基于PIC、51单片机的远程抄表系统设计
单片机在消费电子、自动化仪表、工业控制等领域已得到了广泛的应用,它以灵活的设计、低廉的成本、微小的功耗在电子器件市场中占有十分重要的地位。今天越来越多的芯片厂商在不遗余力地竞争这个应用空间。如INTEL,MICROCHIP,NEC,ATMEL等公司都已形成了自己强大的产品线,给产品的设计带来了越来越多的选择。
1.系统功能及各部件特点描述
本系统主要有以下几个部分组成:电脑、城市电话网、数据管理机、传输总线、单元转发器及可扩展单元转发器、计量表。在这些组成中,单元转发器是整个系统的核心,它起着水、电及气表的抄收工作,并将抄收的数据通过485总线传送到与数据管理机相联的电脑上或者通过数据管理机将数据通过公共电话网传送到远程的管理电脑上。电脑有一套与抄收系统相适应的管理软件,能实现远程抄收、设置等工作。
1.1 单元转发器
单元转发器是实现数据抄收的主要设备,它主要装在小区内的楼道内,通过数据线与每一户内的水、电及气表相联,实时监控每个表的运行状态并完成数据抄收,主要有以下功能:
(1)单元转发器最大数据采集量为30块计量表,内置蓄电池,断电后可连续工作240小时。
(2)单元转发器上具有大屏幕LCD显示,可实时显示每只计量表的读数、时间、状态便于人工查询。
(3)单元转发器上带有操作键盘,可直接在转发器上进行系统设定等各项操作。
(4)单元转发器有记忆卡插口、记忆卡既可以作为管理体人员的身份识别卡,又是可作为人工抄表的数据存储卡,每张记忆卡可存储16000只表的数据。
(5)单元转发器上有专线接口,连接小区和数据管理机,实现数据自动远传和管理。
1.2 数据管理机
数据管理机是安装在小区物业处的设备,它是系统中远程抄表的重要通讯设备,主要有以下特点:
数据管理机设置两个外接插口:A接口与计算机连接,实现水、电、气数据的统计、金额计算和打印;每台数据管理机最大容量可接16万台单元转发器;若需要将水、电、气三表数据远传到自来水公司、电业局、燃气公司,用一条市话专线与B接口连接,就可实行数据自动远传。
1.3 可扩展单元转发器
可扩展单元转发器与单元转发器相比,只是内部多了一块扩充电路板。由于单元转发器之间及转发器与数据管理机之间通过485总线相联,而485总线器件在设计上只允许每个网段上面挂接不超过32个设备且在小区环境下每个多段的传输距离以不超过1000米为佳,为了适应小区的传输距离及多住户小区的多用户的特点,所以用扩充电路板将各个网段隔开,以扩充整个网络的传输距离与设备的挂接数量。
1.4 管理软件
(1)微机系统
由586以上微机、调制解调器,IC卡读写器及专用票据打印机组成。
(2)软件环境
中文Window95/98操作系统。
(3)软件编制
前端平台……采用DELPHI开发;
后端平台……采用ACCESS数据库;
数据采集控制采用MCS-51系列单片机系统开发。
(4)微机显示界面及操作
界面友好、功能完善、操作简便、交互性强。系统分为:信息查询、统计输出、远端维护、系统设置和帮助五大功能。每个功能又具体细分为多个小功能,各功能模块清晰、独立性强、无互相干扰。
2.系统设计中主要应用的技术特点
2.1 联网技术
借助现代发达的电话网络及优良可靠低廉的网络设备实现了整个城市的数据中心----小区管理处----用户的三级联网,并通过分级编码的方式实现了对小区及用户和表具的层层编码,使得网络结构清晰,系统容量大。也克服了一些网络对外部条件的苛刻要求,使只要有公共电话网连到的地方就能实现联网及实时监控。
(1)小区内单元转发器、数据管理机及扩充板之间采用总线制连接方式
小区内单元转发器之间及转发器与数据管理机之间采用485总线的方式相互连接,并利用扩展板对总线的容量及距离进行扩充,克服了传统的类比系统布线复杂的缺点,并且降低了线缆的敷设成本。
(2)星形联网与总线联网相结合
