基于METER—BUS总线的数字抄表集中器设计

李学敏　杨丹红　杨盛琼　邓晓光

摘要：目的：研究一种新型的数字抄表集中器，与传统集中器相比，该集中器单台能挂接更多的水表，工作更稳定。方法：分析传统集中器的工作原理，集中器中的调制解调电路决定了其挂接水表的数量，研究传统集中器中的调制解调电路，总结其特点，结合METER-BUS总线技术对传统集中器做出改进以使其能挂接更多的水表。结果：（1）利用水表测试台分别对传统集中器和新型集中器进行测试，发现新型集中器能挂接更多的水表；（2）测试分为四组，让传统集中器和新型集中器分别挂接40只、60只、80只以及100只水表，新型集中器的抄表成功率能达到98%，传统集中器的抄表成功率只能达到50%。结论：通过对传统集中器的调制解调电路的研究和改进，新型集中器能挂接更多的水表，抄表成功率更高。

关键词：集中器；METER-BUS；智能抄表；抄表成功率

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）10-0078-03

近年来随着信息技术的迅速发展，各级水电管理部门的信息化程度都有了很大的提高，同时仪表集抄的模式也有所发展，目前主要有下列三种抄表方式：1）人工抄表；2）IC卡计费抄表；3）总线制集中抄表[1].方式1和方式2中，存在漏抄、误抄以及阀门更换困难等问题，给抄表管理工作带来很大障碍[2]；方式3中，总线制集中抄表可随时抄到用户表计信息，操作简单，可及时了解用户用量。在总线制集中抄表系统中，又分为有线抄表系统和无线抄表系统，无线抄表系统尚处在试行阶段，可靠性有待进一步验证[3].目前最主要的抄表方式为有线抄表，RS-485总线技术曾经主导这一领域的应用，但目前已经不能适应大量集中抄表网络的需要，主要表现在：RS-485的通讯设备容量少，通讯速率低，不能应用于长距离户外通讯，不能给从设备供电，同时RS-485芯片功耗较大且布线复杂，给管理和调度带来不必要的麻烦[4].随着METER-BUS总线技术的出现，RS-485总线技术在仪表集抄领域逐渐被淘汰，而基于METER-BUS总线技术抄表系统中的关键环节在于抄表集中器的带负载能力，即单个集中器能带仪表的数量，市面上现有集中器的带负载能力有限，这也使得现有抄表系统的成本居高不下，为了克服上述缺点和适应当前信息化发展的要求，我们研发了一种新的基于METER-BUS总线技术的抄表集中器。

1 系统方案设计

系统采用METER-BUS总线拓扑网络结构，该网络从系统构架上分为两部分：METER-BUS主机和METER-BUS从机.系统框图如图1所示：

如图1所示，集中器在整个网络系统中起承上启下的作用.集中器有2个通信端，一端是串口，与上位机（PC机）通信，另一端是METER-BUS总线接口，与下行的线号器或仪表通信。集中器将上位机的抄表命令转换为METER-BUS协议命令通过调制的方式下发到仪表，然后通过电流解调的方式接收仪表的信息，将它转换为串口电平信号上传给上位机。系统中，集中器、线号器以及仪表都有自己的地址，上位机以点名的方式抄读仪表的数据信息。在默认状态下，所有的线号器处于关闭状态，集中器与仪表断开连接，当收到上位机下发的抄表命令时，集中器命令挂接即将抄读仪表的线号器闭合，即可实现集中器与仪表联通，而其他不需抄读的仪表暂时与集中器断开，线号器在系统中的作用相当于一个开关.从网络拓扑结构中可以看出，整个抄表系统能挂接的仪表数取决于集中器的带负载能力。

1.1 集中器硬件设计[5]

