小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

曾仕途

摘 要：計(jì)量表是我國水、電、燃?xì)狻崃渴褂昧坑?jì)量的主要設(shè)備，目前我國許多地區(qū)在水、燃?xì)狻崃渴召M(fèi)方面仍需要通過人工抄表的方式來進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)，這種方式不僅工作量巨大、效率低、成本高，同時(shí)也會因一系列人為不確定因素產(chǎn)生計(jì)量差錯(cuò)，給用戶帶來不便，因而已不能與我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展形勢相適應(yīng)，采用更加智能高效的四表集中抄表方式具有很大的必要性。

關(guān)鍵詞：小區(qū)；智能化集中抄表系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

傳統(tǒng)人工抄表方式所面臨的最大挑戰(zhàn)來自于用戶分散性，一般情況下一家能源供應(yīng)公司所覆蓋的服務(wù)范圍往往包含許多小區(qū)，所包含的用戶數(shù)量更是十分龐大，人工抄表要挨家挨戶進(jìn)行，不僅抄表員體力上難以承受，同時(shí)整體效率也難以提高。而利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，設(shè)計(jì)適合的小區(qū)智能化四表集中抄表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)抄表作業(yè)簡化，對于提高抄表效率、質(zhì)量，提高計(jì)量管理水平有著重要的意義。

1 小區(qū)智能化抄表系統(tǒng)工作原理

1.1 智能電表

智能電表系統(tǒng)主要是采取現(xiàn)代通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與信息監(jiān)控的功能，整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)關(guān)鍵性部分，即電表節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及服務(wù)器站點(diǎn)。電表節(jié)點(diǎn)通過裝配的短距離通信模塊，將電表相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至臺區(qū)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（集中器）上，以進(jìn)行抄表及信息交互。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則是小區(qū)內(nèi)智能電表系統(tǒng)各組成電表設(shè)備及服務(wù)站間實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交互與傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，是連接電表節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器站點(diǎn)的重要紐帶與通訊渠道，其主要組成包括三個(gè)部分，即下行通信模塊、GPRS模塊和MCU。基于現(xiàn)代通訊技術(shù)的運(yùn)用，智能電表系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速的信息交互，并且可以同時(shí)完成大量信息的處理與獲取，在提高抄表工作效率的同時(shí)，也降低了成本。

1.2 智能水表

智能化水表系統(tǒng)是將傳統(tǒng)機(jī)械水表計(jì)量的葉輪裝置與電子信號感應(yīng)裝置相結(jié)合，根據(jù)葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生電信號與用水量之間的比例關(guān)系，準(zhǔn)確對用水量進(jìn)行計(jì)量，并以電子信號的形式通過信號發(fā)射裝置進(jìn)行傳輸，這也就為遠(yuǎn)程用水量數(shù)據(jù)傳輸與測抄提供了可能。在此基礎(chǔ)上，配合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而提高抄表作業(yè)及水表數(shù)據(jù)管理的整體效率。智能化水表可選用抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長的新型傳感器，數(shù)據(jù)計(jì)量更準(zhǔn)確、可靠；采用遠(yuǎn)距離傳輸裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)統(tǒng)一傳輸至總服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，降低抄表工作量，提升管理水平。

1.3 智能氣表

接入智能四表集抄系統(tǒng)的為遠(yuǎn)傳燃?xì)獗恚渚哂谢肀頂?shù)讀取和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，通過數(shù)據(jù)傳感采集器讀取基表表數(shù)，并將讀取的表數(shù)通過有線或無線通信方式向表外發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)信號可經(jīng)室外的中繼器、集中器或無線遠(yuǎn)傳POS最終送至燃?xì)夤镜南鄳?yīng)收費(fèi)管理系統(tǒng)，從而完成有線自動(dòng)或無線遠(yuǎn)傳POS抄表，由燃?xì)夤镜氖召M(fèi)管理系統(tǒng)完成用氣量計(jì)算和扣費(fèi)結(jié)算。

1.4 智能熱量表

除日常水、電、燃?xì)庑枰?jì)量表進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)量和采集外，熱量供給也需要相應(yīng)的計(jì)量表進(jìn)行供熱數(shù)據(jù)的監(jiān)測與計(jì)量。智能熱量表所計(jì)量的主要是相應(yīng)供暖區(qū)域內(nèi)消耗的熱量值，其所采用的計(jì)量裝置包括流量計(jì)、溫度傳感器及積分儀等，通過這些裝置采集相應(yīng)的溫度及流量信息，并通過熱量系數(shù)和介質(zhì)密度等對其熱量值進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，利用所配置的微處理芯片和低功耗通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸完成抄表作業(yè)。

