基于小區(qū)基表的自動抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，安全、舒適、現(xiàn)代化的智能小區(qū)建設(shè)在我國正在蓬勃興起，自動抄表系統(tǒng)是智能小區(qū)的重要組成部分之一，是家庭自動化的必然，因而日益受到關(guān)注。構(gòu)建四表（電、水、燃?xì)狻崃康扔嬃績x表）集中統(tǒng)一管理的綜合自動抄表系統(tǒng)，不僅可節(jié)約管理系統(tǒng)的構(gòu)建費(fèi)用，節(jié)約人力資源，更重要的是可提高查表的準(zhǔn)確性、一致性和工作效率，相對減少小區(qū)物業(yè)管理人員的數(shù)量，還可避免入戶查表的不安全、擾民等因素。同時，還可以解決人工查表收費(fèi)的缺點(diǎn)和不足，減少因人工查抄表而造成查收數(shù)據(jù)誤差較大、抄表周期長而給小區(qū)物業(yè)管理部門和用戶之間帶來的矛盾。

    國內(nèi)一些城市的智能化居民住宅小區(qū)正在建設(shè)規(guī)劃中，已著手將電、水、燃?xì)狻崃康扔嬃抗芾砑右约锌紤]，構(gòu)建智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化的集中式計量管理模式和管理技術(shù)平臺，已逐漸成為提升智能小區(qū)管理自動化水平的必然選擇。

    1 自動抄表系統(tǒng)的基本原理

    雖然新建小區(qū)發(fā)展需迅速，但已建成的小區(qū)仍占小區(qū)的絕大部分，并且已建成的小區(qū)基本上都安裝了機(jī)械三表（電、水、燃?xì)獗恚┗蛩谋怼榱藢?shí)現(xiàn)小區(qū)的自動抄表系統(tǒng)，一種方法是在已建成的小區(qū)中重新安裝能實(shí)現(xiàn)自動抄表的新型電子四表，這不但耗資巨大，實(shí)現(xiàn)起來也會困難重重。由于已建成的小區(qū)中原有的機(jī)械基表已達(dá)到了非常成熟的程度，精密、可靠。因此，如何在已建成的小區(qū)中通過一定的改造實(shí)現(xiàn)自動抄表在智能小區(qū)中占有重要的位置，并且任務(wù)量巨大。

    本文設(shè)計了在已建成小區(qū)的四表的機(jī)械基表的基礎(chǔ)上，通過加裝傳感電路，再經(jīng)過EM78P458單片機(jī)的處理實(shí)現(xiàn)自動抄表系統(tǒng)。

    以燃?xì)獗頌槔詣映硐到y(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它由普通的燃?xì)獗砘怼鞲衅骷捌浣涌凇纹瑱C(jī)系統(tǒng)、通信接口及計算機(jī)管理控制中心等部分構(gòu)成。傳感器及其接口電路和單片機(jī)系統(tǒng)、通信接口電路置于基表處或與基表同處于一個盒內(nèi)，以便于安裝管理。計算機(jī)管理控制中心承擔(dān)各用戶用燃?xì)饬康慕y(tǒng)計處理、費(fèi)用結(jié)算、顯示、打印、查詢、報表等管理工作。

    

    2 系統(tǒng)設(shè)計

    在設(shè)計自動抄表系統(tǒng)時需要較多地考慮傳感器及遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的設(shè)計，而不是重新設(shè)計一個新表。因此，在實(shí)際設(shè)計時，需要選取高性價比、功耗低的傳感器和單片機(jī)，選取抗干擾性強(qiáng)的傳感器，為采集部分加上磁屏蔽，防止周圍雜散電磁場的干擾影響計量精度。

    2.1 傳感器

    采用南京新捷中旭微電子有限公司的ZP105A型韋根德零功耗磁敏傳感器作為數(shù)據(jù)采集傳感器，以滿足系統(tǒng)對低功耗和安全性方面的要求。韋根德零功耗磁敏傳感器是利用韋根德效應(yīng)制成的，故名韋根德傳感器，是利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料（韋根德絲）中的磁疇在磁場中的運(yùn)動特性制作而成的。當(dāng)外磁場發(fā)生變化時，磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而當(dāng)外磁場撤離后又瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向，由此在合金材料周圍的檢測線圈中感生出電脈沖信號而實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。該傳感器工作時無須使用外加電源，輸出信號幅值與磁場的變化速度無關(guān)。

