàn)代智能建 筑和智能小

13、區(qū)的必備條件。這里的耗能計量表是指用于居民住宅耗能計量的儀表，包括水、電、暖、煤氣表等，但是現(xiàn)在仍有大量的智能建筑和智能小區(qū)的水、電、暖、煤氣等耗能計量表采用傳統(tǒng)計量技術(shù)和數(shù)據(jù)采集方式，因此新的計量技術(shù)和數(shù)據(jù)采集方式成為研發(fā)的熱點。 現(xiàn)在對于耗能計量表的數(shù)據(jù)采集方式多為人工入戶數(shù)據(jù)采集，而且歸各個管理部門收費，這種收費方式存在很多的弊端：1(1)數(shù)據(jù)采集工作勞動強度大、效率低；(2)管理費用高；(3)入戶數(shù)據(jù)采集難度大，而且存在安全隱患等。隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，遠程自動數(shù)據(jù)采集方式將逐步替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，這樣可以將耗能計量表的管理統(tǒng)一到物業(yè)中心，大大節(jié)省人力、物力和財力，而且可以

14、 實時監(jiān)控耗能表的使用情況，有利于管理部門的管理，同時將物業(yè)中心的計算機和銀行的管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，由銀行從業(yè)主的存款中扣除費用，真正實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)收費。 傳統(tǒng)的計量技術(shù)和數(shù)據(jù)采集方式所使用的儀器儀表多為舊式儀器儀表，這些儀器儀表已經(jīng)無法滿足社會的需要，它們存在著精度低、體積大、可靠性差等缺陷，針對舊式儀器儀表的缺陷，出現(xiàn)了智能化計量儀表。智能化儀器儀表是計算機技術(shù)向儀器儀表移植的產(chǎn)物，含有微計算機或微處理器的儀器儀表，具有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯 判斷及自動化操作等功能。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)的高速發(fā)展，智能化計量儀表朝著微型化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展，并逐步取代舊式的計量儀表。 水表是

15、記錄流經(jīng)封閉滿管道中水流量的一種儀表，它是一種積算式速度流量計，原理上是利用活動壁的容積室的機械作用或水流推動渦輪等活動元件，使之旋轉(zhuǎn)以連續(xù)確定水流量。水表性能的好壞直接影響著人們的日常生活以及水資源管理工作的效率和科學化水平。而舊式水表存在著偷水、漏水等嚴重問題，用先進的智能化水表取代舊式水表已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢1。2.2.選題意義選題意義 和經(jīng)濟效益和經(jīng)濟效益 .1 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡水表的推廣應用前景遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡水表的推廣應用前景 隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，城市水、電、氣等建設(shè)規(guī)模日益龐大，管理工作越來越復雜，而且越來越繁重，在這種情況下傳

16、統(tǒng)的管理模式已經(jīng)暴露出各種弊端，與城鎮(zhèn)的現(xiàn)代化建設(shè)不相適應。對于水表計量計費而言，實現(xiàn)水表的遠程集中數(shù)據(jù)采集有以下優(yōu)點： (1)可以有效地解決入戶數(shù)據(jù)采集效率低的問題，提高自來水公司的用水管理水平和管理效率，杜絕水費的拖欠； 2(2)避免干擾居民生活，杜絕安全隱患； (3)遠程集中數(shù)據(jù)采集可以使管理部門隨時了解居民的用水情況，而且使數(shù)據(jù)采集工作不受時間的限制。 長期以來，我國城鎮(zhèn)居民使用的水表普遍是普通機械旋翼濕式水表，這種水表價格低廉、性能比較穩(wěn)定，但是存在著偷水、漏水等現(xiàn)象。智能網(wǎng)絡水表的使用相對于傳統(tǒng)的水表有以下優(yōu)點： (1)可以杜絕普通水表的偷水、漏水現(xiàn)象； (2)其智能化的設(shè)計可以使

