小区智能化集中抄表系统的设计与实现研究

曾仕途

摘 要：计量表是我国水、电、燃气、热量使用量计量的主要设备，目前我国许多地区在水、燃气、热量收费方面仍需要通过人工抄表的方式来进行计量统计，这种方式不仅工作量巨大、效率低、成本高，同时也会因一系列人为不确定因素产生计量差错，给用户带来不便，因而已不能与我国经济社会的发展形势相适应，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。

关键词：小区；智能化集中抄表系统；设计；实现

中图分类号：TP216 文献标识码：A

传统人工抄表方式所面临的最大挑战来自于用户分散性，一般情况下一家能源供应公司所覆蓋的服务范围往往包含许多小区，所包含的用户数量更是十分庞大，人工抄表要挨家挨户进行，不仅抄表员体力上难以承受，同时整体效率也难以提高。而利用现代科学技术成果，设计适合的小区智能化四表集中抄表系统，能够实现抄表作业简化，对于提高抄表效率、质量，提高计量管理水平有着重要的意义。

1 小区智能化抄表系统工作原理

1.1 智能电表

智能电表系统主要是采取现代通讯技术，实现远程抄表与信息监控的功能，整个系统包括三个关键性部分，即电表节点、网关节点以及服务器站点。电表节点通过装配的短距离通信模块，将电表相关数据发送至台区网关节点（集中器）上，以进行抄表及信息交互。网关节点则是小区内智能电表系统各组成电表设备及服务站间实现信息数据交互与传输的重要环节，是连接电表节点与服务器站点的重要纽带与通讯渠道，其主要组成包括三个部分，即下行通信模块、GPRS模块和MCU。基于现代通讯技术的运用，智能电表系统能够实现高速的信息交互，并且可以同时完成大量信息的处理与获取，在提高抄表工作效率的同时，也降低了成本。

1.2 智能水表

智能化水表系统是将传统机械水表计量的叶轮装置与电子信号感应装置相结合，根据叶轮旋转所产生电信号与用水量之间的比例关系，准确对用水量进行计量，并以电子信号的形式通过信号发射装置进行传输，这也就为远程用水量数据传输与测抄提供了可能。在此基础上，配合计算机数据处理系统对信息数据进行统一管理，从而提高抄表作业及水表数据管理的整体效率。智能化水表可选用抗干扰能力强、使用寿命长的新型传感器，数据计量更准确、可靠；采用远距离传输装置可实现远程数据采集，并通过网络通讯系统统一传输至总服务器系统进行统一管理，降低抄表工作量，提升管理水平。

1.3 智能气表

接入智能四表集抄系统的为远传燃气表，其具有基表表数读取和数据远传功能，通过数据传感采集器读取基表表数，并将读取的表数通过有线或无线通信方式向表外发送，发送的数据信号可经室外的中继器、集中器或无线远传POS最终送至燃气公司的相应收费管理系统，从而完成有线自动或无线远传POS抄表，由燃气公司的收费管理系统完成用气量计算和扣费结算。

1.4 智能热量表

除日常水、电、燃气需要计量表进行数据计量和采集外，热量供给也需要相应的计量表进行供热数据的监测与计量。智能热量表所计量的主要是相应供暖区域内消耗的热量值，其所采用的计量装置包括流量计、温度传感器及积分仪等，通过这些装置采集相应的温度及流量信息，并通过热量系数和介质密度等对其热量值进行准确的计算，利用所配置的微处理芯片和低功耗通信模块进行远程数据传输完成抄表作业。

2 集中抄表系统设计

2.1 集中器硬件设计

集中抄表系统由分散分户抄表向集中抄表的转变主要是通过集中器来实现的，其以中间站（网关）的形式连接主站与用户终端，对用户各种计量表数据进行集中采集、储存以及传输，并能够按照主站所发出的命令对用户计量表进行设置与集中管理。

2.1.1 集中器工作原理

主处理芯片STR710FZ2通过与各通讯口的通讯，完成与外设和从处理芯片数据的交换及处理；设置数据、统计数据及计算数据等保存在FLASH、FRAM、SRAM等存储器中；通过遥信/脉冲接入口，获取开关或电能表脉冲信息；时钟芯片采用EPSON公司的串行时钟芯片RX8025。

