基于Lonworks技术的远程自动抄表系统

摘要：介绍LonWorks总线电力线数据传输远程自动抄表模块的设计，以及由自动抄表模块构成的智能小区抄表系统的结构和功能。 关键词：LonWorks总线 微控制器 远程抄表 前 言 目前我国普通采用水表、气表、电表人工入户抄表收费方式，这样给用户及秒表人员都带来很多麻烦。随着科技的发展，特别是智能小区、高层住宅小区的出现，传统的抄表方式已经不能满足居民的要求。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端，提高工作效率，自动抄表系统将是最好的解决方案。 LonWorks总线技术由于其优良特性，已经成为实际上的现场总线推荐标准。LonWorks的网络拓扑结构具有很大的灵活性，通过多种收发器提供各种典型的拓扑结构，如总线型、星型、环型、混合型等，不同的通道之间网络信息以路的器作为通信桥梁。使用路不但可以实现不同通信介质之间的数据传输，还能改善网络的响应时间和安全性能。 欧宇公司开发的远程自动抄表模块基于LonWorks技术，采用电力线传输数据，可以实现住户的煤气表、水表、电表读数的自动抄录，并具有联网功能。在小区的管理微机上或通过市话网实现远程查询抄录数据。 一、LonWorks自动抄表模块（节点）及系统工作原理 LonWorks网络上的每个测控单元称为LonWorks智能节点。每个智能节点使用了一块LonWorks主控制模块。LonWorks主控制模块是智能节点的基本构成单元，它以Neuron芯片为核心，同时包括收发器、地址译码电路、复位电路、晶振电路及EPROM等。主控制模块通过固件完成LonTalk协议的数据传输，并通过事件调度完成用户定义的各种计算、I/O事件处理及网络报文处理等功能。LonWorks节点的示意图如图1所示。主控制模块用于通信和控制：微控制器89C51实现对输入/输出数据的处理及驱动功能，在抄表模块中主要是对脉冲输入信号的计数，并完成与主控制模块的数据传输。主控制模块中的收发器负责将节点连入网络，不同的通信介质要求采用相应的收发器：在抄表模块中，可以采和FTT-10A收发器，适用于双绞线介质；或采用PLT-22收发器，适用于电力线通信介质。 自动抄表系统以LonWorks现场总线技术为基础。系统由下面几部分组成：计算机、抄表管理软件、数据集中器、抄表节点模块、中继器、Modem、水电气脉冲表等。 抄表模块实时采集各路脉冲表脉冲输出信号， 并将脉冲数累计存放在抄表模块RAM内，根据设定的分段时间及当前时刻，将采集到的数据累计到不同的时间段上，实现分时段计数。抄表模块存储器具有掉电保护功能，防止掉电丢失脉冲累加值。数据集中器具有较大容量的存储器，能存储200个抄表模块的数据。集中器反复轮询采集各抄表模块的数据并将其存在集中器的相应内存中。集中器自动过滤非法数据，对通信异常进行相应处理，保证在集中器保存一份抄表网络所有抄表模块的数据。自动抄表系统具有数据采集模块多且分散、数据传送实时要求不高以及要求每个传送接收的数据不能出错等特点。当上位计算机进行数据采集时，可从集中器保存的数据直接发回给计算机，不需要直接从抄表模块读取抄表数据。由于数据通信不需要进行协议转换，通信速度较快，即使在遇到LonWorks网络出现通信异常情况，也能将数据迅速发回主机。 LonWorks神经元芯片程序分为两个部分：一部分为应用程序，另一部分为网络映像。应用程序决定模块的功能；网络映像决定模块网络与其他模块连接关系。安装方式可用两种：一是预安装方式，一是现场安装方式。 预安装方式：LonWorks控制网络功能很丰富，但具体到抄表系统而言，系统只用部分功能，而且功能相对固定不变，其模块之间的网络连接关系可以预先确定。根据这种情况，把原来用LonMake来配置的参数改为通过主机命令方式来配置。所有抄表模块的出厂前预装好程序并完成必要的配置，标识好模块编号。