在城市数据采集中心与小区物业处之间采用星形组网方式,媒介为公共电话网,这样不仅充分利用了公共设施,也能尽量减少了本系统的成本;在小区物业处与各转发器之间采用485总线的方式,这样不仅克服了恶劣的信号传输环境,也降低了线缆铺设成本;在单元转发器与表具之间采用星形连接,让每个表具直接通过线路连接到单元转发器上,这样克服了表具之间相互干扰保证了网络的稳定性,同时也适应不同的表具排列方式。通过这种不同网段采用不同的联网方式的特点,不仅能保证了系统的稳定运行,而且也解决了庞大的编码系统,使得小区代码—楼道代码—用户代码的编码方式更加直接简单。
2.2 通讯控制
(1)电脑联网接口采用标准RS-232接口芯片。
(2)数据管理机通过公共电话网PSTN远程与电脑联网。
(3)电脑通过MODEM与远程的数据管理机采用DTMF信号进行通讯及传输指令。
(4)控制信令传输,容易受周围环境干扰,为提高控制的可靠性,采用了信令多次比较校验及自动请求重发(ARQ)等技术来提高控制的可靠性。
3.硬件电路分析与软件流程分析
3.1 数据管理机硬件电路分析与软件流程分析
数据管理机硬件电路见附图fig2所示。
(1)数据管理机在系统中的作用介绍
管理管理机在抄表系统中的作用是协调远程计算机和本地计算机对网络的控制权,并进行RS232与RS485之间电平转换。结构示意图如图1。 (2)数据管理机用到的IC及其介绍
数据管理机的电路原理图如fig2所示。在本产品中,用了2个max232通讯芯片、2个microchip公司出品的单片机:PIC16C54(U2)及PIC16C73(U1)、1个电子开关:4066(U5)、一个485通讯芯片:65LBC184(U6)及一个实时时钟芯片(U7):PCF8583。
(3)数据管理机工作原理
J1连接本地计算机的串行接口,J2连接MODEM通过电话线与远程计算机连接。平常状态下,本地计算机具有485总线控制权,可以直接与总线上的设备进行通信。当远程拨号连接或自动拨号时,U1将控制4066切换通信线路,并无效本地计算机的CTS信号,这样,本地计算机让出总线,由远程计算机控制总线,实现远程抄表。U2的作用是控制485接口芯片U6的通信方向,完成485与TTL电平转换,U3,U4完成TTL电平与232电平转换,从而实现485与232的电平转换。U1是主控制芯片,协调整个系统工作。U7是实时时钟芯片,也存放着自动拨号的设置数据。
3.2 单元转发器功能介绍
单元转发器是整个系统中的核心设备,它担负三表(水、电、气表)的数据采集、显示、设置、数据抄收及将数据传送到数据管理机等任务。单元转发器将数据从表上采集到后,管理人员可以直接用IC卡从单元转发器上收集采集到的数据,也可以通过数据管理机远程读取采集到的数据。在电路上,我们将它设计成三个部分:数据采集部分(采集板),权限设置、功能设置及数据读取部分(本地用IC卡读取)(显示板),数据通讯部分(通讯板)。根据需要,为了扩展采集表的数据及传输距离,还可根据需要增加扩展功能部分(扩展板)。
3.3 数据采集部分(采集板)
采集板为单元转发器产品上的一个子功能板,它的主要功能将单元转发器外联的表具的数据实时采集并存储在存储器内。采集板上共有三颗IC:PIC16C73、24WC08、DS1307。其中PIC16C73为采集板的主控芯片;24WC08为1024bytes的E2PROM,DS1307为实时时钟芯片,内有64bytes的RAM。
A、转发器与计量表的连接
转发器底部共有10个出线孔,从左往右→1、2、3……10,其中第2孔至第9孔,每组为8条不同颜色的线。每相临两组颜色相同的线为一对。第1孔出线为8根,出线的颜色分别为两红、两黑、一白、一蓝、一绿、一黄,其中白、蓝两色线接变压器输出端,两红、两黑待转发器通电后对接(红对红、黑对黑),绿黄两线为信号通讯线。
B、水表、燃气表接线表