17、居民隨時了解用水量和單價水費，大大方便了居民生活；(3)這種水表配備有數(shù)據(jù)通信的接口，可以方便與集中器進行連接； (4)這種水表可以防止強磁干擾、拆卸等所造成的計量不準確，上位機管理系統(tǒng)可以監(jiān)控水表的狀態(tài)和運行。 我國傳統(tǒng)的水表水量計量和數(shù)據(jù)采集管理模式己經(jīng)不適應社會和經(jīng)濟的發(fā)展，在這種情況下，遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡水表的推廣使用，符合國內(nèi)外水表和數(shù)據(jù)采集管理模式的發(fā)展狀況以及未來趨勢，具有很好的推廣前景。根據(jù)對各大城市自來水公司的實際調(diào)查，相對于傳統(tǒng)水表和數(shù)據(jù)采集模式，遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能水表有很好的經(jīng)濟效益：(1)降低人工費用； (2)降低偷水、漏水費用； (3)降低水表的管

18、理費用：如果使用智能網(wǎng)絡水表，自來水公司每月用于用水監(jiān)控和管理的費用將大大降低。 .2 社會效益社會效益 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡水表的推廣使用不僅具有很好的經(jīng)濟效益，而且具有很好的社會效益： (1)智能網(wǎng)絡水表系統(tǒng)為實現(xiàn)國家建設(shè)部在小康住宅標準中提出的推廣應用戶外計量(含水、電、暖、燃氣表)技術(shù)提供了有利的保障； (2)智能網(wǎng)絡水表系統(tǒng)能夠避免水表計量和收費過程中的各種錯計、漏計用水量和拖欠水費等現(xiàn)象； 3(3)遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有利于促進科技進步和新材料的研制。.3 設(shè)計的技術(shù)指標設(shè)計的技術(shù)指標 本次設(shè)計的智能網(wǎng)絡水表的主要技術(shù)指標有： (1)工作電

19、壓：3.6 士 0.6V； (2)靜態(tài)電流：(30MA)； (3)閥門正常工作次數(shù)：100 次； .4 采用的控制芯片采用的控制芯片 控制芯片是智能網(wǎng)絡水表系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡水表的核心部分，采用何種控制芯片要從它的功耗和性能方面結(jié)合考慮，單獨考慮芯片的功耗而忽略其性能是不合適的，要做到采用的芯片功耗盡可能低，同時也要滿足智能網(wǎng)絡水表系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡水表的各項功能。 .5 采用的數(shù)據(jù)采集方式采用的數(shù)據(jù)采集方式 現(xiàn)在遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很多種數(shù)據(jù)采集方式，結(jié)合實際情況，采用合適的數(shù)據(jù)采集方式是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，進行實時監(jiān)控的關(guān)鍵。本次設(shè)計采用的數(shù)據(jù)采集方式適合大容量的水

20、表數(shù)據(jù)采集，同時上位機管理系統(tǒng)可以通過集中器對水表進行實時監(jiān)控。在國外集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展起步較早，對集中數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究起步也較早，且比較深入，從標準的制定到數(shù)據(jù)采集專用芯片的生產(chǎn)都比較成熟，多種集中數(shù)據(jù)采集技術(shù)得到了相對廣泛的、成功的應用，在發(fā)達國家基本上都實現(xiàn)了遠程集中數(shù)據(jù)采集。對于適合于遠程集中數(shù)據(jù)采集的智能水表而言，國外幾家大水表公司，如瑞典 ABB 公司、德國 MEILEK 公司及以色列 ARAD公司推出的總線制智能水表，這些公司定做了一體化芯片(將采集、存儲、傳輸電路集成于一體的專用芯片)，固件到表體上。這種水表由于采集計數(shù)工作單元均裝配在智能水表內(nèi)并密封，水表的數(shù)據(jù)采集

21、、處理、存儲等基礎(chǔ)工作全由水表本身完成，上位機不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進行通信聯(lián)系，消除了外界因素對計量的影響。另外因智能水表引出的總線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存，4也不影響其它水表數(shù)據(jù)的讀出，即使本次讀數(shù)時該表總線出現(xiàn)故障，只需重新掛接好總線，無需重新置數(shù)，水表的真實讀數(shù)仍可繼續(xù)讀出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。但是成本較高，推廣普及較慢。 通過電力線載波技術(shù)進行遠程集中數(shù)據(jù)采集的智能水表，國外的很多大公司和研究所已經(jīng)開發(fā)出了相對應用于電力線載波技術(shù)的器件和元件，電力線載波技術(shù)的關(guān)鍵是電力線載波專用芯片， 國外很多公司生產(chǎn)出這種專用芯片，使遠程集中數(shù)據(jù)采集和控制變得可靠。瑞典 ABB 公

