基于Lonworks技術(shù)的遠程自動(dòng)抄表系統

前 言

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

LonWorks總線(xiàn)技術(shù)由于其優(yōu)良特性，已經(jīng)成為實(shí)際上的現場(chǎng)總線(xiàn)推薦標準。LonWorks的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構具有很大的靈活性，通過(guò)多種收發(fā)器提供各種典型的拓撲結構，如總線(xiàn)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)現不同通信介質(zhì)之間的數據傳輸，還能改善網(wǎng)絡(luò )的響應時(shí)間和安全性能。

歐宇公司開(kāi)發(fā)的遠程自動(dòng)抄表模塊基于LonWorks技術(shù)，采用電力線(xiàn)傳輸數據，可以實(shí)現住戶(hù)的煤氣表、水表、電表讀數的自動(dòng)抄錄，并具有聯(lián)網(wǎng)功能。在小區的管理微機上或通過(guò)市話(huà)網(wǎng)實(shí)現遠程查詢(xún)抄錄數據。

一、LonWorks自動(dòng)抄表模塊（節點(diǎn)）及系統工作原理

LonWorks網(wǎng)絡(luò )上的每個(gè)測控單元稱(chēng)為L(cháng)onWorks智能節點(diǎn)。每個(gè)智能節點(diǎn)使用了一塊LonWorks主控制模塊。LonWorks主控制模塊是智能節點(diǎn)的基本構成單元，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)議的數據傳輸，并通過(guò)事件調度完成用戶(hù)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)現對輸入/輸出數據的處理及驅動(dòng)功能，在抄表模塊中主要是對脈沖輸入信號的計數，并完成與主控制模塊的數據傳輸。主控制模塊中的收發(fā)器負責將節點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò )，不同的通信介質(zhì)要求采用相應的收發(fā)器：在抄表模塊中，可以采和FTT-10A收發(fā)器，適用于雙絞線(xiàn)介質(zhì)；或采用PLT-22收發(fā)器，適用于電力線(xiàn)通信介質(zhì)。

自動(dòng)抄表系統以L(fǎng)onWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎。系統由下面幾部分組成：計算機、抄表管理軟件、數據集中器、抄表節點(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，并將脈沖數累計存放在抄表模塊RAM內，根據設定的分段時(shí)間及當前時(shí)刻，將采集到的數據累計到不同的時(shí)間段上，實(shí)現分時(shí)段計數。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。數據集中器具有較大容量的存儲器，能存儲200個(gè)抄表模塊的數據。集中器反復輪詢(xún)采集各抄表模塊的數據并將其存在集中器的相應內存中。集中器自動(dòng)過(guò)濾非法數據，對通信異常進(jìn)行相應處理，保證在集中器保存一份抄表網(wǎng)絡(luò )所有抄表模塊的數據。自動(dòng)抄表系統具有數據采集模塊多且分散、數據傳送實(shí)時(shí)要求不高以及要求每個(gè)傳送接收的數據不能出錯等特點(diǎn)。當上位計算機進(jìn)行數據采集時(shí)，可從集中器保存的數據直接發(fā)回給計算機，不需要直接從抄表模塊讀取抄表數據。由于數據通信不需要進(jìn)行協(xié)議轉換，通信速度較快，即使在遇到LonWorks網(wǎng)絡(luò )出現通信異常情況，也能將數據迅速發(fā)回主機。

LonWorks神經(jīng)元芯片程序分為兩個(gè)部分：一部分為應用程序，另一部分為網(wǎng)絡(luò )映像。應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：一是預安裝方式，一是現場(chǎng)安裝方式。

