基于分级通信模式的小区智能抄表系统
时间：05-11
来源：中国智能水表
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1引言
长期以来，居民小区的物业管理部门对用户用电、水、气的统计一直是在人工抄表的基础上进行的。而人工方式由于统计工作量大，误差大，人为错误等给物业管理和用户也常带来极大的不便。随着计算机技术和网络技术的发展，住户三表（水，电，煤气）出户自动抄表自动计费系统也应运而生。一般小区内的住户数量较多，数据采集单元数目较大，同时由于数据采集单元可能离中央管理计算机较远，因此这类系统中的计算机通信网络必须采用多层分级通信的模式。本文介绍一种基于分级通信模式自动抄表系统设计方法。
2系统设计
2．1系统组成
图1所示是某小区的自动抄表系统的结构图。该智能抄表系统采用四层结构，其中第一层是中央管理机，依次为集中器、采集器、现场采集仪表。
通过中央管理机及其软件，管理人员可根据系统密码的权限随时查询小区各个住户的水、电、煤气的实时及历史使用情况。而集中器的主要作用是保存历史和当前采集数据，它在作为采集器主机的同时也作为中央管理机的从机，并且可以向外提供RS232、RS485及集成MODEN通讯接口（备用）。采集器作为计数装置可对脉冲信号进行取样。并可在断线时向物业中央管理机报警，以防止有人偷电（水、煤气）。采集器有24个通道，每个通道可单独设置为电表、煤气表或水表脉冲量输入；输入信号可以是有源信号，也可以是无源信号，其脉冲频率一般小于10Hz。现场采集仪表用于分别计录用户用水，电，煤气的数量，并以电脉冲形式输出。
中央管理机与采集器通信有定时采集（大于等于3分钟）和主动采集两种模式，具体操作可由操作者发出命令，它可以自动采集所有通道数据或特定通道的数据。上位机则通过采集器完成下列功能：设定通信波特率（缺省值为19200）、设定集中器到采集器的定时采集时间、设定采集器时间、获取集中器中的采集数据和报警信号、设置某采集器数据、读取某采集器设置数据以及开户和销户等。
集中器与采集器之间采用RS－485半双工接口并采用主从模式进行通信。一般情况下，集中器定时或连续向采集器采集数据。当上位机与集中器通信时，必须等待集中器与某采集器完成通信才能开始交互数据。
本系统中，中央管理机下挂4个集中器，每个集中器下挂126个采集器。由于RS－485总线最多可挂32个驱动器，因此，在某些采集器中，应设置中继器（该中继器可由两片背靠背的MAX1487组成），以使RS－485总线下可挂126个采集器。
2．2通信协议
本系统的通信协议包括字符格式和数据包格式。在字符格式中，每个字符在传输中采用异步方式，具体字符格式如下：
其中，起始标志位SOI（STARTOFIN－FORMATION）为7EH，对应于ASCII码字符"～"，代表一个新信息帧的开始。
从机地址ADR（ADDRESS）为各从机的识别标志，一个数据总线RS－485上不能挂相同地址的从机。从机地址范围为1～254，其中0为保留，255为广播地址。
命令标识符CID（COMMANDID）为各类型主机向从机发出命令的识别标志。
信息域INFO（INFORMATION）为数据信息，可分为命令信息和响应信息两大类。
校验和码CHK（CHKCODE）为ADR、CID及INFO三部分的累加和校验码。
结束标志符EOI（ENDOFINFORMATION）为0DH，对应于回车符，代表一个信息帧的结束。
2．3脉冲当量记费原理
水、电、煤气的记费一般按水、电、煤气表等的输出脉冲数进行计量。可通过下列公式计算出实际使用量和应缴费额： Q＝NKR
式中，Q为应缴费额，N为脉冲数，K为每个脉冲代表的水流量、电度数或气流量，R为单位价格。
3硬件连接电路
3．1集中器电路
在集中器中，ST16C2552与RS－232和RS－485的电路连接如图2所示。图中的ADM202可将RS－232电平转化为TTL电平。 MAX1487是一个＋5V供电的RS－485接口差分信号收发器，它可通过CPU的P1．2口对接收还是发送数据进行选择。同时可将TTL电平转化为 RS－485的差分接口信号或进行反向选择。