22、司開發(fā)的無線發(fā)射式水表，除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲模塊外，另設(shè)置無線發(fā)射裝置，通過遠程接收裝置接收信號，此種水表不需敷設(shè)線路和線路維護、安裝方便。但是種無線發(fā)射式水表占用頻率點需長期交付一定的租用金和管理費。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相對于國外遠程集中數(shù)據(jù)采集和智能化水表的發(fā)展，我國在這方面的技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展十分迅速。RS-85 總線傳輸方式已經(jīng)廣泛應用在集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在我國些大中城市，無線傳輸數(shù)據(jù)采集方式也廣泛使用，經(jīng)過技術(shù)的改進，這種數(shù)據(jù)采集方式已經(jīng)取得了明顯的效果；電力線載波技術(shù)更是發(fā)展迅速，尤其在電能表自動數(shù)據(jù)采集方面使用最多。對于傳統(tǒng)水表出現(xiàn)的缺陷，我國市場上出現(xiàn)了很多種智能化水表

23、，具體分類如圖 1-1 所示。 0遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中關(guān)鍵要解決的問題是數(shù)據(jù)通信的問題，因而遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也隨著各種通信方式的發(fā)展而不斷發(fā)展起來 161。根據(jù)通信方式的不同，目前國內(nèi)外主要有以下幾種數(shù)據(jù)采集方式. 有線傳輸數(shù)據(jù)采集方式主要包括：RS-485 總線傳輸方式、基于 LonWorks網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線傳輸方式、電力載波方式傳輸方式、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸方式和利用MODEM、電話網(wǎng)的傳輸方式等。(1)RS-485 總線方式：是較早應用的技術(shù)，技術(shù)非常成熟，現(xiàn)在在很多遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中大量采用。通常由一個采集終端通過 RS-485 總線采集一定數(shù)量基表的 13 太原理_E 大學碩士研究生

24、學位論文數(shù)據(jù)，基表為具有 RS-485 接口的電子表，采集終端通過專用電纜或 RS 一 485總線，將采集到的數(shù)據(jù)送到集中器進行存儲和處理。抄收區(qū)域較大時，可以采用多個集中器級聯(lián)，一般由最高一級的集中器通過調(diào)制解調(diào)器接入電話網(wǎng)，再和上位機連接。(2)現(xiàn)場總線方式：現(xiàn)場總線是在微機測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多字節(jié)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化多點通信的底層控制網(wǎng)絡。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通，樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景I“。在智能住宅方面，LonWorks 現(xiàn)場總線是現(xiàn)場總線技術(shù)中最被看好的技術(shù)之一?；?LonWorks 網(wǎng)絡的集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，兼有局域網(wǎng)和測控網(wǎng)兩者

25、的特性，可以方便的實現(xiàn)管理網(wǎng)和各種測控網(wǎng)的連接，通過由 LonWorks 網(wǎng)絡采集模塊對耗能計量表的數(shù)據(jù)進行采集，并把多個如此模塊連成 LonWorks 網(wǎng)絡構(gòu)成一個比較大的集中器，同時對上千個耗能計量表進行數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)可以通過電話網(wǎng)或?qū)＞€傳輸?shù)竭h方的上位機管理系統(tǒng)。(3)電力線載波(PLC)數(shù)據(jù)采集方式：其原理是把水表、電表、氣表的數(shù)據(jù)通過采集終端設(shè)備將數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過電力線傳送，在接收端解調(diào)還原成數(shù)據(jù)信號，在同一臺配電變壓供電范圍內(nèi)用戶統(tǒng)一編址，并由采集器巡回讀寫191。電力線載波方式在國外已經(jīng)運用的很成熟，主要是由于國外的電網(wǎng)十分干凈，干擾較少，而且有專門電力載波芯片。在我國電網(wǎng)干