水表和燃气表可以共用同一个转发器,每个转发器最多可接30个双干簧管的水表或燃气表,这30个表可分为4组,每组分别为8个、8个、8个和6个表。每个表上有3条线,其中1条是公共线,2条是信号线。
3.4 人机交互部分(显示板)
显示板是本机中人机交互的部分,主要有以下功能:
本机中的显示部分采用128*64点阵的LCD显示器,它用来显示操作所需要的所有信息。键盘输入功能:
由于本机可以在单元转发器上查询每个表的数据、抄表等功能,本机设计了20个按键。
IC卡抄收功能:
本机在设计上允许抄表员通过不同权限的IC来抄表,所以将这部分的功能全部集中到显示板上来控制。
3.5 通讯扩展板的设计
由于单元转发器之间是通过485总线进行通讯的,所有的转发器与数据管理机都是挂在485总线上的,而根据485总线的定义及小区的实际物理条件,每一段485总线最多只能挂不超过32个设备,且每段总线不能超过1000米。如果一个小区有不超过31个楼梯,而每个楼梯可以用一台转发器进行采集,并且小区最长的距离不超过1000米,那么就不需要对总线进行扩展。但随着城市建设的高速发展,住宅小区向大型化发展,小区的楼房越来越多。根据调查,目前在中等城市的住宅小区有很多都超过3000户,而小区的最长距离超过3000米。为适应这种需求,我们就要在设计上在距离及用户数量方面进行扩充。目前最经济的办法就是直接对485总线进行扩展。通讯扩展板就是为此而设计的,在应用上,可以根据需要将通讯扩展板置入某一台单元转发器中,对总线进行容量及距离上的扩展。
4.总结
城市水、电及煤气表自动抄收系统是随着城市的发展及人们对节能环保越来越重视的背景下发展起来的一种新型三表自动抄收方式,它不仅解决了繁杂的抄表工作,而且还能根据节能环保的要求进行分时段计费,并能根据要求实时对整个用电、水及气网进行监控,为我国推行分时计费及节能减排提供了技术上的保证。作者根据自己的工作实践经验,结合单片机的特点,在此提出一种利用单片机设计水、电及气表自动抄收系统的原理及其实现方法。
单片机在消费电子、自动化仪表、工业控制等领域已得到了广泛的应用,它以灵活的设计、低廉的成本、微小的功耗在电子器件市场中占有十分重要的地位。今天越来越多的芯片厂商在不遗余力地竞争这个应用空间。如INTEL,MICROCHIP,NEC,ATMEL等公司都已形成了自己强大的产品线,给产品的设计带来了越来越多的选择。
1.系统功能及各部件特点描述
本系统主要有以下几个部分组成:电脑、城市电话网、数据管理机、传输总线、单元转发器及可扩展单元转发器、计量表。在这些组成中,单元转发器是整个系统的核心,它起着水、电及气表的抄收工作,并将抄收的数据通过485总线传送到与数据管理机相联的电脑上或者通过数据管理机将数据通过公共电话网传送到远程的管理电脑上。电脑有一套与抄收系统相适应的管理软件,能实现远程抄收、设置等工作。
1.1 单元转发器
单元转发器是实现数据抄收的主要设备,它主要装在小区内的楼道内,通过数据线与每一户内的水、电及气表相联,实时监控每个表的运行状态并完成数据抄收,主要有以下功能:
(1)单元转发器最大数据采集量为30块计量表,内置蓄电池,断电后可连续工作240小时。
(2)单元转发器上具有大屏幕LCD显示,可实时显示每只计量表的读数、时间、状态便于人工查询。
(3)单元转发器上带有操作键盘,可直接在转发器上进行系统设定等各项操作。
(4)单元转发器有记忆卡插口、记忆卡既可以作为管理体人员的身份识别卡,又是可作为人工抄表的数据存储卡,每张记忆卡可存储16000只表的数据。
(5)单元转发器上有专线接口,连接小区和数据管理机,实现数据自动远传和管理。
1.2 数据管理机
数据管理机是安装在小区物业处的设备,它是系统中远程抄表的重要通讯设备,主要有以下特点:
数据管理机设置两个外接插口:A接口与计算机连接,实现水、电、气数据的统计、金额计算和打印;每台数据管理机最大容量可接16万台单元转发器;若需要将水、电、气三表数据远传到自来水公司、电业局、燃气公司,用一条市话专线与B接口连接,就可实行数据自动远传。