3．2采集器数据采集电路
图3所示是一个有4个基于分级通信模式的小区智能抄表系统通道的数据采集电路，它们被连接到AT90S8515的PA0～PA3口，剩下的20路数据采集电路连接到PA口的高4位口线及PB口和PC口上。采集器的脉冲输出信号经光电隔离后，可由AT90S8515进行脉冲计数。
4集中器的通信程序
在集中器中，AT89C52的两个外部中断 INT0、INT1可分别用来接收来自中央管理机和采集器的数据。通常将异步通信芯片ST16C2552的管脚IN－TA、INTB反向后分别和 INT0、INT1相连。当ST16C2552接收到数据时，它将向CPU申请中断以对数据进行处理。下面的程序片断采用C语言编写。其功能是初始化 ST16C2552，并为集中器接收数据做好准备。
下面以接收来自中央管理机数据帧为例说明通信中断服务程序的工作流程。具体流程如下：
①关外部中断0，防止中断嵌套。
②开外部中断0，判断是否接收的是数据帧起始字符SOI，如果是，准备接收下一字符；如不是，将接收的字符抛掉。
③开外部中断0，判断接收的字符是否为本机地址。如果是，准备接收下一字符；如果不是，将接收的字符抛掉。
④接收数据和为命令控制字，根据控制字来设定将要接收的数据信息长度，开外部中断0。
⑤判断数据信息是否接收完毕，如果没有，继续接收数据信息，如果接收完毕，准备接收数据帧结束字符EOI，开外部中断0。
⑥判断接收数据是否为EOI。如果是，设数据帧标志为1，如果不是，则将接收的所有数据抛弃。开外部中断0。
5结束语
随着计算机技术和网络技术的发展以及人们对高质量生活的追求，小区智能化已成为住宅小区发展的趋势。而智能抄表系统作为智能小区最基本的子系统，它对小区智能化的影响是显而易见的。因此，对智能抄表系统作进一步开发，具有广阔的应用前景。
参考文献
1．耿德根，等．AVR高速嵌入式单片机原理与应用．北京航空航天大学出版社．2001
2．黎连业．智能大厦智能小区基础教程．北京：科学出版社，2000 3．
长期以来，居民小区的物业管理部门对用户用电、水、气的统计一直是在人工抄表的基础上进行的。而人工方式由于统计工作量大，误差大，人为错误等给物业管理和用户也常带来极大的不便。随着计算机技术和网络技术的发展，住户三表（水，电，煤气）出户自动抄表自动计费系统也应运而生。一般小区内的住户数量较多，数据采集单元数目较大，同时由于数据采集单元可能离中央管理计算机较远，因此这类系统中的计算机通信网络必须采用多层分级通信的模式。本文介绍一种基于分级通信模式自动抄表系统设计方法。
2系统设计
2．1系统组成
图1所示是某小区的自动抄表系统的结构图。该智能抄表系统采用四层结构，其中第一层是中央管理机，依次为集中器、采集器、现场采集仪表。
通过中央管理机及其软件，管理人员可根据系统密码的权限随时查询小区各个住户的水、电、煤气的实时及历史使用情况。而集中器的主要作用是保存历史和当前采集数据，它在作为采集器主机的同时也作为中央管理机的从机，并且可以向外提供RS232、RS485及集成MODEN通讯接口（备用）。采集器作为计数装置可对脉冲信号进行取样。并可在断线时向物业中央管理机报警，以防止有人偷电（水、煤气）。采集器有24个通道，每个通道可单独设置为电表、煤气表或水表脉冲量输入；输入信号可以是有源信号，也可以是无源信号，其脉冲频率一般小于10Hz。现场采集仪表用于分别计录用户用水，电，煤气的数量，并以电脉冲形式输出。
中央管理机与采集器通信有定时采集（大于等于3分钟）和主动采集两种模式，具体操作可由操作者发出命令，它可以自动采集所有通道数据或特定通道的数据。上位机则通过采集器完成下列功能：设定通信波特率（缺省值为19200）、设定集中器到采集器的定时采集时间、设定采集器时间、获取集中器中的采集数据和报警信号、设置某采集器数据、读取某采集器设置数据以及开户和销户等。
集中器与采集器之间采用RS－485半双工接口并采用主从模式进行通信。一般情况下，集中器定时或连续向采集器采集数据。当上位机与集中器通信时，必须等待集中器与某采集器完成通信才能开始交互数据。
