远程抄表系统集中器的设计与实现

王宏文，韩振磊，郝春华

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

针对人工抄表工作量大、效率低下、漏抄误抄率高、实时性差、可靠性低、无法及时发现现场故障等不能满足现代化和信息化的要求[1]，抄表不需人力，仅依靠网络和计算机快速而准确地完成远程无线集中抄表将成为发展趋势。设计一套成本低廉、布线简单、安装方便、维护费用低、运行稳定的自动抄表系统将起到节省人力、提高抄表效率和经济效益的作用。本设计已在2014年4月正式投入使用。

1 远程抄表系统构成

一套完整的远程抄表系统自上而下包括上位机、集中器、采集器、热量表，其结构如图1所示。

远程抄表系统自上而下采用主从式机构，只有主站才能发起通信，从站只能应答。上位机软件运行在服务器上，由它定时发出抄表命令或设置信息，通过GPRS网络与集中器进行通信。管理员可通过链接互联网的PC机浏览抄收的数据信息和对系统下发命令。

图1 远程抄表系统结构框图Fig.1 Remote meter reading system structure

项目中一般一个楼栋只安装一个集中器，安装集中器的单元不安装采集器，其余每个单元均安装一个采集器，集中器既有采集器的功能又有采集其他采集器数据上传到服务器的功能。集中器通过RS485总线连接若干个采集器和热量表[2]。集中器依据采集器和热量表独一无二的地址信息顺序统一抄读。其中集中器与其所在单元的热量表和集中器与采集器间采用同一条RS485总线，各个单元的采集器和其对应单元的热量表间采用不同的RS485总线形式并联起来。

2 集中器的硬件结构

集中器是连接各用户的智能热量表和控制中心的关键环节，起到承上启下的作用。其主要功能是完成数据信息的采集、管理、存储和上传[3]。集中器的硬件结构包括数据通信接口、存储设备和电源模块。其设计结构如图2所示。

图2 集中器硬件设计Fig.2 Design diagram of concentrator hardware

（1）集中器的通信功能：采用单片机STM32F103的USART1控制M-Bus主站采集楼栋大热量表数据信息。USART2连接RS485总线采集用户数据和采集器数据。USART3作为显示接口，用于显示系统的时间等配置信息。UART4连接组态软件，安装完毕后系统需通过此接口进行配置信息的输入和维护时通过此接口查看系统的运行状态。UART5通过RS232与DTU GPRS模块相连接，作为采集数据上传的通信接口。

（2）集中器存储功能：STM32F103单片机内部有64 K的RAM，作为采集数据的存储区，有512 K的FLASH，除了程序所占的存储空间外可开辟2 K的配置信息存储区，单片机外设配有4G的SD卡作为异常信息的存储和采集数据的备份区，在上位机出现故障时可作为系统数据信息的重要依据。

（3）集中器的电源部分：电源部分由电源模块和电源转换芯片组成，其组成框图如图3所示。

图3 电源组成框图Fig.3 Block diagram of power

M-Bus主站正常工作需要-24 V和+12 V的稳压电源，M-Bus主站发送数据时，总线压差36 V表示逻辑“1”，压差 24 V 表示逻辑“0”，采用金升阳带隔离DC-DC模块，其输入范围为18 V～40 V，输出电压为24 V或12 V，将2个模块的输出叠加可以满足要求[4]。DTU模块需要+12 V的直流稳压电源供电，采用LM2575-12组成的稳压电路可满足要求。RS485总线和LCD屏正常工作电压是+5 V，采用LM2575-5组成的稳压电路可满足要求。

3 集中器的软件设计

本系统软件设计采用状态机模式，集中器的任务调度依靠RTC分时完成，提高了系统的实时性。状态机模式如图4所示。

集中器程序设计时把整个系统分成了6个任务，分别为实时接收组态软件配置信息、采集解析楼栋大热量表数据、采集各户热量表数据、采集各单元采集器数据、定时上传采集数据到网络服务器和定时存储异常信息和采集数据到SD卡[5]。集中器软件设计主流程图如图5所示。

图4 集中器软件设计模型Fig.4 Design model of concentrator software

图5 集中器软件主流程图Fig.5 Main process diagram of concentrator software

集中器程序设计时把系统的主任务都分配状态标志位，然后把每个主任务分成若干个次级任务，同时也分配相应的状态标志位。主程序执行过程是每执行完一个次级任务都会返回到状态标志位的查询状态，这样保证系统任意任务都能机会平等地占用CPU资源，保证系统响应的实时性。状态标志位一般由RTC、上位机和组态软件触发产生。

4 集中器数据传输协议

本设计中，数据传输协议分为物理层、数据链路层、网路层和应用层。在数据链路层，数据信息是以帧形式传输的，每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、CRC校验码和结束符7部分组成。下行通信都是集中器主动发出命令帧开始的，被选择的热量表或者采集器根据命令帧的要求做出响应[6]。通信中为了防止通信失败，必须建立命令重发机制，重发次数最多为3次。帧是数据传送的基本单元，发送和响应帧格式如表1所示。

表1 数据帧格式Tab.1 Data frame format

5 结语

本文提出的远程抄表系统中集中器的设计方案能满足多种仪表的自动化管理，如水表、热量表、电表和燃气表等均可采用本设计。由于本设计安装简便、成本低廉、维护费用低、运行费用少、产生的经济效益和社会效益显著，极大地促进了我国热计量系统的改造。本系统具有多种总线型接口，软件稍加改造就可应用于物资管理、医疗监控、消防安全等行业，因而其具有广阔的应用前景。

[1] 王富斌.短距离无线通信技术在抄表系统中的应用[D].济南：山东大学，2009.

[2] 王晓兰，谭文忠.基于仪表总线的嵌入式接口设计[J].仪表技术与传感器，2004（6）：43-47.

[3] 郜焕平.基于模糊产生式规则的智能管理模型及其应用[J].现代制造工程，2005（11）：29-30，86.

[4] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：196-212.

[5] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6] 闰德光，谢军龙，戴汝平.M-BUS二线制总线[J].自动化仪表，2003，24（3）：33-36. ■