超聲波熱量表無線抄表系統(tǒng)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)超聲波熱量表無線抄表系統(tǒng)燕 山 大 學(xué)2012年06月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)超聲波熱量表無線抄表系統(tǒng)學(xué)院(系)：電氣工程學(xué)院 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器 學(xué)生 姓名： 學(xué) 號：080103020020 指導(dǎo) 教師： 答辯 日期： 2012.06.25 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：儀表 學(xué)號080103020020學(xué)生姓名專 業(yè)班 級08儀表1班題目題目名稱熱量表無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) ( )；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型( )；理論研究型( )；計(jì)算機(jī)軟件型( )；綜合型( )2.管理類( )；3.外語類( )；4.藝術(shù)類( )題目

2、類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)( ) 2.論文( )題目來源科研課題( ) 生產(chǎn)實(shí)際( )自選題目( ) 主要內(nèi)容1超聲波熱量表的功能分析；2m-bus或zigbee總線系統(tǒng)的研究；3gprs無線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)；4上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)?；疽?掌握超聲波熱量表的工作原理；2完成m-bus或zigbee總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；3完成gprs無線通訊系統(tǒng)；4完成上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。參考資料1張毅剛等.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì),哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,20082李崇德.現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器原理與應(yīng)用,北京:電子工業(yè)出版社,19893謝自美.電子線路綜合設(shè)計(jì),武漢:華中科技大學(xué)出版社,2006周 次第 1 4周第 5 8周第 912

3、周第1316周第 1718周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱收集相關(guān)資料，對研究內(nèi)容進(jìn)行初步學(xué)習(xí)了解超聲波熱量表的基本原理和路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)m-bus和gprs結(jié)合的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)調(diào)試結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的正確性，并撰寫論文指導(dǎo)教師：職稱：教授 年 月 日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要隨著我國熱計(jì)量事業(yè)的快速發(fā)展,熱量計(jì)量系統(tǒng)必須超越原有的傳統(tǒng)方式，將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及自動化技術(shù)應(yīng)用于智能小區(qū)的遠(yuǎn)程抄表，對供熱收費(fèi)逐漸達(dá)到信息化和智能化。本文簡述了無線抄表技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對總線的選擇及系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論證，確定了系統(tǒng)的三大組成部分用戶熱量表、樓宇集中控制器(簡稱集中器)和主控中

4、心。首先簡述了基于超低功耗微控制器tdc的熱量表的內(nèi)部硬件構(gòu)成以及關(guān)鍵參數(shù)的測量和計(jì)算方法，其次介紹了樓宇數(shù)據(jù)集中器的設(shè)計(jì)，m-bus和zigbee的結(jié)合，并論述了用戶熱量表與集中器連接的m-bus總線的硬件接口電路，制定了系統(tǒng)的通訊協(xié)議。然后，介紹了集中器與主控計(jì)算機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)通信方法。采用gprs無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主控中心對集中器的遠(yuǎn)程控制，介紹了通過單片機(jī)控制gprs通過短信形式發(fā)送讀表命令，進(jìn)行了主控中心系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，通過vc編寫上位機(jī)程序，主要包括數(shù)據(jù)庫編程和主控界面的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)通訊；無線抄表；上位機(jī)；主控abstractin company with the rapid d

5、evelopment of heat metrology project of our country, heat measuring system must overstep the intrinsic traditional method, and have network communications, computer control technique and automation technology applied in the remote meter reading of intelligence community, so as to work up to the norm

6、alization and intelligent of heating collection. to begin with, the paper presented the general information of state-of-the-art of automatic meter reading technology, and demonstrated the selection of bus and the general structure of the system, then made certain the three main components of the sys

7、tem; those were consumptive heat meters, concentrators and master control center. in the next place, the paper introduced the internal hardware organization and the measurement and computing method of some key parameters of the heat meter based on ultralow power dissipation tdc. then discussed the h

8、ardware interface circuit and emc design of m-bus that connects the heat meters and the concentrator, constituted the communication protocol of the system, and analyzed the software programming. afterward, the paper introduced the technique of wireless data communication between master control compu