2 集中抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 集中器硬件設(shè)計(jì)

集中抄表系統(tǒng)由分散分戶抄表向集中抄表的轉(zhuǎn)變主要是通過集中器來實(shí)現(xiàn)的，其以中間站（網(wǎng)關(guān)）的形式連接主站與用戶終端，對用戶各種計(jì)量表數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集、儲存以及傳輸，并能夠按照主站所發(fā)出的命令對用戶計(jì)量表進(jìn)行設(shè)置與集中管理。

2.1.1 集中器工作原理

主處理芯片STR710FZ2通過與各通訊口的通訊，完成與外設(shè)和從處理芯片數(shù)據(jù)的交換及處理；設(shè)置數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)等保存在FLASH、FRAM、SRAM等存儲器中；通過遙信/脈沖接入口，獲取開關(guān)或電能表脈沖信息；時(shí)鐘芯片采用EPSON公司的串行時(shí)鐘芯片RX8025。

2.1.2 集中器硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

采用獨(dú)特的數(shù)據(jù)壓縮、寬頻傳輸技術(shù)和自適應(yīng)跟蹤，軟件自動(dòng)路由通訊技術(shù)，硬件實(shí)時(shí)中繼技術(shù)，抗高壓保護(hù)技術(shù)，并采用冗余校驗(yàn)糾錯(cuò)技術(shù)，有效克服了低壓電網(wǎng)通信媒介的干擾強(qiáng)、信號衰減大等不足，大大提高通信成功率和數(shù)據(jù)可靠性。

采用模塊化設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理模塊、載波控制模塊、載波耦合接收和發(fā)射模塊、上行通訊模塊、顯示模塊、電源模塊等都采用模塊化設(shè)計(jì)，方便產(chǎn)品的檢測、維修更換及更新升級。

多種數(shù)據(jù)通訊方式混合組網(wǎng)，還可根據(jù)用戶不同通信條件，靈活配置上行通信模塊（選配不同插件模塊），支持GSM/GPRS、CDMA等通信方式，使終端具有更好的擴(kuò)展性；而且速度快，工作電流小，抗干擾性強(qiáng)，從而使得數(shù)據(jù)傳輸具有高可靠性。支持天線一體化，內(nèi)置、外置方式等不同選擇。

工業(yè)級設(shè)計(jì)。本終端CPU采用支持嵌入式操作系統(tǒng)平臺的32位ARM處理器，實(shí)時(shí)運(yùn)算處理能力強(qiáng)。配有不掉電工作RAM和高性能CPU監(jiān)控芯片，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠。

多種可靠性設(shè)計(jì)手段。各種終端的電磁兼容性能優(yōu)良，能抵御高壓尖峰脈沖、強(qiáng)磁場、強(qiáng)靜電、雷擊浪涌的干擾；各功能模塊均采用了軟、硬件防誤跳設(shè)計(jì)，硬件看門狗電路及復(fù)位電路。

2.2 集中器軟件設(shè)計(jì)

集中器軟件主程序是對集中器各個(gè)模塊要完成的任務(wù)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，其主要有串口初始化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化設(shè)計(jì)、定時(shí)器初始化、存儲器初始化等外部模塊的初始化。

2.3 抄表網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

抄表網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)布線規(guī)劃的合理性，通訊平臺的選用具有著至關(guān)重要的意義，隸屬于OSI模型的RS485標(biāo)準(zhǔn)平臺即是一種相對較為適用的通信平臺，其在小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用具有著性價(jià)比高、數(shù)據(jù)傳輸快、通信距離遠(yuǎn)、噪聲控制能力強(qiáng)、共模范圍寬等一系列的優(yōu)勢，這也使得該通信平臺獲得了良好的推廣和應(yīng)用，但同時(shí)RS485平臺在布線規(guī)劃也面臨著一定的難題，即當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)數(shù)目上升至一定程度或不規(guī)則分布情況較多時(shí)，利用總線布線會變得較為困難，對此，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)間隔離，保持負(fù)載平衡并確保布線規(guī)劃的合理性也將成為影響整個(gè)集中抄表系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素。