預安裝方式：LonWorks控制網(wǎng)絡(luò )功能很豐富，但具體到抄表系統而言，系統只用部分功能，而且功能相對固定不變，其模塊之間的網(wǎng)絡(luò )連接關(guān)系可以預先確定。根據這種情況，把原來(lái)用LonMake來(lái)配置的參數改為通過(guò)主機命令方式來(lái)配置。所有抄表模塊的出廠(chǎng)前預裝好程序并完成必要的配置，標識好模塊編號。這樣模塊到現場(chǎng)后不需要用LonWorks軟件進(jìn)行安裝。采用預安裝方式，用戶(hù)可不必了解LonWorks有關(guān)知識就能完成抄表系統的安裝。

現場(chǎng)安裝方式：采用這種安裝方式要求安裝人員到現場(chǎng)用LonWorks軟件對模塊逐個(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 )并相互交換數據。采用現場(chǎng)安裝方式進(jìn)行配置系統能充分利用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。

抄表模塊的設計要解決以下問(wèn)題：

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

（2）解決電力線(xiàn)通信距離的限制及可靠性。

1.自動(dòng)抄表模塊的硬塊設計

該模塊專(zhuān)門(mén)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(xiàn)路的通斷狀態(tài)。

LonWorks總線(xiàn)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，即由主控制模塊驅動(dòng)同步時(shí)鐘輸入及片選信號輸出，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引腳是串行數據輸出；IO10引腳為串行數據輸入；選擇IO5引腳作為片選信號輸出。89C51采用中斷的方式傳輸數據，并在協(xié)議幀中加入校驗碼，以保證通信數據的正確性，如圖2所示。

采用雙CPU技術(shù)設計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(xiàn)斷線(xiàn)、短路檢測功能。

（3）能采集脈寬>10ms的脈沖信號。

（4）模塊具有內部時(shí)鐘，可進(jìn)行分時(shí)段計費。

（5）具有掉電保護電路，保證停電時(shí)計數數據不丟失。

（6）由計算機下載數據，進(jìn)行初始設置，并由計算機查閱各種數據。

（7）具有低電壓檢測電路，電壓低于一定值時(shí)，向計算機報警。

（8）具有清零開(kāi)關(guān)，模塊在使用前將所有計數器清等。

（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(hù)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(xiàn)通信

電力線(xiàn)通信是將數據調制成載波信號或擴頻信號，然后通過(guò)耦合器耦合到220V或其他直流電力線(xiàn)上，甚至是沒(méi)有電力的雙絞線(xiàn)。這樣做的好處是利用已有的電力線(xiàn)進(jìn)行數據通信，大大減少了通信中遇到的繁瑣的布線(xiàn)。LonWorks電力線(xiàn)收發(fā)器提供了一種簡(jiǎn)單、有地的將神經(jīng)元節點(diǎn)加入到電力線(xiàn)中的方法。

電力線(xiàn)上通信的關(guān)鍵是：如何保證在電力線(xiàn)上長(cháng)距離通信可靠。在電力線(xiàn)上通信存在以下問(wèn)題：電力線(xiàn)間歇性噪聲較大（某些電路啟停、運行都會(huì )產(chǎn)生較大的噪聲）；信號衰減很快；線(xiàn)路阻抗經(jīng)而波動(dòng)。這些問(wèn)題使通過(guò)電力線(xiàn)的通信非常困難，而采用新型的PLT-22電力線(xiàn)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(xiàn)收發(fā)器，但是在實(shí)際應用中要解決通信距離和三相電力線(xiàn)耦合問(wèn)題。

在電力線(xiàn)上通信的節點(diǎn)數量只受LonWorks網(wǎng)絡(luò )限制，通信距離由信號的衰減和電力線(xiàn)上的噪聲決定，網(wǎng)絡(luò )結構屬于自己拓撲結構。要延長(cháng)電力線(xiàn)通信距離可以采用兩種方法：