9、ter and concentrators. carried out the remote control of master control computer to the concentrators via gprs wireless network, introduced the principal and switching in method of gprs module dtu. researched and developed the master control center system, primarily included the database programming

10、 and the design of the master control interface.keywords network communications；meter-reading system with wireless remote-transmission；position machine； master control目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1課題背景11.2抄表系統(tǒng)的研究和現(xiàn)狀11.2.1 自動抄表系統(tǒng)的研究背景1 1.2.2 國外自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀3 1.2.3 國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀41.3 選題依據(jù)及意義41.4 本課題研究的主要內(nèi)容6第2章 系

11、統(tǒng)概述72.1 硬件終端設(shè)計(jì)72.1.1 熱量表72.1.2 采集器72.1.3 集中器82.1.4 中心服務(wù)器92.2 系統(tǒng)軟件介紹92.2.1 采集器軟件92.2.2 集中器軟件92.2.3 中心軟件102.3本章小結(jié)10第3章 超聲波熱量表的研究123.1 超聲波流量的監(jiān)測方法123.1.1 時(shí)差法超聲波流量測量原理123.1.2 時(shí)差法測量的優(yōu)點(diǎn)143.2 超聲波傳播時(shí)間測量143.3. 溫度測量163.3.1 溫度測量原理163.3.2 溫度測量的實(shí)現(xiàn)163.3.3 影響測溫精度的因素193.4 熱量算法的設(shè)計(jì)203.4.1 熱量計(jì)算原理203.4.2 熱量計(jì)算方法213.5本章小結(jié)

12、23第4章 數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)254.1 m-bus儀表總線設(shè)計(jì)254.1.1 m-bus儀表總線協(xié)議254.1.2 m-bus總線的結(jié)構(gòu)模型及特點(diǎn)254.1.3 m-bus儀表總線協(xié)議274.1.4 數(shù)據(jù)的傳輸304.1.5 m-bus電路的設(shè)計(jì)324.2 zigbee無線通訊設(shè)計(jì)334.2.1 zigbee知識介紹334.2.2 zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層的體系結(jié)構(gòu)研究354.2.3 zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)364.2.4 網(wǎng)絡(luò)的組建原理364.3 gprs網(wǎng)絡(luò)通訊374.4 系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)374.4.1 采集器軟件設(shè)計(jì)374.4.2 集中器軟件設(shè)計(jì)384.5 系統(tǒng)硬件連線圖39

13、4.6本章小結(jié)40第5章 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)415.1上位機(jī)的功能415.2 上位機(jī)界面415.3 本章小結(jié)45結(jié)論46參考文獻(xiàn)47致謝49附錄50附錄151附錄257附錄362附錄471附錄577附錄687第1章 緒論1.1 課題背景隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，能夠自動控制與采集的儀表越來越多的引入到人們的生活中去。隨著各式各樣的儀表在不用的需求下越來越多的使用，人們在儀表的采集和儀表的管理這方面也越來越重視了。以前的抄表方式都是抄表員到現(xiàn)場親自抄表。當(dāng)儀表數(shù)量相對較少、儀表位置相對集中的情況，這種早期的超標(biāo)方式是比較合適的。但當(dāng)儀表數(shù)量較多、儀表位置比較分散的時(shí)候，這種傳統(tǒng)的熱工去

14、抄表方式存在著許多不足：例如在工作環(huán)境很差的地方或者有的儀表放在了相對距離比較遠(yuǎn)的地方，這些情況下都不利于老式的抄表；一旦使用的儀表出現(xiàn)了故障和錯誤，我們不容易發(fā)現(xiàn)；傳統(tǒng)的抄表使用大量的人力物力，工作效率低下。手動抄表除了效率低，勞動強(qiáng)度大之外，還存在抄表不到位、漏抄、估抄、錯抄、錯算及抄表周期長等問題。所得到的數(shù)據(jù)需要人工的輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，降低了現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的效率。正是因?yàn)槭謩映泶嬖谥@些不足，人們開始尋找新的能替代勞動密集型的人工抄表方式，自動抄表系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生了。1.2 自動抄表的研究背景和現(xiàn)狀1.2.1 自動抄表系統(tǒng)的研究背景長期以來，我國一直曹永以機(jī)關(guān)單位為員工提供取暖，從上