2.3.1 RS485電氣規(guī)定

由于RS485僅僅規(guī)定了接收端和發(fā)送端的電氣特性，而沒有規(guī)定或推薦任何數(shù)據(jù)協(xié)議，因此用戶可以很方便地根據(jù)自己的需要制定出相應(yīng)的通信協(xié)議。RS485接口采用的是差分傳輸方式DDM（Different Driver Mode），抗共模干擾能力增強(qiáng)，具有較好的抗噪聲干擾性，而且傳輸距離遠(yuǎn)、信號傳輸速度快。

RS485接口的主要特點(diǎn)如下：

第一，支持多點(diǎn)通信；

第二，采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合傳輸；

第三，-7V～+12V總線共模范圍；

第四，總線最多可接32個(gè)單位負(fù)載；

第五，最大傳輸速率為10Mbps；

第六，最大電纜長度為1200M。

2.3.2 RS485傳輸距離

RS485的傳輸距離及速率通常受波特率因素影響，在通訊電纜為一般常用的標(biāo)準(zhǔn)0.56mm雙絞線的情況下，如出現(xiàn)電磁干擾問題以及總線接入過多設(shè)備時(shí)，會導(dǎo)致其通訊的最遠(yuǎn)傳輸距離縮短，當(dāng)然如通訊電纜的粗細(xì)程度也會對傳輸距離產(chǎn)生一定的影響，電纜越細(xì)最遠(yuǎn)傳輸距離則越短。相應(yīng)的在有效消除電磁干擾、總線接入設(shè)備合理或較少、更換較粗電纜的情況下也能夠使系統(tǒng)最遠(yuǎn)數(shù)據(jù)傳輸距離得到一定的延長。

2.3.3 影響RS485通信速率和可靠性因素

信號反射是影響RS485通信速率的一個(gè)重要因素，其造成原因主要來自于系統(tǒng)阻抗問題，即阻抗連續(xù)性問題和匹配性問題兩方面。其中阻抗連續(xù)性問題主要是由于信號在電纜線末端突遇阻抗消失或過小的情況，進(jìn)而引發(fā)信號反射，而應(yīng)對措施則是將一個(gè)與電纜特性阻抗相同的終端阻抗計(jì)入電纜末端，以提高阻抗連續(xù)性。阻抗匹配性主要是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率要求而決定的，一般情況下如數(shù)據(jù)傳輸要求不高則通常無需接入終端阻抗，而不合理接入還可能造成線路負(fù)載增加，影響通訊質(zhì)量，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率要求較高時(shí)，則需要通過調(diào)試合理接入終端電阻，應(yīng)確保輸出波形符合傳輸實(shí)際需要。

2.3.4 通信線路防雷措施

對于智能化集中抄表系統(tǒng)而言，雷擊同樣具有著較大的威脅性，集中抄表系統(tǒng)的通訊線路大都處在戶外環(huán)境中，如防雷措施不當(dāng)很容易遭到雷擊損害，致使芯片損毀。目前較為主要的防雷措施包括以下幾方面：

（1）采用金屬護(hù)管保護(hù)傳輸線；

（2）采用屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

（3）配置放電管排泄電路受雷擊所產(chǎn)生的過大電流；

（4）安裝保護(hù)電阻降低雷擊對主要部件的損害；

（5）配置瞬間過壓保護(hù)二極管防止瞬間過電壓造成的芯片損毀。

2.3.5 低壓電力線載波通信

電力線載波（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，是將高頻信號耦合到低壓電力線路上，實(shí)現(xiàn)載波通信的一種技術(shù)。目前較普遍應(yīng)用于電能表終端數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，也可用于低壓電器的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)、信號的傳送。低壓窄帶載波允許采用的頻段在9kHz～500kHz，不同頻段對應(yīng)的允許最大輸出電平在120～134dB（μV）之間。低壓電力線載波通信的可靠性會受到信號衰減、反射、駐波以及線路干擾（包括諧波干擾、脈沖噪聲、震蕩波、寬帶白噪聲等）的影響，一般情況下如果終端離集中器較遠(yuǎn)、線路干擾強(qiáng)時(shí)，應(yīng)采用自組網(wǎng)的自動(dòng)路由技術(shù)，也可以中間加中繼器進(jìn)行信號同步放大，或者采用載波和其它通信方式如有線、小無線、ZigBee等進(jìn)行混合組網(wǎng)的方式，來有效提高抄表的成功率和實(shí)時(shí)性。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)中涉及大量需記錄和處理的信息內(nèi)容，合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是保證信息處理與系統(tǒng)管理有效性的關(guān)鍵，集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息存儲與管理主要是通過數(shù)據(jù)表來實(shí)現(xiàn)的。