这样模块到现场后不需要用LonWorks软件进行安装。采用预安装方式，用户可不必了解LonWorks有关知识就能完成抄表系统的安装。 现场安装方式：采用这种安装方式要求安装人员到现场用LonWorks软件对模块逐个建立网络映像，并将网络像下载到每个抄表模块。这种配置灵活，抄表模块可以与多种LonWorks模块共享一个网络并相互交换数据。采用现场安装方式进行配置系统能充分利用LonWorks控制网络的各种功能，但对工程公司有较高要求，需要对LonWorks网络有较深认识。 抄表模块的设计要解决以下问题： （1）抄表模块能适应各种脉冲表输出，能正确采集脉冲信号并能检测信号连线断路或短路等异常情况。 （2）解决电力线通信距离的限制及可靠性。 1.自动抄表模块的硬块设计 该模块专门用于水表、电表和煤气表的自动抄录。每个模块可以直接抄读24个脉冲输出型表。在脉冲监测部分，采用了终端电阻匹配方法及A/D技术，将脉冲采集转化为对模拟量的采集，再分析其A/D采样值，就可以识别脉冲表的状态，并检测到线路的通断状态。 LonWorks总线主控制模块与89C51的通信采用同步串行I/O方式，使用Neurowire主控方式，即由主控制模块驱动同步时钟输入及片选信号输出，89C51接收同步时钟输入。主控制模块中Neuron芯片的IO8引脚输出同步时钟；IO9引脚是串行数据输出；IO10引脚为串行数据输入；选择IO5引脚作为片选信号输出。89C51采用中断的方式传输数据，并在协议帧中加入校验码，以保证通信数据的正确性，如图2所示。 采用双CPU技术设计的抄表模块具备以下功能： （1）同时采集24路脉冲表，可支持单触点、双触点、电平输入多种输入方式；可同时支持三种不同的脉冲表。 （2）具有脉冲表连线断线、短路检测功能。 （3）能采集脉宽>10ms的脉冲信号。 （4）模块具有内部时钟，可进行分时段计费。 （5）具有掉电保护电路，保证停电时计数数据不丢失。 （6）由计算机下载数据，进行初始设置，并由计算机查阅各种数据。 （7）具有低电压检测电路，电压低于一定值时，向计算机报警。 （8）具有清零开关，模块在使用前将所有计数器清等。 （9）模块能向外部提供12V/100mA或5V/100mA电源。 （10）供电采用AC220V电源，方便用户使用。 （11）可接蓄电池，使用12V/7AH蓄电池，能供模块工作2天（不含向外部供电）。 2电力线通信 电力线通信是将数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V或其他直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。这样做的好处是利用已有的电力线进行数据通信，大大减少了通信中遇到的繁琐的布线。LonWorks电力线收发器提供了一种简单、有地的将神经元节点加入到电力线中的方法。 电力线上通信的关键是：如何保证在电力线上长距离通信可靠。在电力线上通信存在以下问题：电力线间歇性噪声较大（某些电路启停、运行都会产生较大的噪声）；信号衰减很快；线路阻抗经而波动。这些问题使通过电力线的通信非常困难，而采用新型的PLT-22电力线收发器是目前比较好的解决方案。 PLT-22收发器是一种高性能的电力线收发器，但是在实际应用中要解决通信距离和三相电力线耦合问题。 在电力线上通信的节点数量只受LonWorks网络限制，通信距离由信号的衰减和电力线上的噪声决定，网络结构属于自己拓扑结构。要延长电力线通信距离可以采用两种方法： （1）增强电力线通信信号输出强度； （2）在电力线上增加中继器。 采用方法（1）需要增加电力线信号放大器PLA21。目前，这种放大器价格比较贵，采用放大器的节点成本也相对较高，只适于比较重要或关键的节点，如在数据集中器中使用； 不适用于在抄表模块中使用。 