26、擾比較大，從國外引進的電力載波芯片不合適我國的電網(wǎng)，現(xiàn)在雖然有些地區(qū)在使用電力載波方式，但是效果不是很理想。(4)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集方式：這是國外一種新興的數(shù)據(jù)采集方式，系統(tǒng)的每1個終端表計都設(shè)置一個 m 地址，上位機的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸通過 Internet 網(wǎng)絡進行。(5)利用 MODEM、電話網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)采集方式：系統(tǒng)采用 MODEM 將集中器的數(shù)據(jù)通過電話網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機通過撥號方式對各個集中器進行數(shù)據(jù)接收或向集中器發(fā)送控制指令，上位機管理系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、查詢等。.2.6.無線傳輸數(shù)據(jù)采集方式無線傳輸方式主要包括兩種：無線傳輸數(shù)據(jù)采集方式和 GSM

27、遠程集中數(shù)據(jù)采集方式。(1)無線發(fā)射數(shù)據(jù)采集方式：計量表除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲模塊外，另設(shè)置無線發(fā)射裝置，通過遠程接收裝置接收信號。這種傳輸方式不需要敷設(shè)線路，而且安裝方便，但是由于單表設(shè)置無線發(fā)射裝置，表體費用高，加上占用頻率點需長期交付一定的租用會和管理費，推廣起來成本較高。(2)GSM 遠程集中數(shù)據(jù)采集方式：將 GSM(GlobalSystemfor Mobile Communication)網(wǎng)絡的短消息技術(shù)應用于集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。GSM 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由用戶端、主控站、GSM 通信系統(tǒng)三大部分組成。系統(tǒng)的工作原理是主控站利用無線調(diào)制解調(diào)器，通過 GSM 無線網(wǎng)絡，分

28、別向各個耗能計量表數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送“數(shù)據(jù)采集短消息” ，耗能表數(shù)據(jù)采集模塊收到“數(shù)據(jù)采集短消息”后，向集中器發(fā)送“數(shù)據(jù)采集指令” ，集中器抄讀各采集器采集的各耗能表數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)組織成“耗能表讀數(shù)短消息” ，再通過耗能表數(shù)據(jù)采集模塊把信息回傳給主控站。2第二章第二章 整體設(shè)計整體設(shè)計2.12.1 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體概述遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體概述 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種不需要人員到達現(xiàn)場，利用特定的通信方式將用戶處的 耗能計量表所記錄的各種數(shù)據(jù)傳送到遠程主控站的計算機網(wǎng)絡中，并由軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和計算的系統(tǒng)。遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合了計算機技術(shù)和通信技術(shù)，在實際的使用中

29、，可以采用多種通信方式，使遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更加完善。 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要優(yōu)點包括以下幾個方面： (1)遠程通信傳輸網(wǎng)絡組網(wǎng)方便：可以根據(jù)實際情況，選用有線或無線的傳輸方式； (2)實時或定時自動數(shù)據(jù)采集，減輕人工勞動強度，提高經(jīng)濟效益： (3)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性，克服人工數(shù)據(jù)采集中的不確定因素，提高供水管理系統(tǒng)的管理水平和經(jīng)濟效益； (4)通過上位機管理系統(tǒng)，進行實時監(jiān)控，查處異常耗能計量表； (5)上位機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫管理方便，報表自動生成，用戶繳費情況詳細，用戶查詢方便4。遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計應考慮以下幾個原則：(1)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：保證耗能計量的數(shù)據(jù)可靠地傳輸給上位機管理

30、系統(tǒng)，在傳輸過程中數(shù)據(jù)不丟失；(2)性價比高：在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠的同時要考慮價格，增加市場競爭力；(3)維護方便：在設(shè)計過程中盡量減少集中器的功能，讓水表進行數(shù)據(jù)采集、信息存儲等工作；集中器負責和水表、上位機的通信，這樣減小了危險集中，同時維護方便;(4)易于系統(tǒng)功能擴展：根據(jù)具體情況的要求，對自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能進行擴展，例如：擴展成瀏覽器N 務器模式，使用戶通過因特網(wǎng)方便的進行在線查詢；還可以增加能源管理專家系統(tǒng)，對用戶的耗能計量表的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)3計、分析.2.22.2 遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計的遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由上位機管理系統(tǒng)、集中器和

