基于MSP430單片機的智能網(wǎng)絡(luò)水表抄表系統(tǒng)設(shè)計

隨著電子通信與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表技術(shù)在水、電和煤氣計量方面得以推廣應(yīng)用。為適應(yīng)這個發(fā)展方向，在研制出有線遠(yuǎn)傳水表及其數(shù)據(jù)采集器的基礎(chǔ)上，開發(fā)了專用的數(shù)據(jù)集中器，以實現(xiàn)遠(yuǎn)傳水表抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：上位機管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡(luò)水表。智能網(wǎng)絡(luò)水表通過RS-485總線和集中器連接，集中器通過調(diào)制解調(diào)器MODEM和電話網(wǎng)連接進行遠(yuǎn)程通訊，將數(shù)據(jù)通過電話網(wǎng)傳輸給上位機管理系統(tǒng)，在降低成本的同時提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該系統(tǒng)具有良好的伸縮性，同時，上位機管理系統(tǒng)也可以和銀行聯(lián)網(wǎng)，組成四級網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)功能擴展奠定了基礎(chǔ)。

　　1　智能網(wǎng)絡(luò)水表

　　智能網(wǎng)絡(luò)水表的工作原理是在普通轉(zhuǎn)盤計數(shù)的水表中加裝干簧管和永磁鐵。雙干簧管固定安裝在計數(shù)轉(zhuǎn)盤上方附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤（本設(shè)計0.01m3）位上，計數(shù)盤每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵經(jīng)過雙干簧管各一次，在信號端產(chǎn)生兩個計量脈沖。當(dāng)接收到有效計脈沖時，單片機由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式，由微處理器執(zhí)行相應(yīng)的計費程序。其硬件主要包括：微處理器、脈沖采集電路、液晶顯示電路、閥門控制電路、通信接口電路等。

　　1.1　脈沖采集電路

　　本設(shè)計使用了雙干簧管傳感器，即當(dāng)檢測到一個干簧管吸合時，先記錄下來，再檢測另一個干簧管，只有檢測到另一個干簧管吸合后才認(rèn)為信號有效。接線圖如圖1所示。

　　1.2　液晶顯示電路及顯示器

　　MSP430F413單片機內(nèi)置一個24×4段的液晶顯示驅(qū)動器。本設(shè)計中選用的液晶顯示器是定制生產(chǎn)的字符式液晶顯示器，其視屏尺寸是65mm×40mm，漢字?jǐn)?shù)字協(xié)調(diào)美觀。液晶顯示電路及顯示器如圖2所示。

　　液晶顯示器作為水表的輸出接口，除了顯示電磁閥門的開關(guān)狀態(tài)、表內(nèi)剩余金額（當(dāng)余額顯示為負(fù)時表示水表處于透支狀態(tài)）、累積用水量、電池狀態(tài)、本月累積用水量、分段（階梯水價時，每種水價水量的噸限）顯示、單價（當(dāng)前水價）顯示、當(dāng)前日期及當(dāng)前時間之外，還具有提醒用戶及時充值的信息及顯示錯誤信息的功能。如：表示強磁干擾，（注：閥門會關(guān)閉）；表示欠壓狀態(tài)。

　　1.3　閥門控制電路

　　本設(shè)計采用小功率電機通過減速，直接驅(qū)動球閥開閉。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，水阻小。缺點是球閥的球環(huán)加工精度要求高，使用一段時間后由于水垢或微顆粒等使轉(zhuǎn)動阻力增大，設(shè)計中采用每月定時開關(guān)閥門幾次來解決這一問題。閥門控制電路如圖3所示。

　　1.4　通信接口

　　智能網(wǎng)絡(luò)水表采用專用協(xié)議與集中器進行通信，集中器通過MODEM與上位機相連。RS-485相對于RS-232成本低，驅(qū)動器和接收器價格便宜，并且只需要單一的一個+5V（或者更低）的電源來產(chǎn)生差動輸出需要的1.5V的壓差。通信接口如圖4所示。