电力线通信网络结构属于自由拓扑结构，但是在一个电力线网络上某相所有线路是连在一起的。从通信通道逻辑看一个电力线网只存在一个通信通道，不能从物理将其分开成两个独立的网段，因此，不能用普通的中继器来延长其通信距离。普通的中继器适用于将物理上不相连的网络连接起来，如将两个不同变压器输出的电力线连接成网络。对于网一相要延长其通信距离，则要采取其他措施。在本抄表系统中，成功地采用了一种软中继的办法。其原理是利用一个节点做中继节点。该节点接收到指定B、C三个节点在电力线上，其中A与B、B与C能正常通信，A与C不能正常通信。利用B做中继，A若要与C进行通信，A发报文给B，B再将报文发给C，这样就实现A与C的通信。 基于以上描述，并要求系统安装配置方便，将抄表模块分成了三种不同类型。每类模块除能正常采集24路脉冲电表外，还能做软中继使用。每类模块具有不同的中继功能，目的是防止信息包形成环路，造成信息不断在网络上传送的情况。其连接关系如图3所示。 （1）集中器能与所有模块通信。 （2）中继1能将从集中器收到的信息传给中继2和中断3；将从中继2或中继3收到的信息传给集中器。 （3）中继2将从集中器或中继1收到的信息传给中继3；将从中继3收到的信息包传给中继1和集中器。 三相电力线通信：对于抄表系统来说，所有抄表模块与数据集中器进行通信，抄表模块之间不需要进行通信。因此只要在集中器中装1个三相电源耦合器，其余抄表模块为单相电源耦合就能实现在三相线上传输抄表数据。 电力线抄表系统以变压器为单位。每个变压器低压电网为一个独立通信网络，不同变压器输出低压网络之间不进行通信。系统由数据集中器、中继模块及抄表模块构成，如图4所示。 数据集中器在使用前需要进行模块号注册。集中器注册是指上位机将集中器需要采集抄表模块的所有编号下载到集中器。一个网络可安装多个集中器模块，当集中器注册模块不同时，则集中器采集不同抄表模块数据。这种设置可以在系统中抄表模块数量大于集中器最在采集模块数量时使用。当集中器注册的模块号相同时，则集器采集相同的抄表模块数据。这样的设置可用于对数据进行备份。 二、自动抄表系统结构与功能 小区管理中心使用一台PC机作为管理机，实现小区远程抄表和计费打印等功能。在计算机内插上LonWorks网卡-PCLTA。将计算机连入小区抄表LonWorks网络，传输介质采用电力线。每个抄表模块最多可带24块计费表。管理计算机可随时查询任一住户的水表、电表和媒气表的读数；对用户每月消耗的水、电、媒气用量进行统计、费用计算、交费管理；对欠费用户自动打印欠费通知单。通过LonWorks总线控制节点还可以对水、电、媒气实现远程开/关控制，方便实施对水、电、媒气供给的有效管理。 结合相应的管理软件，该系统具有如下功能； （1）自动抄表系统抄表模块组成二级网络，使用电力线或双绞线作为传输介质，采用自由网络拓扑结构，在管理微机上可以实现小区每位住户的水表、电表和煤气表的抄读。 （2）实现远程控制，可在管理中心对三表实施关断或开启。当发生灾害时，管理中心代用户关断煤气或供电，减少安全隐患；当发生欠费或违章事件时，可通过网络实施关断水、电、煤气的供给，强化收经遇管理及违章处理。 （3）具有煤气泄漏报警、抄表通信中断、传感器断线和短路、煤气阀门工作不正常、电池欠压等情况报警功能，并可记录报警历史数据。 （4）在管理微机上能够查询小区内每一个计量表实时读数。 结束语 近年来，LonWorks技术的应用在我国得到迅速发展，国内外众多的系统集成商积极参与开发LonWorks智能节点的使用。目前，LonWorks技术产品已经广泛地应用于智能建筑、工业控制、电力自动化、安全防范等领域。 我们开发生产的基于LonWorks技术自动抄表系统已经成功地在实际工程中得到了应用，运行状况良好。自动抄表系统的实施，提高了小区管理的智能化水平，提高了居民的舒适安全性及管理效率，给人们的生产和小区的管理都带来了很大的便利。