LonWorks技術智能抄表系統的設計

樓曉春 何麗莉

(杭州職業技術學院青年汽車學院1，浙江 杭州 310018;杭州職業技術學院友嘉機電學院2，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和居民生活質量的日益提高，水、電、煤氣等的用量急劇上升。目前，使用的電表和氣表普遍都是以人工入戶抄表的形式進行的，這種形式存在人工讀數誤差、居民對入戶安全的要求以及抄表效率低等諸多弊端[1－2]。數據采集完全依賴人工完成的傳統方法已成為制約公用事業企業發展的重要障礙。

1991年，美國Echelon公司推出了LonWorks現場總線技術。它是一種局部操作網絡(LON網)，主要通過Cypress、Toshiba和Motorola等公司生產的一系列神經元芯片、收發器、嵌入在神經元芯片中的LonTalk通信協議、LonMark協會規約的互操作性技術規范實現[3－5]。目前，LonWorks技術已成為我國建設部唯一推薦采用的智能建筑技術。

本文結合LonWorks總線技術的特點，設計了智能抄表系統，將小區內分散的水表、電表、煤氣表的數據由抄表采集器上傳到管理計算機，由物業管理中心計算機進行集中處理，并可以經通信服務器及公共電信線路遠傳至公用事業中心進行統一結算管理。

1 抄表采集器

采集器實時采集和計算各表具的輸出脈沖，并存放在RAM和外部存儲器中。同時，根據設定的分段時間和當前時刻，將采集到的數據累計到不同的時間段上，實現分時段計數。抄表模塊的存儲器具有掉電保護功能，能防止掉電丟失和脈沖累加值。

1.1 硬件設計

抄表采集器的核心器件是神經元芯片和智能收發器。神經元芯片采用Neuron3150系列，最高工作頻率為20 MHz，片內含RAM和EEPROM，但還需外擴ROM或Flash，用來存儲系統映象和設備應用程序。神經元芯片通過11個I/O引腳與計量表具連接。神經元芯片的服務引腳是一個輸入/輸出雙向引腳，當作為輸入引腳時，可用于安裝網絡和配置抄表采集器;當作為輸出引腳時，可通過其外接的LED來指示抄表采集器的狀態和故障。神經元芯片有CP0～CP4共5個通信引腳，可以配置成單端、差分和專用模式的輸入方式。

采集器硬件結構如圖1所示。

圖1 采集器硬件結構Fig.1 Hardware structure of collector

收發器采用FFT-10A自由拓撲收發器，支持無極性、自由拓撲(包括總線型、星型、環型、樹型甚至幾種方式的組合)的互連方式。FTT-10A收發器包含1個隔離變壓器、1個曼徹斯特編碼通信收發器和信號處理器件，采用厚膜電路將它們集成在同一個芯片中，通信速率為78 kbit/s，最長通信距離為2 700 m。收發器連接方式如圖2所示。

圖2 收發器連接方式Fig.2 Connections of the transceiver

本設計中，將神經元芯片的通信端口配置成單端模式，則CP0為數據輸入引腳、CP1為數據輸出引腳、CP4為網絡沖突檢測輸入引腳。

1.2 軟件設計

采集器軟件流程如圖3所示。

圖3 采集器軟件流程圖Fig.3 Software flowchart of collector

抄表采集器的軟件流程主要包括器件初始化、引腳定義、歷史記錄數據恢復及發生事件時的處理程序。

LonWorks設備提供了NodeBuilder軟件工具，設備的應用程序采用Neuron C編寫。Neuron C是一種基于ANSIC，并能對簡單網絡通信、硬件I/O和事件驅動處理加以擴展的高級編程語言[3，5]。

在用戶編寫應用程序的過程中，需要對神經元芯片的I/O引腳進行初始化。本設計中神經元芯片的11個I/O引腳分別與各計量表具連接，用以接收計量表具產生的脈沖。I/O引腳定義如表1所示。

表1 I/O引腳定義Tab.1 Pin definition

Neuron C語言是一種事件驅動的高級編程語言。在應用程序中，用戶需要定義當某一事件發生時執行相應的操作。當抄表采集器的I/O引腳上檢測到計量表具的輸出脈沖時，可以在脈沖的高電平、低電平、上升沿或下降沿進行脈沖計數。本文中，抄表采集器在脈沖的下降沿對計量表具產生的脈沖數進行累計。

在抄表采集器的軟件中，設置了定時器1和定時器2這2個定時器。定時器1的主要功能是將當前累計的各計量表具的數據備份到片外的存儲器，防止系統掉電時的數據丟失;定時器2的主要功能是更新各計量表具的網絡變量值。