3.1 小區(qū)及業(yè)主

小區(qū)與業(yè)主的關(guān)系可以首先通過小區(qū)建筑結(jié)構(gòu)關(guān)系來進(jìn)行分析，即小區(qū)>樓宇>單元>套戶，上一級包含下一級，在數(shù)據(jù)表上相鄰兩表也呈現(xiàn)出相應(yīng)父子表關(guān)系，實(shí)際小區(qū)中業(yè)主與套戶并非一對一的關(guān)系，業(yè)主可同時(shí)擁有多套住宅、同一住宅也可經(jīng)歷多個(gè)業(yè)主，基于此，最終小區(qū)、業(yè)主、套戶之間會形成多對多的關(guān)系，需要利用關(guān)系表來表達(dá)。

3.2 計(jì)量表及讀數(shù)

由于住戶正常生活所需要的資源是多方面的，水、電、氣、熱都要有相應(yīng)的表來計(jì)量，因此套戶與計(jì)量表存在著一對多的關(guān)系，但每個(gè)計(jì)量表的讀數(shù)只表示一種資源的使用信息。小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫既要統(tǒng)計(jì)具有自動(dòng)抄表功能的計(jì)量表數(shù)據(jù)，同時(shí)也要對各類非自動(dòng)抄表計(jì)量表的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄管理，因此，在計(jì)量表中使用了字段類別來標(biāo)識該計(jì)量表的抄表方式。

3.3 收費(fèi)項(xiàng)目及收費(fèi)信息

根據(jù)資源類型的不同，其收費(fèi)項(xiàng)目與收費(fèi)方式也不同，對于單一項(xiàng)目的計(jì)費(fèi)公式可概括為：參數(shù)x時(shí)間x單價(jià)x比例+附加額，其中參數(shù)選取實(shí)際收費(fèi)項(xiàng)目的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，比例主要是指相應(yīng)給出的折扣比例系數(shù)，附加額則是指相應(yīng)的收費(fèi)優(yōu)惠或最低額度等，在此基礎(chǔ)上將項(xiàng)目與套戶關(guān)聯(lián)。為方便管理，可引入收費(fèi)類型的概念，收費(fèi)類型是指針對一個(gè)套戶所包含的收費(fèi)項(xiàng)目和收費(fèi)公式的集合。

3.4 系統(tǒng)用戶及權(quán)限

系統(tǒng)用戶與權(quán)限是相互對應(yīng)的，只有用戶獲得相應(yīng)權(quán)限才能進(jìn)行相應(yīng)的操作，權(quán)限是區(qū)分系統(tǒng)用戶可執(zhí)行操作的分級標(biāo)準(zhǔn)，在集中抄表系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)有效的權(quán)限管理，引入了角色概念，即將擁有相同權(quán)限的一類用戶總體劃分為一個(gè)角色，并根據(jù)需要進(jìn)行分組，通過口令驗(yàn)證與系統(tǒng)編碼，實(shí)現(xiàn)對用戶角色及組別的區(qū)分管理。

結(jié)論

小區(qū)智能化集中抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能夠有效地提高小區(qū)各項(xiàng)生活能源計(jì)量及管理的效率，也能夠大大減輕抄表員的工作壓力，對于現(xiàn)代化城市小區(qū)建設(shè)而言具有著重要的推動(dòng)作用，加強(qiáng)對智能化集中抄表系統(tǒng)的技術(shù)完善，對于促進(jìn)社會發(fā)展，方便小區(qū)居民生活具有著十分積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳偉強(qiáng).淺談供水企業(yè)的智能化抄表收費(fèi)管理技術(shù)建設(shè)[J].科技與企業(yè)，2015（13）.

[2]羅浩，康一梅.ARM處理器的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（09）.

[3]唐志津，陶宇.基于電力線載波和GPRS的智能變電站抄表系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表用戶，2011（01）.

[4]邱影，張威然.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的水表遠(yuǎn)程抄收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技傳播，2011（21）.

[5]吳偉.光電傳感器在智能水表中的應(yīng)用[J].科技視界，2013（12）.

[6]GB/T31983.11-2015，低壓窄帶電力線通信第11部分：3kHz～500kHz頻帶劃分、輸出電平和電磁騷擾限值[S].