2　集中器設(shè)計

　　在遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)中，集中器起著數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和總線隔離的作用，負(fù)責(zé)上位機和網(wǎng)絡(luò)水表的聯(lián)系。其主要功能有兩項：一是完成與水表的通信，根據(jù)系統(tǒng)下達(dá)的指令抄收水表的數(shù)據(jù)或檢測狀態(tài)，可以定時抄收也可以實時抄收；二是根據(jù)系統(tǒng)要求完成與上位機的通信，將水表的數(shù)據(jù)信息或狀態(tài)信息傳輸給上位機管理系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求，集中器主單片機采用Microchip公司的PIC16F84芯片，其內(nèi)部帶有64字節(jié)的EEPROM，用來儲存水表的工作參數(shù)，如用水量、狀態(tài)、地址編碼等。這些數(shù)據(jù)在水表工作期間可能不斷變化，而又要求系統(tǒng)斷電之后不能丟失，在系統(tǒng)下次加電工作時自動恢復(fù)原先的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場調(diào)試一般用到安裝了專用測試軟件的便攜機。便攜機接口協(xié)議為RS-232，因此集中器電路設(shè)中需預(yù)留一個RS-232接口，采用MAX232芯片。

　　2.1　集中器硬件設(shè)計

　　集中器由主控芯片PIC16F84、上行通信接口電路、下行通信接口電路、電源電路等幾部分組成。集中器硬件電路如圖5所示。

　　1）上行通信接口電路：集中器通過上行通信接口電路和調(diào)制解調(diào)器MODEM相連，然后再通過電話網(wǎng)和上位機管理系統(tǒng)進行通信，如圖5（a）所示。

　　2）下行通信接口電路：用來和智能網(wǎng)絡(luò)水表進行通信，采用RS-485總線傳輸方式，如圖5（b）所示。使用MAX485芯片和智能網(wǎng)絡(luò)水表進行通信。

　　2.2　集中器軟件設(shè)計

　　集中器的軟件設(shè)計主要包括集中器主程序的設(shè)計、集中器接受命令子程序的設(shè)計、集中器向采集器發(fā)命令子程序軟件的設(shè)計、集中器向PC機應(yīng)答子程序的設(shè)計。集中器主程序流程圖如圖6所示。

　　2.3　上位機與集中器之間通信協(xié)議的幀格式

　　上位機與集中器之間通信協(xié)議的幀格式有命令幀格式和應(yīng)答幀格式。通信協(xié)議的幀格式由幀頭、類型碼、地址碼、數(shù)據(jù)碼、校驗碼和幀尾組成，其定義如表1所示。各個部分的具體含義解釋如下：

　　1）幀頭：一幀的起始字節(jié)，代表一個新幀的開始1個字節(jié)，命令幀固定為1AH，應(yīng)答幀固定為ICH.

　　2）類型碼：1個字節(jié)，命令幀類型碼用來規(guī)定上位機管理系統(tǒng)下達(dá)指令的具體內(nèi)容，不同的內(nèi)容對應(yīng)不同的類型碼。集中器執(zhí)行相應(yīng)指令后上傳相應(yīng)的應(yīng)答幀類型碼，不同的內(nèi)容對應(yīng)不同的類型碼，命令幀和應(yīng)答幀類型碼如表2所示。

　　3）地址碼：8個字節(jié)，本地址碼依次為集中器號（4個字節(jié)），智能網(wǎng)絡(luò)水表號（4個字節(jié)）。

　　規(guī)定前4個字節(jié)全F代表所有集中器，后4個字節(jié)全F代表所有智能網(wǎng)絡(luò)水表。

　　4）數(shù)據(jù)碼：2～10個字節(jié)，包括設(shè)置集中器和水表的號碼、設(shè)置集中器的密碼、設(shè)置的時間、水表的狀態(tài)、水表上傳的數(shù)據(jù)等。

　　5）校驗碼：1個字節(jié)，本設(shè)計采用累加和校驗，對幀頭、類型碼、地址碼和數(shù)據(jù)域進行字節(jié)累加，結(jié)果取1個字節(jié)。集中器接收到指令后，對指令的相應(yīng)字節(jié)進行累加，然后再與校驗字相比較。

　　6）幀尾：表示一幀的結(jié)束字節(jié)，命令幀固定為IBH;應(yīng)答幀固定為DH.