2 LonWorks智能抄表系統

2.1 系統構成

LonWorks智能抄表系統主要由管理中心上位機、LonWorks-IP路由服務器i.Lon600、抄表采集器和計量表具等組成。系統結構如圖4所示。

圖4 系統結構圖Fig.4 System structure

管理中心上位機作為管理機，可實現小區遠程抄表、計費、打印等功能，可將其連接在Internet網絡上。i.Lon600是一個遵循EIA 852協議的LonTalk到IP的路由器，能將 Internet或任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作為本地或遠程傳遞LonWorks控制信息的通道，為遠程存取訪問LonWorks設備提供了一個可靠的、安全的Internet通道。LonWorks網絡傳輸介質選用雙絞線。每個抄表采集器最多可外接11個計量表具。

管理計算機管理中心的上位機可查詢小區內任一住戶的水表、電表和氣表的當前讀數和歷史記錄;對用戶每月消耗的水、電、煤氣的用量進行統計、計費、交費管理和歷史數據查詢;對欠費用戶進行自動打印欠費通知單。同時，管理計算機還可以通過LonWorks控制設備，對水、電、煤氣實現遠程開關控制，便于有效管理水、電、煤氣的供給。

Echelon公司為創建和維護LonWorks設備網絡提供了一套功能豐富的集成工具——LonMaker集成工具。LonMaker集成工具以Echelon公司的LNS網絡操作系統為基礎，集成了功能強大的客戶-服務器體系結構和Microsoft Visio界面，用于設計和啟動分布式Lon-Works控制網絡。LNS DDE Server軟件包允許任何DDE或者SuiteLink相兼容的Microsoft軟件。

Windows應用程序監視和控制LonWorks網絡而無需編程，如與人機界面應用程序、數據記錄和趨勢分析應用程序以及圖像處理顯示的接口。同時，與DDE相兼容的 Windows應用程序，通過建立 LNS和 Microsoft DDE協議的連接，可以和LonWorks控制設備進行交互網絡變量、配置信息和應用程序消息等。上位機軟件可采用組態王、VB或VC等軟件進行編寫，包括人機界面、通信功能和數據處理等。

2.2 上位機監控軟件

管理中心上位機監控軟件采用組態王進行設計。監控軟件的設計過程主要包括以下5個方面。

①利用LonMaker軟件組建LonWorks控制網絡，并與Internet網絡集成。

②運行LNS DDE Server軟件，組態軟件的通信驅動程序配置中選擇DDE方式，監控軟件作為一個DDE客戶程序，通過驅動程序向LNS DDE Server請求數據，實現與抄表系統采集器的數據交換，從而監控整個LonWorks網絡。

③設計監控軟件操作界面，組態王提供了功能比較豐富的界面設計控件，便于開發人員設計友好的操作界面。

④數據變量設計，將組態軟件中的內存變量和I/O變量等與LonWorks抄表采集器的輸入輸出網絡變量和I/O端口建立連接。

⑤編寫程序，主要包括定時子程序設計、抄表采集器數據預處理、界面動畫的變量處理等。

上位機監控軟件操作界面分為主界面和查詢界面。其中，主界面可實現對每個住戶的水表、電表和氣表實際數據的抄讀;查詢界面可實現對每個住戶的水表、電表、氣表在各個時段的數據、費用、欠費和報警記錄的查詢。

2.3 系統主要功能

本文設計的智能抄表系統具有以下幾個主要功能：①抄表系統由管理上位機和抄表采集器、控制器、路由器組成數據采集/控制網絡，采用自由拓撲網絡結構，以雙絞線作為控制網絡通信介質;②在管理上位機上可以實現對每個住戶的水表、電表和氣表實際數據的抄讀;③可以按照不同時段的收費率，分別計算每個住戶每月水、電、氣的峰谷時段費用;④查詢每個住戶當前數據和歷史記錄;⑤對于欠費的用戶，可以暫時關斷水、電、煤氣的供給，當用戶交費后，再恢復供給;⑥報警。

3 結束語

傳統的人工抄表方式效率低下，可能出現讀數和記錄錯誤，而且存在一定的安全隱患，不能滿足當前智能社區系統發展的要求。本文結合LonWorks現場總線技術和以太網通信技術，設計了抄表采集器的硬件與軟件，并建立了基于LonWorks技術的智能抄表系統，實現了小區內分散的水表、電表、煤氣表等計量表具的實時數據讀取、費用計算和歷史數據查詢等功能，

具有較強的工程實用性。

[1]侯葉，郭寶龍.LonWorks監控系統的結構研究[J].自動化儀表，2007，28(3)：43 －45.

[2]董健，常正躍.智能水表及遠程集中抄表的現狀及發展趨勢[J].中國住宅設施，2003，14(2)：31 －32.

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[5]馬莉.智能控制與Lon網絡開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：2 －4.

[6]劉鑫榮，吳向前.由Lon和RS485總線組成的自動抄表測控網絡[J].自動化儀表，2007，28(8)：19 －22.

[7]陳玉華，徐建俊，高安邦.基于Internet的LonWorks網絡控制方案的研究[J].電腦學習，2007(6)：3 －4.