（1）增強電力線(xiàn)通信信號輸出強度；

（2）在電力線(xiàn)上增加中繼器。

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

電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )結構屬于自由拓撲結構，但是在一個(gè)電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上某相所有線(xiàn)路是連在一起的。從通信通道邏輯看一個(gè)電力線(xiàn)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)獨立的網(wǎng)段，因此，不能用普通的中繼器來(lái)延長(cháng)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(xiàn)連接成網(wǎng)絡(luò )。對于網(wǎng)一相要延長(cháng)其通信距離，則要采取其他措施。在本抄表系統中，成功地采用了一種軟中繼的辦法。其原理是利用一個(gè)節點(diǎn)做中繼節點(diǎn)。該節點(diǎn)接收到指定B、C三個(gè)節點(diǎn)在電力線(xiàn)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)報文給B，B再將報文發(fā)給C，這樣就實(shí)現A與C的通信。

基于以上描述，并要求系統安裝配置方便，將抄表模塊分成了三種不同類(lèi)型。每類(lèi)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(lèi)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(xiàn)通信：對于抄表系統來(lái)說(shuō)，所有抄表模塊與數據集中器進(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)現在三相線(xiàn)上傳輸抄表數據。

電力線(xiàn)抄表系統以變壓器為單位。每個(gè)變壓器低壓電網(wǎng)為一個(gè)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(jìn)行通信。系統由數據集中器、中繼模塊及抄表模塊構成，如圖4所示。

數據集中器在使用前需要進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò )可安裝多個(gè)集中器模塊，當集中器注冊模塊不同時(shí)，則集中器采集不同抄表模塊數據。這種設置可以在系統中抄表模塊數量大于集中器最在采集模塊數量時(shí)使用。當集中器注冊的模塊號相同時(shí)，則集器采集相同的抄表模塊數據。這樣的設置可用于對數據進(jìn)行備份。

二、自動(dòng)抄表系統結構與功能

小區管理中心使用一臺PC機作為管理機，實(shí)現小區遠程抄表和計費打印等功能。在計算機內插上LonWorks網(wǎng)卡-PCLTA。將計算機連入小區抄表LonWorks網(wǎng)絡(luò )，傳輸介質(zhì)采用電力線(xiàn)。每個(gè)抄表模塊最多可帶24塊計費表。管理計算機可隨時(shí)查詢(xún)任一住戶(hù)的水表、電表和媒氣表的讀數；對用戶(hù)每月消耗的水、電、媒氣用量進(jìn)行統計、費用計算、交費管理；對欠費用戶(hù)自動(dòng)打印欠費通知單。通過(guò)LonWorks總線(xiàn)控制節點(diǎn)還可以對水、電、媒氣實(shí)現遠程開(kāi)/關(guān)控制，方便實(shí)施對水、電、媒氣供給的有效管理。

結合相應的管理軟件，該系統具有如下功能；

（1）自動(dòng)抄表系統抄表模塊組成二級網(wǎng)絡(luò )，使用電力線(xiàn)或雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，采用自由網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，在管理微機上可以實(shí)現小區每位住戶(hù)的水表、電表和煤氣表的抄讀。

（2）實(shí)現遠程控制，可在管理中心對三表實(shí)施關(guān)斷或開(kāi)啟。當發(fā)生災害時(shí)，管理中心代用戶(hù)關(guān)斷煤氣或供電，減少安全隱患；當發(fā)生欠費或違章事件時(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(xiàn)和短路、煤氣閥門(mén)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據。

（4）在管理微機上能夠查詢(xún)小區內每一個(gè)計量表實(shí)時(shí)讀數。

結束語(yǔ)

近年來(lái)，LonWorks技術(shù)的應用在我國得到迅速發(fā)展，國內外眾多的系統集成商積極參與開(kāi)發(fā)LonWorks智能節點(diǎn)的使用。目前，LonWorks技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地應用于智能建筑、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)抄表系統已經(jīng)成功地在實(shí)際工程中得到了應用，運行狀況良好。自動(dòng)抄表系統的實(shí)施，提高了小區管理的智能化水平，提高了居民的舒適安全性及管理效率，給人們的生產(chǎn)和小區的管理都帶來(lái)了很大的便利。