隨著電子通信與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠程抄表技術(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)目煽啃浴Ｔ撓到y(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，漢字數(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（當余額顯示為負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（當前水價）顯示,、當前日期及當前時間之外，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)。現(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)住戶當月用水情況,，自動生成住戶當月報表，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。