15、世紀(jì)60年代就開始使用，根據(jù)前蘇聯(lián)的體系，我國慢慢成立了有自己特色的供熱體系。隨著經(jīng)濟(jì)體制由計(jì)劃向市場慢慢轉(zhuǎn)變，以前的供熱體制無法適應(yīng)時(shí)代的要求。根據(jù)歐美國家的經(jīng)驗(yàn)，采用每戶交自己的熱費(fèi)可以節(jié)能2034，這也正好適應(yīng)了國家的節(jié)能減排的政策。根據(jù)我國建設(shè)部1995年發(fā)布的建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃，我國住宅的供熱體系到2010年將逐漸實(shí)行分戶收費(fèi)制度，由此可見熱量表在現(xiàn)在收費(fèi)體制和取暖設(shè)備中占有很重要的地位。熱量表開始起源于歐洲，從1964年德國開始首次研制熱量表。開始的熱量表為機(jī)械式，采用孔板、文丘里管進(jìn)行流量測量，電子熱量表在70年代后才出現(xiàn)，電子式熱量表也經(jīng)歷了從電子積分式、模擬

16、積分式，到以微處理器為根本的自動式的發(fā)展過程。1988年，國際計(jì)量組織發(fā)布了世界上第一個國際的熱量表標(biāo)準(zhǔn)文件：oimlr75號國際建議熱量表。最近我國在城鄉(xiāng)供熱體制的改革取得了重大的進(jìn)步，結(jié)合供熱計(jì)量的需求和在理論上的深入研究，我國發(fā)布了行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)熱量表，并于2008年起正式實(shí)施。這標(biāo)志著我國的城鄉(xiāng)供熱體系改革已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品生產(chǎn)和配套設(shè)施建設(shè)階段，我國已經(jīng)進(jìn)入按供熱采暖按計(jì)量收費(fèi)的時(shí)期。我國現(xiàn)在大部分取暖地區(qū)還是按建筑面積來計(jì)算收取費(fèi)用的收費(fèi)體制，這種供熱方法由于用戶自己沒有對熱量的控制方法，用的多少都是交相同的費(fèi)用，沒有節(jié)能減排的意思，所以節(jié)約熱能源的悟性不高，其次，熱力公司收取費(fèi)用比較困難

17、，導(dǎo)致設(shè)備和技術(shù)的搞糟的積極性也不高。因此我國供熱水平得不到很大的發(fā)展，這樣使得我國的熱量資源得到了極大的浪費(fèi)。在這樣的情況下，我國不斷的提出了很多節(jié)能降耗方案，并提出要對居民供熱體制進(jìn)行改革，居民取暖不能單一的按面積收費(fèi)，要依照自身使用的熱量，準(zhǔn)確的收取熱量費(fèi)。在這樣的情況下分戶熱計(jì)量、精確計(jì)量技術(shù)也的到了不少的進(jìn)步，檢測熱量的儀表也使用到用戶小區(qū)中。隨著戶用熱量表用戶的越來越多，抄取大量熱量表的工作又成為一種問題。目前使用的熱量表一般都是單獨(dú)的計(jì)量，每個表只是單獨(dú)的測量一個用戶的細(xì)心，無法連接成網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致熱網(wǎng)對每個計(jì)量點(diǎn)的信息無法集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣有些用戶對于熱量中心來說都無法檢測到，

18、導(dǎo)致了供熱水平和效率低下，無法達(dá)到節(jié)約能源、降低損耗的根本目的。目前市場針對的熱量表的抄表方式基本還都是人工去抄表或者是有線的抄表方式。傳統(tǒng)的抄表是人工到每家每戶抄取熱量表數(shù)據(jù)，不可避免的存在以下問題：所得數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，無法反應(yīng)用戶到底使用了多少熱量；沒有統(tǒng)一的操作，存在不明的損失；數(shù)據(jù)采集不及時(shí)，不能及時(shí)反應(yīng)用戶信息；并且使用人數(shù)要比較多，投入比較多，但是效率低。顯然，上述缺點(diǎn)使得人工抄表管理模式不適應(yīng)現(xiàn)有的供熱體制，也使得分時(shí)熱價(jià)運(yùn)營和管理等一些模式的推行。自動抄表技術(shù)在技術(shù)和管理兩方面都繼續(xù)得到長足的進(jìn)步和改革，因?yàn)樽詣映硐到y(tǒng)火熱的發(fā)展起來。傳感器、自動化儀表以及集成電路技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的