3　總線直讀式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　本設(shè)計采用總線直讀式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中典型的聯(lián)網(wǎng)管理方式，如圖7所示。即采集器到集中器的連接方式和局域網(wǎng)管理方式。將若干集中器集中起來連結(jié)到廣域網(wǎng)接入器，再通過電話線與異地或遠(yuǎn)距離的PC機進行通信。1臺計算機最多可以管理128個集中器，1個集中器可以管理255個采集器。這樣系統(tǒng)更簡單、成本更低。

　　4　上位機管理系統(tǒng)設(shè)計

　　主站是遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，處于系統(tǒng)的最高層次。在集中器、網(wǎng)絡(luò)水表協(xié)助下通過網(wǎng)絡(luò)接口負(fù)責(zé)完成設(shè)備管理、用戶管理、水量的抄收以及報表打印等功能，遠(yuǎn)傳水表管理系統(tǒng)。根據(jù)SQLSever的數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)和自動抄表管理軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，得出如圖8所示的Autometer數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖。

　　水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)上位機管理軟件系統(tǒng)的功能主要有：

　　l）自動抄表：能夠?qū)崟r、定時、自動地抄錄前端水表的讀數(shù)，隨時了解住戶的使用情況，便于計量和收費的自動管理。

　　2）預(yù)置參數(shù)和通訊測試：能夠?qū)δ骋粔K智能表預(yù)先設(shè)置參數(shù)，如水表讀數(shù)、狀態(tài)、編號等，也能夠?qū)λ械乃眍A(yù)先設(shè)置讀數(shù)值；能夠自動測試系統(tǒng)計算機與前端任何一個住戶采集器之間的通訊是否正常。

　　3）住戶信息管理：能夠查詢所有住戶的信息，能夠?qū)ο鄳?yīng)的住戶信息進行添加、修改、刪除、統(tǒng)計等操作。

　　4）收費信息管理：能夠查詢所有住戶的用水信息，包括住戶的歷史用水量、當(dāng)月用水量，價格可以設(shè)置為一定價，或者階梯水價，并自動計算出應(yīng)繳水費，同時記錄交費信息，還能夠?qū)ο鄳?yīng)的收費信息進行添加、修改、刪除等。

　　5）自動報表生成：能夠根據(jù)住戶當(dāng)月用水情況，自動生成住戶當(dāng)月報表，并打印相關(guān)單據(jù)。

　　6）系統(tǒng)用戶分級管理：對軟件系統(tǒng)的用戶實行分級管理，分別賦予3種不同權(quán)限。即一般用戶只有查詢信息的權(quán)限，一般管理員除了查詢信息的權(quán)限外還有部分抄表管理和通信管理的權(quán)限。只有系統(tǒng)管理員才具有系統(tǒng)管理、信息管理、抄表管理和通信管理等全部權(quán)限。

　　鑒于篇幅，這里只列出實現(xiàn)增加一個用戶時的主要代碼。

　　5　結(jié)語

　　本遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)已被某自來水公司采用，并在該自來水公司所在城市的3個小區(qū)內(nèi)使用。整個系統(tǒng)施工簡便、維護簡單、功耗低，運用了專用通信協(xié)議，有效降低了系統(tǒng)通信電流強度。此外，采用多點間歇的脈沖形式進行數(shù)據(jù)采集，持續(xù)時間非常短（僅為25ms）。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，又恢復(fù)到休眠狀態(tài)，靜態(tài)功耗極低。本系統(tǒng)有著廣泛的市場應(yīng)用空間，發(fā)展?jié)摿^大。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線抄表系統(tǒng)將是未來自動抄表系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。