2.1.2 集中器硬件设计的技术特点

采用独特的数据压缩、宽频传输技术和自适应跟踪，软件自动路由通讯技术，硬件实时中继技术，抗高压保护技术，并采用冗余校验纠错技术，有效克服了低压电网通信媒介的干扰强、信号衰减大等不足，大大提高通信成功率和数据可靠性。

采用模块化设计。数据处理模块、载波控制模块、载波耦合接收和发射模块、上行通讯模块、显示模块、电源模块等都采用模块化设计，方便产品的检测、维修更换及更新升级。

多种数据通讯方式混合组网，还可根据用户不同通信条件，灵活配置上行通信模块（选配不同插件模块），支持GSM/GPRS、CDMA等通信方式，使终端具有更好的扩展性；而且速度快，工作电流小，抗干扰性强，从而使得数据传输具有高可靠性。支持天线一体化，内置、外置方式等不同选择。

工业级设计。本终端CPU采用支持嵌入式操作系统平台的32位ARM处理器，实时运算处理能力强。配有不掉电工作RAM和高性能CPU监控芯片，设备工作稳定可靠。

多种可靠性设计手段。各种终端的电磁兼容性能优良，能抵御高压尖峰脉冲、强磁场、强静电、雷击浪涌的干扰；各功能模块均采用了软、硬件防误跳设计，硬件看门狗电路及复位电路。

2.2 集中器软件设计

集中器软件主程序是对集中器各个模块要完成的任务进行初始化设计，其主要有串口初始化设计、系统时钟初始化设计、定时器初始化、存储器初始化等外部模块的初始化。

2.3 抄表网络设计

抄表网络设计的关键在于网络布线规划的合理性，通讯平台的选用具有着至关重要的意义，隶属于OSI模型的RS485标准平台即是一种相对较为适用的通信平台，其在小区智能化集中抄表系统中的实际应用具有着性价比高、数据传输快、通信距离远、噪声控制能力强、共模范围宽等一系列的优势，这也使得该通信平台获得了良好的推广和应用，但同时RS485平台在布线规划也面临着一定的难题，即当总线节点数目上升至一定程度或不规则分布情况较多时，利用总线布线会变得较为困难，对此，加强网络间隔离，保持负载平衡并确保布线规划的合理性也将成为影响整个集中抄表系统运行可靠性的关键因素。

2.3.1 RS485电气规定

由于RS485仅仅规定了接收端和发送端的电气特性，而没有规定或推荐任何数据协议，因此用户可以很方便地根据自己的需要制定出相应的通信协议。RS485接口采用的是差分传输方式DDM（Different Driver Mode），抗共模干扰能力增强，具有较好的抗噪声干扰性，而且传输距离远、信号传输速度快。

RS485接口的主要特点如下：

第一，支持多点通信；

第二，采用平衡驱动器和差分接收器的组合传输；

第三，-7V～+12V总线共模范围；

第四，总线最多可接32个单位负载；

第五，最大传输速率为10Mbps；

第六，最大电缆长度为1200M。

2.3.2 RS485传输距离

RS485的传输距离及速率通常受波特率因素影响，在通讯电缆为一般常用的标准0.56mm双绞线的情况下，如出现电磁干扰问题以及总线接入过多设备时，会导致其通讯的最远传输距离缩短，当然如通讯电缆的粗细程度也会对传输距离产生一定的影响，电缆越细最远传输距离则越短。相应的在有效消除电磁干扰、总线接入设备合理或较少、更换较粗电缆的情况下也能够使系统最远数据传输距离得到一定的延长。

2.3.3 影响RS485通信速率和可靠性因素

信号反射是影响RS485通信速率的一个重要因素，其造成原因主要来自于系统阻抗问题，即阻抗连续性问题和匹配性问题两方面。其中阻抗连续性问题主要是由于信号在电缆线末端突遇阻抗消失或过小的情况，进而引发信号反射，而应对措施则是将一个与电缆特性阻抗相同的终端阻抗计入电缆末端，以提高阻抗连续性。阻抗匹配性主要是根据数据传输率要求而决定的，一般情况下如数据传输要求不高则通常无需接入终端阻抗，而不合理接入还可能造成线路负载增加，影响通讯质量，当数据传输率要求较高时，则需要通过调试合理接入终端电阻，应确保输出波形符合传输实际需要。