19、進(jìn)步，為自動抄表的實(shí)現(xiàn)提供了可能。1.2.2 國外自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前許多國家和地區(qū)已經(jīng)床反的使用了自動采標(biāo)系統(tǒng)，慢慢的取代了早期的抄表方式，其中熱量表的自動抄表系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。對著80年代計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模電路的發(fā)展，抄表技術(shù)也隨之得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。使得這種抄表方式能夠大規(guī)模的推廣變成了一種可能。由于比較多的開發(fā)費(fèi)用和產(chǎn)品的不成熟性，使得很多商家在這個新興的行業(yè)中都望而卻步，雖然這個市場很誘人。隨著新技術(shù)的發(fā)展，硬件可靠性的提高，成本的逐漸降低和這個巨大的潛在市場，使得很多商家投入到arm這一新技術(shù)的研究。在科羅拉多州丹佛市，一家公用事業(yè)企業(yè)將77萬余臺熱量表實(shí)現(xiàn)了自動抄表，

20、成為美國推廣應(yīng)用量最大的一家公司；北美在1994年初就已裝有自動抄表技術(shù)。截止到2003年1月，北美已經(jīng)有49311372個單元使用自動抄表。在歐洲，由于官方宣稱在2000年前要撤銷對公共事業(yè)的某些管制，引起了公共事業(yè)企業(yè)間的競爭加劇。arm技術(shù)成為企業(yè)提高服務(wù)水平、爭取用戶并提供及時(shí)的耗用信息，降低銷售成本的重要手段，于是英、法、德、意等國家的企業(yè)也紛紛制訂arm技術(shù)的計(jì)劃。目前能生產(chǎn)自動抄表設(shè)備的表具制造公司主要有英國的dresser industries，法國的magnol，德國的schlumberger和意大利的met rum。另外，1986年美國建立了amra自動抄表研究協(xié)會，每一年

21、左右開一次國際年會，很多專題報(bào)道都會在年會上出現(xiàn)，目的在于能夠進(jìn)一步推廣和發(fā)展arm技術(shù)。隨后已過和歐洲的自動抄表協(xié)會也相機(jī)成立。與此同時(shí)，iec的tc57和tc13兩大標(biāo)準(zhǔn)化逐漸成為arm系統(tǒng)指定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。各式各樣的arm系統(tǒng)，很多新的arm技術(shù)不斷推出，使得整個自動抄表技術(shù)行業(yè)快速的發(fā)展。1.2.3 國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前我國所使用的抄表方式基本可以分為三種。一是傳統(tǒng)的人工抄表方式，抄表人到每家每戶讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)帶到總局后再將數(shù)據(jù)人工的輸入電腦。二是預(yù)付費(fèi)方式，抄表人不再需要到用戶家里，用戶到銀行提前繳納費(fèi)用或到儀表管理部門購買磁卡、ic卡等，按自己的需求購買需求量，完成收

22、費(fèi)工作。三是遠(yuǎn)程抄表方式，監(jiān)控中心通過遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)自動獲取遠(yuǎn)程儀表數(shù)據(jù)的方式。當(dāng)前在我國國內(nèi)大量使用的仍然是采用傳統(tǒng)人工抄表方式，部分地區(qū)已經(jīng)慢慢設(shè)立遠(yuǎn)程抄表的試點(diǎn)。1.3 選題依據(jù)以及意義隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市理念高層建筑不斷增多，工商用戶及三資企業(yè)快速增加，農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)化逐漸普及，鄉(xiāng)鎮(zhèn)里面企業(yè)逐漸增多，農(nóng)民家用電器快速普及，隨著“一戶一表”政策的實(shí)施和多種電價(jià)制度的實(shí)施，隨之抄表工作將發(fā)生了巨大的變化而且將變得越來越復(fù)雜。以前的抄表方式的質(zhì)量和效率上存在的問題也逐漸暴露出來。以熱力系統(tǒng)為例子，將發(fā)現(xiàn)老式的抄表方式存在以下問題：(1)傳統(tǒng)的人工抄表由于熱力網(wǎng)分布面廣，用戶不集中等原因使