31、智能網(wǎng)絡水表 等三級網(wǎng)絡構(gòu)成。它的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示：圖 2-1 遠程數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖.1 智能網(wǎng)絡水表智能網(wǎng)絡水表. .智能網(wǎng)絡水表的工作原理是在普通轉(zhuǎn)盤計數(shù)的水表中加裝干簧管和永磁鐵. 雙干簧管固定安裝在計數(shù)轉(zhuǎn)盤上方附近 ,永磁鐵安裝在計數(shù)盤( 本設(shè)計 0 . 01 m3) 位上 , 計數(shù)盤每轉(zhuǎn)一圈 , 永磁鐵經(jīng)過雙干簧管各一次 , 在信號端產(chǎn)生兩個計量脈沖. 當接收到有效計脈沖時 , 單片機由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式 , 由微處理器執(zhí)行相應的計費程序. 其硬件主要包括 : 微處理器 、脈沖采集電路 、液晶顯示電路 、閥門控制電路 、通信接口電路等.遠程集中數(shù)

32、據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計應考慮以下幾個原則：(1)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：保證耗能計量的數(shù)據(jù)可靠地傳輸給上位機管理系統(tǒng)，在傳輸過程中數(shù)據(jù)不丟失；4(2)性價比高：在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠的同時要考慮價格，增加市場競爭力；(3)維護方便：在設(shè)計過程中盡量減少集中器的功能，讓水表進行數(shù)據(jù)采集、信息存儲等工作；集中器負責和水表、上位機的通信，這樣減小了危險集中，同時維護方便：(4)易于系統(tǒng)功能擴展：根據(jù)具體情況的要求，對自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能進行擴展，例如：擴展成瀏覽器N 務器模式，使用戶通過因特網(wǎng)方便的進行在線查詢；還可以增加能源管理專家系統(tǒng)，對用戶的耗能計量表的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析。.2 脈沖采集電路脈

33、沖采集電路本設(shè)計使用了雙干簧管傳感器 ,即當檢測到一個干簧管吸合時 , 先記錄下來 , 再檢測另一個干簧管 ,只有檢測到另一個干簧管吸合后才認為信號有效. 接線圖如圖 1 所示.圖 1 雙干簧管與 M SP430 F413 的接線圖.3液晶顯示電路及顯示器液晶顯示電路及顯示器M SP430 F413 單片機內(nèi)置一個 24 4 段的液晶顯示驅(qū)動器 2 . 本設(shè)計中選用的液晶顯示器是定制生產(chǎn)的字符式液晶顯示器 , 其視屏尺寸是 65 mm 40 mm ,漢字數(shù)字協(xié)調(diào)美觀.液晶顯示電路及顯示器如圖 2 所示.液晶顯示器作為水表的輸出接口 ,除了顯示電磁閥門的開關(guān)狀態(tài)、 表內(nèi)剩余金額

34、 ( 當余額顯示為負時表示水表處于透支狀態(tài) ) 、 累積用水量、 電池狀態(tài)、 本月累積用水量、 分段 ( 階梯水價時 ,每種水價水量的噸限 )顯示、 單價 ( 當前水價 )顯示、 當前日期及當前時間之外 ,還具有提醒用戶及時充值的信息及顯示錯誤信息的功能. 如 : 表示強磁干擾 , ( 注 : 閥門會關(guān)閉 ) ; 表示欠壓狀態(tài).圖 2 液晶顯示電路及顯示器.4 閥門控制電路閥門控制電路 本設(shè)計采用小功率電機通過減速 ,直接驅(qū)動球閥開閉. 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單 ,水阻小. 缺點是球閥的球環(huán)加工精度要求高 ,使用一段時間后由于水垢或微顆粒等使轉(zhuǎn)動阻力增大 ,設(shè)計中采用每月定時開關(guān)