本系统中，中央管理机下挂4个集中器，每个集中器下挂126个采集器。由于RS－485总线最多可挂32个驱动器，因此，在某些采集器中，应设置中继器（该中继器可由两片背靠背的MAX1487组成），以使RS－485总线下可挂126个采集器。
2．2通信协议
本系统的通信协议包括字符格式和数据包格式。在字符格式中，每个字符在传输中采用异步方式，具体字符格式如下：
其中，起始标志位SOI（STARTOFIN－FORMATION）为7EH，对应于ASCII码字符"～"，代表一个新信息帧的开始。
从机地址ADR（ADDRESS）为各从机的识别标志，一个数据总线RS－485上不能挂相同地址的从机。从机地址范围为1～254，其中0为保留，255为广播地址。
命令标识符CID（COMMANDID）为各类型主机向从机发出命令的识别标志。
信息域INFO（INFORMATION）为数据信息，可分为命令信息和响应信息两大类。
校验和码CHK（CHKCODE）为ADR、CID及INFO三部分的累加和校验码。
结束标志符EOI（ENDOFINFORMATION）为0DH，对应于回车符，代表一个信息帧的结束。
2．3脉冲当量记费原理
水、电、煤气的记费一般按水、电、煤气表等的输出脉冲数进行计量。可通过下列公式计算出实际使用量和应缴费额： Q＝NKR
式中，Q为应缴费额，N为脉冲数，K为每个脉冲代表的水流量、电度数或气流量，R为单位价格。
3硬件连接电路
3．1集中器电路
在集中器中，ST16C2552与RS－232和RS－485的电路连接如图2所示。图中的ADM202可将RS－232电平转化为TTL电平。 MAX1487是一个＋5V供电的RS－485接口差分信号收发器，它可通过CPU的P1．2口对接收还是发送数据进行选择。同时可将TTL电平转化为 RS－485的差分接口信号或进行反向选择。
3．2采集器数据采集电路
图3所示是一个有4个基于分级通信模式的小区智能抄表系统通道的数据采集电路，它们被连接到AT90S8515的PA0～PA3口，剩下的20路数据采集电路连接到PA口的高4位口线及PB口和PC口上。采集器的脉冲输出信号经光电隔离后，可由AT90S8515进行脉冲计数。
4集中器的通信程序
在集中器中，AT89C52的两个外部中断 INT0、INT1可分别用来接收来自中央管理机和采集器的数据。通常将异步通信芯片ST16C2552的管脚IN－TA、INTB反向后分别和 INT0、INT1相连。当ST16C2552接收到数据时，它将向CPU申请中断以对数据进行处理。下面的程序片断采用C语言编写。其功能是初始化 ST16C2552，并为集中器接收数据做好准备。
下面以接收来自中央管理机数据帧为例说明通信中断服务程序的工作流程。具体流程如下：
①关外部中断0，防止中断嵌套。
②开外部中断0，判断是否接收的是数据帧起始字符SOI，如果是，准备接收下一字符；如不是，将接收的字符抛掉。
③开外部中断0，判断接收的字符是否为本机地址。如果是，准备接收下一字符；如果不是，将接收的字符抛掉。
④接收数据和为命令控制字，根据控制字来设定将要接收的数据信息长度，开外部中断0。
⑤判断数据信息是否接收完毕，如果没有，继续接收数据信息，如果接收完毕，准备接收数据帧结束字符EOI，开外部中断0。
⑥判断接收数据是否为EOI。如果是，设数据帧标志为1，如果不是，则将接收的所有数据抛弃。开外部中断0。
5结束语
随着计算机技术和网络技术的发展以及人们对高质量生活的追求，小区智能化已成为住宅小区发展的趋势。而智能抄表系统作为智能小区最基本的子系统，它对小区智能化的影响是显而易见的。因此，对智能抄表系统作进一步开发，具有广阔的应用前景。
参考文献
1．耿德根，等．AVR高速嵌入式单片机原理与应用．北京航空航天大学出版社．2001
2．黎连业．智能大厦智能小区基础教程．北京：科学出版社，2000 3．
- 一种基于无线通讯与公用电话网的智能抄表系统(03-02)