    韋根德零功耗磁敏傳感器由三部分組成：一是磁性絲敏感元件——韋根德絲，二是繞在絲上的檢測線圈，三是外部永磁體。當(dāng)外部永磁體與傳感探頭之間發(fā)生相對運(yùn)動時，韋根德絲作用有適當(dāng)?shù)耐獯艌觯瑑?nèi)芯磁化跳變，檢測線圈便會輸出感生電壓脈沖信號。檢測外部永磁體（或永磁體的載體）的運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)間接測量多種物理量。如：流量、速度、轉(zhuǎn)數(shù)、里程、轉(zhuǎn)角。也可適用于汽車自動點(diǎn)火位置分配器、汽缸活塞位置檢測器、無電源脈沖發(fā)生器、無觸點(diǎn)限位開關(guān)、識別卡及其讀出器等等。

    韋根德零功耗磁敏傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，外部永磁體一般由外加小的永久磁鐵實(shí)現(xiàn)。ZP105A型韋根德零功耗磁敏傳感器的外形尺寸為6×12.5×4.5mm。安裝時，選擇在機(jī)械基表最后一級齒輪處加一小的永久磁鐵，外加永久磁鐵表面至傳感器敏感區(qū)作用距離為6mmt±1 mm，傳感器安放時永久磁鐵的磁力線應(yīng)該平行的穿過傳感器的中心，安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（b）所示。齒輪每轉(zhuǎn)動一周，外加的小永久磁鐵的磁場作用于傳感器一次，韋根德絲的磁疇磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)一次，傳感器的檢測線圈輸出一對正負(fù)雙向脈沖電信號。輸出脈沖信號的幅值大于2V，周期為外加的小永久磁鐵的運(yùn)動周期（即小的永久磁鐵的載體—齒輪的轉(zhuǎn)動周期）。測量傳感器輸出脈沖信號的周期，即為基表最后一級齒輪的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過計算即可得機(jī)械基表的實(shí)際測量值。

    

    通過零功耗磁敏傳感器對傳統(tǒng)電表、水表、氣表和熱量表的改進(jìn)使其成為遠(yuǎn)傳表。以燃?xì)獗頌槔x擇在基表最后一級齒輪處加一小的永久磁鐵（不算顯示部分的逐級傳遞齒輪）。該級齒輪每轉(zhuǎn)一圈都要撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪8次，每撥一次是0.001m3，所以每轉(zhuǎn)一圈共計0.008m3 的燃?xì)狻Ｒ簿褪亲詈笠患夶X輪每轉(zhuǎn)125圈即撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪1000次，燃?xì)獗淼娘@示部分的計數(shù)為1m3；同時通過零功耗磁敏傳感器輸出125個脈沖。

    由于零功耗磁敏傳感器測得的數(shù)據(jù)是基表向顯示部分傳遞數(shù)據(jù)的最后一級齒輪的轉(zhuǎn)速，因此，零功耗磁敏傳感器的采樣值與現(xiàn)場基表的測量值是一致的，其誤差為零功耗磁敏傳感器的采樣誤差與現(xiàn)場基表顯示部分的傳動誤差，而這兩項(xiàng)誤差都在允許的范圍內(nèi)，所以，采用EM78P458單片機(jī)系統(tǒng)后的顯示測量值與現(xiàn)場機(jī)械基表的顯示測量值具備一致性。如果機(jī)械基表已經(jīng)含有初始測量值，則可通過安裝時在EM78P458單片機(jī)系統(tǒng)中預(yù)置初始測量值的方式實(shí)現(xiàn)EM78P458單片機(jī)系統(tǒng)的顯示測量值與現(xiàn)場機(jī)械基表的顯示測量值的一致性。

    2.2單片機(jī)系統(tǒng)

    目前，單片機(jī)的種類繁多，高中低檔層出不窮，為滿足系統(tǒng)低功耗、高性價比的要求，選用了帶休眠功能的臺灣義隆公司生產(chǎn)的EM78P458單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集處理芯片。

    EM78P458單片機(jī)是高速CMOS技術(shù)的8位單片機(jī)，內(nèi)部集成有4K×13位OTP型ROM, 98×8位SRAM，8位可編程定時器／計數(shù)器，8位A/D轉(zhuǎn)換器，1個比較器，1個WDT，同時還具有內(nèi)、外部中斷，雙向三態(tài)I/0口及低功耗的休眠方式（休眠時電流僅為1μA）。具有系統(tǒng)外部接口簡單、實(shí)用、廉價等特點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)原理電路如圖3所示。

    