如图2所示，集中器在整个抄表系统中主要起到数据信息转发的作用，有两个通信口，一个与上位机通信，另一个与下行的仪表通信.电源支持无极性转换，方便施工安装，集中器的CPU接收到了上位机的抄表命令后，就通过下行电压调制将命令下发到仪表，然后通过上行解调的方式接收来自仪表的数据信息，为了防止雷击以及增强系统的抗干扰性，与上位机之间采用高压隔离设计，与表计之间采用继电器隔开，只在抄表的一瞬间上电，其他时段都断开继电器从而断开了集中器和仪表之间的物理连接以达到防止线上串扰.本集中器设计的创新点在于上行电流解调电路的设计，与传统集中器对比，本集中器的带负载能力更强。如图3所示，上行电流解调电路由电压基准电路、高通滤波电路、放大电路及比较器电路四部分组成.上行解调电流经电阻采样变成电压信号，该电压信号包含动态负载的交流电压成分和静态负载的直流电压成分，随着集中器挂接的负载增加，直流电压成分也增加，当该直流成分增加到一定值，经过放大器放大会导致放大器饱和不正常工作，这也严重影响了集中器的带负载能力.本集中器在此处对传统集中器的解调电路进行了改进，将取样电压信号中的直流电压成分通过高通滤波电路滤除，滤除直流电压成分后，放大器的工作参考点直接为地电平，即0V，这样交流信号经过放大后，负半轴的信号被单电源的放大器削底，发生削底失真，本设计中采用太高放大器的工作点来解决此问题，即将放大器的工作点抬高到二分之一的电源电压，这样整个放大电路就可以稳定的工作在电源的中点上，交流信号正好均匀地分布在电源电压中点附近，提高了集中器的带负载能力，经放大后的信号最后与放大电路的工作点电压比较就可以解调出上行电流信号里面包含的信息，即仪表的数据信息.

1.2 集中器软件设计

集中器接收上位机抄表命令，对命令进行解析、转发，然后通过电流解调的方式解调下行的仪表数据，最后将仪表数据封装上传到抄表管理系统.集中器软件主要包括系统初始化、解析上位机命令、下发抄表命令以及循环抄表四部分，程序流程图如图4所示。

2 结果

2.1 系统测试

实验装置：PC机一台，水表试验台（10路，每一路挂接10只水表），线号器1只，传统集中器一台，本设计集中器一台.

实验一：PC机连接一台传统集中器，集中器连接一只线号器，线号器下面挂接水表试验台，将水表试验台中的4路即40只水表接入线号器，通过上位机集抄这40只水表，读数正确，一次性抄表成功；将水表试验台的6路即60只水表接入线号器，通过上位机集抄这60只水表，读数正确，一次性抄表成功；将水表试验台的8路即80只水表接入线号器，通过上位机对这80只水表进行集抄，读数正确的有50只，30只不能抄回，进行第二次补抄，陆续抄回10只，其他20只无法抄回数据；将水表试验台的10路即100只水表接入线号器，通过上位机对这100只水表进行集抄，读数正确的有50只，另外的50只不能抄回，进行第二次补抄，剩下的50只没有抄回数据.

实验二：PC机连接一台本设计集中器，集中器连接一只线号器，线号器下面挂接水表试验台，将水表试验台中的4路即40只水表接入线号器，通过上位机集抄这40只水表，读数正确，一次性抄表成功；将水表试验台的6路即60只水表接入线号器，通过上位机集抄这60只水表，读数正确，一次性抄表成功；将水表试验台的8路即80只水表接入线号器，通过上位机对这80只水表进行集抄，读数正确，一次性抄表成功；将水表试验台的10路即100只水表接入线号器，通过上位机对这100只水表进行集抄，一次性抄回98只，读数正常，进行第二次补抄，读回剩余的2只水表，数据正确.通过以上实验，可以得到以下数据。

2.2 测试结果对比

3 讨论

从系统测试结果和实验数据可以看出，本设计的集中器每个支路能带100只水表，一次性抄表成功率达到98%以上，相比传统集中器，本设计的集中器带负载能力增加一倍，而且通信可靠性更强，极大地降低了数据出错率，提高了集中器的性价比，同时也降低了工程施工的成本。

参考文献：

[1] 杨娟.自动抄表系统的现状及应用[J].四川电力技术，2009，32（4）：1-2.

[2] 邓晓光.基于ZigBee和Meter-Bus技术的自动抄表系统的研究及实现[D].昆明：云南大学，2011.

[3] Juan Yang， The Present Situation of Automatic Meter Reading System and Its Application [J].Sichuan Electric Power Technology， 2009，1-2.

[4] 李晶.居民小区自动抄表系统中集中器的研究与设计[D].沈阳：沈阳理工大学，2007.

[5] Xuemin Li， Xiaoguang Deng.Design of Meter Reading Concentrator Based on METER-BUS[C]. ICAICTE2013：772-774.