1.3 可扩展单元转发器
可扩展单元转发器与单元转发器相比,只是内部多了一块扩充电路板。由于单元转发器之间及转发器与数据管理机之间通过485总线相联,而485总线器件在设计上只允许每个网段上面挂接不超过32个设备且在小区环境下每个多段的传输距离以不超过1000米为佳,为了适应小区的传输距离及多住户小区的多用户的特点,所以用扩充电路板将各个网段隔开,以扩充整个网络的传输距离与设备的挂接数量。
1.4 管理软件
(1)微机系统
由586以上微机、调制解调器,IC卡读写器及专用票据打印机组成。
(2)软件环境
中文Window95/98操作系统。
(3)软件编制
前端平台……采用DELPHI开发;
后端平台……采用ACCESS数据库;
数据采集控制采用MCS-51系列单片机系统开发。
(4)微机显示界面及操作
界面友好、功能完善、操作简便、交互性强。系统分为:信息查询、统计输出、远端维护、系统设置和帮助五大功能。每个功能又具体细分为多个小功能,各功能模块清晰、独立性强、无互相干扰。
2.系统设计中主要应用的技术特点
2.1 联网技术
借助现代发达的电话网络及优良可靠低廉的网络设备实现了整个城市的数据中心----小区管理处----用户的三级联网,并通过分级编码的方式实现了对小区及用户和表具的层层编码,使得网络结构清晰,系统容量大。也克服了一些网络对外部条件的苛刻要求,使只要有公共电话网连到的地方就能实现联网及实时监控。
(1)小区内单元转发器、数据管理机及扩充板之间采用总线制连接方式
小区内单元转发器之间及转发器与数据管理机之间采用485总线的方式相互连接,并利用扩展板对总线的容量及距离进行扩充,克服了传统的类比系统布线复杂的缺点,并且降低了线缆的敷设成本。
(2)星形联网与总线联网相结合
在城市数据采集中心与小区物业处之间采用星形组网方式,媒介为公共电话网,这样不仅充分利用了公共设施,也能尽量减少了本系统的成本;在小区物业处与各转发器之间采用485总线的方式,这样不仅克服了恶劣的信号传输环境,也降低了线缆铺设成本;在单元转发器与表具之间采用星形连接,让每个表具直接通过线路连接到单元转发器上,这样克服了表具之间相互干扰保证了网络的稳定性,同时也适应不同的表具排列方式。通过这种不同网段采用不同的联网方式的特点,不仅能保证了系统的稳定运行,而且也解决了庞大的编码系统,使得小区代码—楼道代码—用户代码的编码方式更加直接简单。
2.2 通讯控制
(1)电脑联网接口采用标准RS-232接口芯片。
(2)数据管理机通过公共电话网PSTN远程与电脑联网。
(3)电脑通过MODEM与远程的数据管理机采用DTMF信号进行通讯及传输指令。
(4)控制信令传输,容易受周围环境干扰,为提高控制的可靠性,采用了信令多次比较校验及自动请求重发(ARQ)等技术来提高控制的可靠性。
3.硬件电路分析与软件流程分析
3.1 数据管理机硬件电路分析与软件流程分析
数据管理机硬件电路见附图fig2所示。
(1)数据管理机在系统中的作用介绍
管理管理机在抄表系统中的作用是协调远程计算机和本地计算机对网络的控制权,并进行RS232与RS485之间电平转换。结构示意图如图1。 (2)数据管理机用到的IC及其介绍
数据管理机的电路原理图如fig2所示。在本产品中,用了2个max232通讯芯片、2个microchip公司出品的单片机:PIC16C54(U2)及PIC16C73(U1)、1个电子开关:4066(U5)、一个485通讯芯片:65LBC184(U6)及一个实时时钟芯片(U7):PCF8583。
(3)数据管理机工作原理