    當(dāng)燃?xì)獗砘淼耐饧有∮谰么盆F隨基表最后一級齒輪轉(zhuǎn)動經(jīng)過零功耗磁敏傳感器ZP105A表面時，ZP105A產(chǎn)生脈沖信號，通過電容C3接人單片機(jī)的P6.6口，利用EM78P458單片機(jī)的I/0口引起中斷，喚醒單片機(jī)，單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)單元1的內(nèi)容自動加1，當(dāng)加到125時，數(shù)據(jù)存儲區(qū)單元2的內(nèi)容自動加1，單元1的內(nèi)容自動清零。數(shù)據(jù)存儲區(qū)單元2的內(nèi)容即為燃?xì)獗碛昧康恼麛?shù)值，通過計算，可得燃?xì)獗碛昧康膶?shí)際值。可推廣到電、水、熱量表的自動抄表系統(tǒng)中。

    2.3通信方案的選擇

    實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗砼c計算機(jī)管理控制中心的通信有多種方案。公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信方式可分為無線通信和有線通信。采用無線通信的公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要服務(wù)于分布較為分散的用戶。而智能小區(qū)的用戶比較集中，可以采用有線通信的公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。有線通信可通過電話線、光纖通信、有線電視電纜、串行總線技術(shù)（RS-485、RS-422）和現(xiàn)場總線技術(shù)（CAN,LonWorks等）等方式實(shí)現(xiàn)自動抄表。RS-485總線技術(shù)是一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接受高靈敏度的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，由于性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)容易，是智能小區(qū)底層控制網(wǎng)絡(luò)各子系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。本系統(tǒng)燃?xì)獗砼c計算機(jī)管理控制中心的通信采用RS-485總線技術(shù)。

    2.4通信接口的設(shè)計

    EM78P458單片機(jī)內(nèi)部沒有配置DART（通用異步收發(fā)器）模塊，為了利用RS-485總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)管理控制中心的通信，利用、EM78P458的P5.5、P6.7兩條I/O口線分別作為發(fā)送和接收端，借助于軟件編程的手段模擬UART接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)UART虛擬接口。其接口電路如圖4所示。

    

    圖4中，P5.5、P6.7引腳分別與外部的MAX485的DI、RO連接，作為UART虛擬接口發(fā)送數(shù)據(jù)端和接收數(shù)據(jù)端，P5.6接MAX485的DE、RE引腳，用以控制驅(qū)動器和接收器的使能，形成RS-485串行接口，組成通信的遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。當(dāng)計算機(jī)管理控制中心需要采集測量數(shù)據(jù)時，可通過計算機(jī)管理控制中心發(fā)送信息喚醒單片機(jī)。單片機(jī)將測量數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳送給計算機(jī)管理控制中心，形成智能小區(qū)自動抄表通信網(wǎng)絡(luò)。

    2.5通信軟件的設(shè)計

    計算機(jī)管理控制中心通過P6.7引腳喚醒單片機(jī)EM78P458，通知EM78P458將進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，然后計算機(jī)管理控制中心發(fā)送地址碼，各點(diǎn)EM78P458單片機(jī)接收到地址碼后于本機(jī)的地址碼比較，若相同，則發(fā)送本機(jī)測量數(shù)據(jù)給計算機(jī)管理控制中心，否則，結(jié)束本次通信。其通信程序框圖如圖5所示。單片機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)到計算機(jī)管理控制中心的發(fā)送子程序框圖如圖6所示。計算機(jī)管理控制中心接收各單片機(jī)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)的程序框圖如圖7所示。







    3 結(jié)束語

基于小區(qū)基表的自動抄表系統(tǒng)以小區(qū)原有的燃?xì)獗砘頌榛A(chǔ)，能夠方便地在不影響基表性能的情況下，加裝韋根德零功耗磁敏傳感器電路，采用廉價、低功耗的EM78P458單片機(jī)系統(tǒng)后具備了機(jī)械與遠(yuǎn)傳兩套顯示，且顯示具備一致性。實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)中的燃?xì)饬坎杉Ｍㄟ^虛擬UART接口，采用RS-485總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時遠(yuǎn)程抄表功能。計算機(jī)管理控制中心可提供數(shù)據(jù)處理、查詢、統(tǒng)計、報表、打印、備份等功能。從而實(shí)現(xiàn)對整個小區(qū)燃?xì)饬抗?yīng)計量的現(xiàn)代化物業(yè)管理，使物業(yè)管理走向智能化、數(shù)字化。該系統(tǒng)具有方便、價能比低、功耗低、易于推廣等特點(diǎn)，只需合理選擇數(shù)據(jù)采集傳感器及外加小的永久磁鐵的安裝位置、實(shí)施必要的屏蔽和進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，就可實(shí)現(xiàn)電表、水表、熱量表等的自動抄表系統(tǒng)，在智能小區(qū)建設(shè)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。