23、得抄表投入成本高，消耗勞動強(qiáng)度大。(2)由于抄表質(zhì)量低引起的不明損失大。由于抄表工作量大、采集周期短、收集頻率高，加上抄表員工的行為不統(tǒng)一，抄表不到位、估抄、錯抄現(xiàn)象普遍，不明損失大。(3)熱力公司對信息的采集困難，不利于熱價(jià)及時(shí)隨著市場的變化而變化，熱價(jià)可調(diào)范圍小。(4)不利于對用戶的收費(fèi)和檢測制度的改革。隨著市場經(jīng)濟(jì)的逐步完善，熱作為一種商品也開始慢慢的被人們接受。但由于個地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡，欠費(fèi)現(xiàn)象對熱力企業(yè)有很大的沖擊，很難將熱費(fèi)收取已成為不可否認(rèn)的事實(shí)。因此許多熱力公司慢慢開始采取預(yù)先購買熱量的方法，采取定量供應(yīng)，不允許負(fù)荷，實(shí)行先付款，后消費(fèi)的營業(yè)收費(fèi)方式，確保熱費(fèi)不能及時(shí)回

24、收。實(shí)施購熱制，需要通過對用戶的監(jiān)控手段進(jìn)行改革，當(dāng)前的人工抄表和計(jì)算方法基本不能適應(yīng)這種收費(fèi)制度，無法對用戶實(shí)施及時(shí)和有效的監(jiān)控，阻礙了收費(fèi)制度和改革的進(jìn)一步實(shí)行。(5)不能適應(yīng)現(xiàn)代化的物流管理。隨著電子應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已慢慢的地應(yīng)用于熱費(fèi)管理業(yè)務(wù)中，這樣機(jī)會能適應(yīng)快速的社會的信息化發(fā)展。而人工抄表方式不能及時(shí)準(zhǔn)確的將得到的信息送入熱費(fèi)管理系統(tǒng)。由于上述問題，對于無線抄表系統(tǒng)的研究是很具有必要性的。(1)從用戶的需求方面來說，一種新的抄表付費(fèi)方式確實(shí)需要開發(fā)。對熱力公司來說，以前的抄表方式不能適應(yīng)新的住宅結(jié)構(gòu)建設(shè)，隨著城市高層住宅的增加，使得人工抄表的效率越來越低。而且隨著城市公共

25、事業(yè)的發(fā)展以及很多智能化小區(qū)的出現(xiàn)，熱管理及抄表收費(fèi)的矛盾越來越突出，以前的抄表收費(fèi)方式的缺點(diǎn)已明顯凸顯，阻礙了公共事業(yè)的改善和管理水平的提高。然后對最終用戶來說，以前的抄表也給現(xiàn)在快節(jié)奏的生活方式，對生活的私密性和安全性也帶來了很大的威脅。供需雙方都希望有能夠自動快速不干擾居民生活的抄表收費(fèi)方式，能同時(shí)兼顧到用戶和管理部門雙方的利益，不但可以實(shí)現(xiàn)簡單操作程序，用戶方便，挺高了人民群總的生活質(zhì)量，也使得企業(yè)的負(fù)擔(dān)得到減輕，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本得到減輕，并且使得用戶的安全性得到了提高，所以需要一種更完善的自動抄表方案來解決這些問題。(2)從技術(shù)方面來說，目前的技術(shù)已經(jīng)可以解決上述的問題。首先，這些年來