J1连接本地计算机的串行接口,J2连接MODEM通过电话线与远程计算机连接。平常状态下,本地计算机具有485总线控制权,可以直接与总线上的设备进行通信。当远程拨号连接或自动拨号时,U1将控制4066切换通信线路,并无效本地计算机的CTS信号,这样,本地计算机让出总线,由远程计算机控制总线,实现远程抄表。U2的作用是控制485接口芯片U6的通信方向,完成485与TTL电平转换,U3,U4完成TTL电平与232电平转换,从而实现485与232的电平转换。U1是主控制芯片,协调整个系统工作。U7是实时时钟芯片,也存放着自动拨号的设置数据。
3.2 单元转发器功能介绍
单元转发器是整个系统中的核心设备,它担负三表(水、电、气表)的数据采集、显示、设置、数据抄收及将数据传送到数据管理机等任务。单元转发器将数据从表上采集到后,管理人员可以直接用IC卡从单元转发器上收集采集到的数据,也可以通过数据管理机远程读取采集到的数据。在电路上,我们将它设计成三个部分:数据采集部分(采集板),权限设置、功能设置及数据读取部分(本地用IC卡读取)(显示板),数据通讯部分(通讯板)。根据需要,为了扩展采集表的数据及传输距离,还可根据需要增加扩展功能部分(扩展板)。
3.3 数据采集部分(采集板)
采集板为单元转发器产品上的一个子功能板,它的主要功能将单元转发器外联的表具的数据实时采集并存储在存储器内。采集板上共有三颗IC:PIC16C73、24WC08、DS1307。其中PIC16C73为采集板的主控芯片;24WC08为1024bytes的E2PROM,DS1307为实时时钟芯片,内有64bytes的RAM。
A、转发器与计量表的连接
转发器底部共有10个出线孔,从左往右→1、2、3……10,其中第2孔至第9孔,每组为8条不同颜色的线。每相临两组颜色相同的线为一对。第1孔出线为8根,出线的颜色分别为两红、两黑、一白、一蓝、一绿、一黄,其中白、蓝两色线接变压器输出端,两红、两黑待转发器通电后对接(红对红、黑对黑),绿黄两线为信号通讯线。
B、水表、燃气表接线表
水表和燃气表可以共用同一个转发器,每个转发器最多可接30个双干簧管的水表或燃气表,这30个表可分为4组,每组分别为8个、8个、8个和6个表。每个表上有3条线,其中1条是公共线,2条是信号线。
3.4 人机交互部分(显示板)
显示板是本机中人机交互的部分,主要有以下功能:
本机中的显示部分采用128*64点阵的LCD显示器,它用来显示操作所需要的所有信息。键盘输入功能:
由于本机可以在单元转发器上查询每个表的数据、抄表等功能,本机设计了20个按键。
IC卡抄收功能:
本机在设计上允许抄表员通过不同权限的IC来抄表,所以将这部分的功能全部集中到显示板上来控制。
3.5 通讯扩展板的设计
由于单元转发器之间是通过485总线进行通讯的,所有的转发器与数据管理机都是挂在485总线上的,而根据485总线的定义及小区的实际物理条件,每一段485总线最多只能挂不超过32个设备,且每段总线不能超过1000米。如果一个小区有不超过31个楼梯,而每个楼梯可以用一台转发器进行采集,并且小区最长的距离不超过1000米,那么就不需要对总线进行扩展。但随着城市建设的高速发展,住宅小区向大型化发展,小区的楼房越来越多。根据调查,目前在中等城市的住宅小区有很多都超过3000户,而小区的最长距离超过3000米。为适应这种需求,我们就要在设计上在距离及用户数量方面进行扩充。目前最经济的办法就是直接对485总线进行扩展。通讯扩展板就是为此而设计的,在应用上,可以根据需要将通讯扩展板置入某一台单元转发器中,对总线进行容量及距离上的扩展。
4.总结
城市水、电及煤气表自动抄收系统是随着城市的发展及人们对节能环保越来越重视的背景下发展起来的一种新型三表自动抄收方式,它不仅解决了繁杂的抄表工作,而且还能根据节能环保的要求进行分时段计费,并能根据要求实时对整个用电、水及气网进行监控,为我国推行分时计费及节能减排提供了技术上的保证。作者根据自己的工作实践经验,结合单片机的特点,在此提出一种利用单片机设计水、电及气表自动抄收系统的原理及其实现方法。