35、閥門幾次來解決這一問題 3 。閥門控制電路如圖 3 所示.圖 3 閥門控制電路.5 通信接口通信接口智能網(wǎng)絡水表采用專用協(xié)議與集中器進行通信 ,集中器通過 MODEM 與上位機相連. R S -485 相對于 R S - 232 成本低 , 驅(qū)動器和接收器價格便宜 ,并且只需要單一的一個 + 5 V ( 或者更低 ) 的電源來產(chǎn)生差動輸出需要的 1 . 75 V 的壓差. 通信接口如圖 4 所示.圖 4RS - 485 和 MSP430F413 芯片串行通信電路圖2.32.3 集中器設(shè)計集中器設(shè)計在遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,集中器起著數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和總線隔離的作用,負責上位機和網(wǎng)絡水表

36、的聯(lián)系.其主要功能有兩項:一是完成與水表的通信,根據(jù)系統(tǒng)下達的指令抄收水表的數(shù)據(jù)或檢測狀態(tài),可以定時抄收也可以實時抄收;二是根據(jù)系統(tǒng)要求完成與上位機的通信,將水表的數(shù)據(jù)信息或狀態(tài)信息傳輸給上位機管理系統(tǒng).根據(jù)系統(tǒng)需求,集中器主單片機采用 Microchip 公司的 PIC16F84 芯片,8其內(nèi)部帶有 64 字節(jié)的 EEPROM,用來儲存水表的工作參數(shù),如用水量、狀態(tài)、地址編碼等.這些數(shù)據(jù)在水表工作期間可能不斷變化,而又要求系統(tǒng)斷電之后不能丟失,在系統(tǒng)下次加電工作時自動恢復原先的數(shù)據(jù)4.現(xiàn)場調(diào)試一般用到安裝了專用測試軟件的便攜機.便攜機接口協(xié)議為 RS-232,因此集中器電路設(shè)中需預留一個 R

37、S-232 接口,采用 MAX232 芯片.集中器硬件設(shè)由主控芯片 P I C16 F84、上行通信接口電路、下行通信接口電路、電源電路等幾部分組成.集中器硬件電路如圖 5 所示.圖( a)9 圖( b)圖 5 集中器硬件電路1 )上行通信接口電路 : 集中器通過上行通信接口電路和調(diào)制解調(diào)器 MOD E M 相連 ,然后再通過電話網(wǎng)和上位機管理系統(tǒng)進行通信 , 如圖 5( a)所示.2 )下行通信接口電路 : 用來和智能網(wǎng)絡水表進行通信 ,采用 R S - 485 總線傳輸方式 , 如圖 5( b)所示. 使用 MAX485 芯片和智能網(wǎng)絡水表進行通信..1 集中器集中器 集中

38、器起著數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和總線隔離的作用，它負責上位機和網(wǎng)絡水表的聯(lián)系。它的 主要任務有兩項：一是完成和水表的通信，根據(jù)系統(tǒng)的要求接收某個水表的數(shù)據(jù)；二 是根據(jù)系統(tǒng)要求完成和上位機的通信，將水表的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機管理系統(tǒng)。 10集中器的軟件設(shè)計主要包括集中器主程序的設(shè)計 、 集中器接受命令子程序的設(shè)計 、 集中器向采集器發(fā)命令子程序軟件的設(shè)計 、 集中器向 P C 機應答子程序的設(shè)計. 集中器主程序 5 流程圖如圖 6 所示.圖 6 集中器主程序流程圖 1.上位機與集中器之間通信協(xié)議的幀格式上位機與集中器之間通信協(xié)議的幀格式有命令幀格式和應答幀格式. 通信協(xié)議的幀格式由幀頭 、 類型碼 、 地址碼

39、、 數(shù)據(jù)碼 、 校驗碼和幀尾組成 ,其定義如表 1 所示. 各個部分的具體含義解釋如下 :11表 1 通訊協(xié)議幀格式幀頭 類型碼 地址碼 數(shù)據(jù)碼 校驗碼 幀尾 1 B yt e 1 B yt e 8 B yt e 210 B yt e 1 B yt e 1 B yt e2.幀頭 : 一幀的起始字節(jié) , 代表一個新幀的開始 1 個字節(jié) , 命令幀固定為 1 AH , 應答幀固定為 I CH .2 ) 類型碼 : 1 個字節(jié) , 命令幀類型碼用來規(guī)定上位機管理系統(tǒng)下達指令的具體內(nèi)容 6 ,不同的內(nèi)容對應不同的類型碼. 集中器執(zhí)行相應指令后上傳相應的應答幀類型碼 ,不同的內(nèi)容對應不同的類型碼 , 命