2.3.4 通信线路防雷措施

对于智能化集中抄表系统而言，雷击同样具有着较大的威胁性，集中抄表系统的通讯线路大都处在户外环境中，如防雷措施不当很容易遭到雷击损害，致使芯片损毁。目前较为主要的防雷措施包括以下几方面：

（1）采用金属护管保护传输线；

（2）采用屏蔽双绞线进行数据传输；

（3）配置放电管排泄电路受雷击所产生的过大电流；

（4）安装保护电阻降低雷击对主要部件的损害；

（5）配置瞬间过压保护二极管防止瞬间过电压造成的芯片损毁。

2.3.5 低压电力线载波通信

电力线载波（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式，是将高频信号耦合到低压电力线路上，实现载波通信的一种技术。目前较普遍应用于电能表终端数据传输，实现远程抄表，也可用于低压电器的远程控制和数据、信号的传送。低压窄带载波允许采用的频段在9kHz～500kHz，不同频段对应的允许最大输出电平在120～134dB（μV）之間。低压电力线载波通信的可靠性会受到信号衰减、反射、驻波以及线路干扰（包括谐波干扰、脉冲噪声、震荡波、宽带白噪声等）的影响，一般情况下如果终端离集中器较远、线路干扰强时，应采用自组网的自动路由技术，也可以中间加中继器进行信号同步放大，或者采用载波和其它通信方式如有线、小无线、ZigBee等进行混合组网的方式，来有效提高抄表的成功率和实时性。

3 系统数据库结构设计

小区智能化集中抄表系统中涉及大量需记录和处理的信息内容，合理的数据库结构是保证信息处理与系统管理有效性的关键，集中抄表系统数据库信息存储与管理主要是通过数据表来实现的。

3.1 小区及业主

小区与业主的关系可以首先通过小区建筑结构关系来进行分析，即小区>楼宇>单元>套户，上一级包含下一级，在数据表上相邻两表也呈现出相应父子表关系，实际小区中业主与套户并非一对一的关系，业主可同时拥有多套住宅、同一住宅也可经历多个业主，基于此，最终小区、业主、套户之间会形成多对多的关系，需要利用关系表来表达。

3.2 计量表及读数

由于住户正常生活所需要的资源是多方面的，水、电、气、热都要有相应的表来计量，因此套户与计量表存在着一对多的关系，但每个计量表的读数只表示一种资源的使用信息。小区智能化集中抄表系统数据库既要统计具有自动抄表功能的计量表数据，同时也要对各类非自动抄表计量表的数据进行记录管理，因此，在计量表中使用了字段类别来标识该计量表的抄表方式。

3.3 收费项目及收费信息

根据资源类型的不同，其收费项目与收费方式也不同，对于单一项目的计费公式可概括为：参数x时间x单价x比例+附加额，其中参数选取实际收费项目的计费标准参数，比例主要是指相应给出的折扣比例系数，附加额则是指相应的收费优惠或最低额度等，在此基础上将项目与套户关联。为方便管理，可引入收费类型的概念，收费类型是指针对一个套户所包含的收费项目和收费公式的集合。

3.4 系统用户及权限

系统用户与权限是相互对应的，只有用户获得相应权限才能进行相应的操作，权限是区分系统用户可执行操作的分级标准，在集中抄表系统中，为实现有效的权限管理，引入了角色概念，即将拥有相同权限的一类用户总体划分为一个角色，并根据需要进行分组，通过口令验证与系统编码，实现对用户角色及组别的区分管理。

结论

小区智能化集中抄表系统的设计与应用能够有效地提高小区各项生活能源计量及管理的效率，也能够大大减轻抄表员的工作压力，对于现代化城市小区建设而言具有着重要的推动作用，加强对智能化集中抄表系统的技术完善，对于促进社会发展，方便小区居民生活具有着十分积极的意义。

参考文献

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