40、令幀和應答幀類型碼如表 2 所示.3 ) 地址碼 : 8 個字節(jié) , 本地址碼依次為集中器號 ( 4 個字節(jié) ) , 智能網(wǎng)絡水表號 ( 4 個字節(jié) ) .規(guī)定前 4 個字節(jié)全 F 代表所有集中器 ,后 4 個字節(jié)全 F 代表所有智能網(wǎng)絡水表.4 )數(shù)據(jù)碼 : 2 10 個字節(jié) , 包括設(shè)置集中器和水表的號碼 、 設(shè)置集中器的密碼 、 設(shè)置的時間 、水表的狀態(tài) 、 水表上傳的數(shù)據(jù)等.5 )校驗碼 : 1 個字節(jié) , 本設(shè)計采用累加和校驗 ,對幀頭、 類型碼、 地址碼和數(shù)據(jù)域進行字節(jié)累加 ,結(jié)果取 1 個字節(jié). 集中器接收到指令后 ,對指令的相應字節(jié)進行累加 ,然后再與校驗字相比較.6 )幀尾

41、: 表示一幀的結(jié)束字節(jié) , 命令幀固定為 I BH; 應答幀固定為 I DH .命令幀類型碼 類型碼內(nèi)容 應答幀類型碼C1H 校時功能 ( 非廣播指令 ) D1HC2H 抄收水表實時數(shù)據(jù) D2HC3H 凍結(jié)水表實時數(shù)據(jù) D3HC4H 抄收集中器數(shù)據(jù) D4HC5H 查看水表狀態(tài) D5H12C6H 修改水表狀態(tài) D6HC7H 修改水表初值 D7H 3. 總線直讀式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu):本設(shè)計采用總線直讀式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中典型的聯(lián)網(wǎng)管理方式 , 如圖 7 所示. 即采集器到集中器的連接方式和局域網(wǎng)管理方式. 將若干集中器集中起來連結(jié)到廣域網(wǎng)接入器 , 再通過電話線與異地或遠距離的 PC 機進行通信. 1 臺計算機最多

42、可以管理 128 個集中器 , 1 個集中器可以管理255 個采集器. 這樣系統(tǒng)更簡單 、 成本更低.圖 7 局域網(wǎng)管理方式132.42.4 上位機管理系統(tǒng)上位機管理系統(tǒng) 1.上位機管理系統(tǒng)實際上就是一套以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的軟件管理系統(tǒng)，由一臺計算機、上位機管理軟件和一個調(diào)制解調(diào)器(MODEM)構(gòu)成，利用撥號通信完成集中數(shù)據(jù)采集。上位機管理軟件包括數(shù)據(jù)庫管理模塊、水費水量模塊、小區(qū)管理模塊、用戶管理 模塊、遠程通信模塊、實時監(jiān)控模塊等,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊等,管理人員可以通過操 作實現(xiàn)以下的一些功能： (1)錄入用戶資料，統(tǒng)計用戶用水量和交費情況； (2)定時或隨時抄收集中器的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行加工處理

43、； (3)查詢智能網(wǎng)絡水表的運行情況，觀察用戶水表的運行狀態(tài)。 此外，上位機管理系統(tǒng)還可以和銀行聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成四級網(wǎng)絡，同時將表計數(shù)據(jù)傳輸給銀行，由銀行從用戶在該行的存款賬戶上扣費。上位機管理系統(tǒng)和集中器是一對多的關(guān)系，管理的集中器數(shù)量受到管理中心采用的計算機的硬盤空間、采用的通信方式等方面的限制。主站是遠程集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心 ,處于系統(tǒng)的最高層次. 在集中器 、 網(wǎng)絡水表協(xié)助下通過網(wǎng)絡接口負責完成設(shè)備管理 、 用戶管理 、水量的抄收以及報表打印等功能 ,遠傳水表管理系統(tǒng) 7 . 根據(jù) S QL Seve r 的數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)和自動數(shù)據(jù)采集管理軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容 ,得出如圖 8 所示的

44、 A u t o m e t e r 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖.圖 8 A u t o me t e r 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖142.水表遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機管理軟件系統(tǒng)的功能主要有 :l )自動數(shù)據(jù)采集 : 能夠?qū)崟r 、 定時 、 自動地抄錄前端水表的讀數(shù) , 隨時了解住戶的使用情況 , 便于計量和收費的自動管理.2 )預置參數(shù)和通訊測試 : 能夠?qū)δ骋粔K智能表預先設(shè)置參數(shù) , 如水表讀數(shù) 、 狀態(tài) 、 編號等 , 也能夠?qū)λ械乃眍A先設(shè)置讀數(shù)值 ; 能夠自動測試系統(tǒng)計算機與前端任何一個住戶采集器之間的通訊是否正常.3 )住戶信息管理 : 能夠查詢所有住戶的信息 ,能夠?qū)ο鄳淖粜畔⑦M行添加 、 修改 、 刪

45、除 、 統(tǒng)計等操作.4 )收費信息管理 : 能夠查詢所有住戶的用水信息 ,包括住戶的歷史用水量 、 當月用水量 ,價格可以設(shè)置為一定價 , 或者階梯水價 , 并自動計算出應繳水費 ,同時記錄交費信息 , 還能夠?qū)ο鄳氖召M信息進行添加 、 修改 、 刪除等.5 )自動報表生成 : 能夠根據(jù)住戶當月用水情況 ,自動生成住戶當月報表 ,并打印相關(guān)單據(jù).6 )系統(tǒng)用戶分級管理 : 對軟件系統(tǒng)的用戶實行分級管理 ,分別賦予 3 種不同權(quán)限. 即一般用戶只有查詢信息的權(quán)限 ,一般管理員除了查詢信息的權(quán)限外還有部分數(shù)據(jù)采集管理和通信管理的權(quán)限. 只有系統(tǒng)管理員才具有系統(tǒng)管理 、 信息管理 、數(shù)據(jù)采集管理和

46、通信管理等全部權(quán)限列出實現(xiàn)增加一個用戶時的主要代碼.Up da t e D a t a ( T RU E) ; / / 更新變量i f (m _p a ss wo r dadd_na me = = “” “” ) / / 用戶名為空 ?A f x Me ss age Box ( ” 用戶名不能為空 ! ” ) ;Re t u r n;Cfil e cf ;i f ( ! cf . Op en ( “D: VC + + A u t o me t e r p a ss wo r d . da t” ,CF il e: :mode Read W rit e) ) / / 以可讀寫方式打開 p a s

47、s wo r d . l a t 文件M e ss age Box ( ” Can t Op en t hefil e! “)15Re t u r n;cha r B r ead; / / 以下檢查用戶名是否重復i n t j = cf . Ge t L engt h ( ) ; / / 獲得文件長度r ead = ne w cha r j + l : / / 定義讀出緩沖區(qū)長度i n t k = cf . Read ( r ead, Strl en ( r ead) ) ; / / 讀出數(shù)據(jù)C stri ng sr ead = r ead;I n t n i ndex = sr ead .

48、F i nd (m _p a ss wo r dadd_na me) ;i f ( n i ndex! = - l )A f x Me ss age Box ( “ 該用戶姓名己經(jīng)登記 ! ” ) ;de l e t e r ead;r e t u r n;sr ead = m _p a ss wo r dadd_na me + “, ” + m _p a ss wo r dadd _pwd8 1 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/+ “, ”+ m _p a ss wo r dadd_c ls + “; ” + “ n” ; 用戶名未登記 ,可以存入cha r add 50 ;s p ri n t f ( add, “% s” , sr ead) ;cf . SeekT oEnd ( ) ;cf . W rit e ( add, strl en ( add) ) ; / / 存入de l e t e r ead:Me ss age Box ( “ 添加登錄者操作