26、，多種多樣的抄表方式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如rs485、mbus、canbus的專線傳輸，電力載波傳輸?shù)确绞?。但是現(xiàn)有的這些方式還存在著自己的一些缺點(diǎn)。隨著短距離微功耗無線通信技術(shù)的升溫，無線集中抄表慢慢的成為了一種比較好的選擇。尤其是微功率短距離的無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，加上無線抄表技術(shù)的據(jù)去要求，根據(jù)選擇不同的路由算法，可以滿足無線集中抄表的需求。除此之外，無線抄表技術(shù)還有安裝維護(hù)方便，安裝成本低廉，每個通信終端節(jié)點(diǎn)相對獨(dú)立等很多優(yōu)勢。1.4 本課題研究的主要內(nèi)容目前，實(shí)現(xiàn)無線抄表的方法很多，在本課題中選擇了當(dāng)前比較火熱的m-bus總線技術(shù)和zigbee無線傳輸技術(shù)。本論文重點(diǎn)介紹了，在數(shù)據(jù)集中的過程

27、中的方法，就是m-bus總線加上zigbee無線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中和傳輸，這種方式可靠性比較高。其次，是通過vc設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)和zigbee的通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的讀取熱量表數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，使用戶的使用信息一目了然的顯示在上位機(jī)界面中。第2章 系統(tǒng)概述無線遠(yuǎn)程抄送系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)終端系統(tǒng)、集中器和中心服務(wù)器組成。其中，終端系統(tǒng)由熱量表、采集器構(gòu)成，采集器通過接口電路與熱量表通信。集中器與采集器之間應(yīng)用zigbee技術(shù)構(gòu)成無線數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)。中心服務(wù)器與集中器之間由于通訊距離較遠(yuǎn)，采用gprs模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線通信，如圖2-1所示。圖2-1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄表系統(tǒng)2.1 硬件終端設(shè)計(jì)2.1

28、.1 熱量表熱量表利用超聲波測量管道流速、溫度敏感元件鉑電阻pt1000測量供回水溫度，能夠精確計(jì)算用戶的用熱量，每個熱量表都有地址編號，能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，向外部傳送供回水溫度、瞬時(shí)流速、累計(jì)流量、累計(jì)熱量、累計(jì)工作時(shí)間、日期等數(shù)據(jù)。2.1.2 采集器采集器由微控制器(mcu)、接口電路、控制電路、電源電路和zigbee模塊等組成，通過接口電路讀取熱量表的數(shù)據(jù)，控制鎖閉閥開關(guān)，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)完成與集中器的通信。結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-2所示。采集器和集中器之間采用的zigbee技術(shù)是一種短距離、低速率、高效率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸頻帶為全球通用2.4ghz，其底層采用了直擴(kuò)技術(shù)，具有大規(guī)模的組

29、網(wǎng)能力。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以接力的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率最快可達(dá)250kb/s。在不同的工作頻率下，節(jié)點(diǎn)傳輸距離從十幾米到幾十米，若增加功率放大裝置，可使傳輸距離更遠(yuǎn)。對于該系統(tǒng)，終端分布較集中，集中器與采集器之間距離較短，且傳輸數(shù)據(jù)量少，實(shí)時(shí)性要求高，因此采用zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 圖2-2 采集器結(jié)構(gòu)原理圖2.1.3 集中器集中器以單片機(jī)為核心，由電源電路、識讀器、gprs模塊、zigbee模塊、數(shù)據(jù)存儲電路和顯示電路等部分組成。硬件框圖如圖2-3所示。其主要功能為：通過識讀器讀取射頻卡數(shù)據(jù)，存儲購熱量并將卡內(nèi)數(shù)據(jù)清零；定時(shí)通過zigbee網(wǎng)絡(luò)獲取采集器讀取的熱量表數(shù)據(jù)和鎖閉閥狀態(tài)，并將數(shù)

30、據(jù)存儲打包；通過gprs網(wǎng)絡(luò)向中心服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)包。由于集中器的分散性、距中心服務(wù)器較遠(yuǎn)，所以采用gprs技術(shù)進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)。gprs傳輸方式作為gsm較為成熟的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。在gprs信道上提供tcp/ip連接，可以用于internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。而在此網(wǎng)絡(luò)上提供的gprs數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)資費(fèi)甚至低于專網(wǎng)的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)有著數(shù)據(jù)傳輸速率高、通信質(zhì)量可靠、開發(fā)周期短、安裝調(diào)試方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程無線傳輸通信上選用gprs通信模式。2.1.4 中心服務(wù)器

31、中心服務(wù)器通過gprs網(wǎng)絡(luò)接收集中器傳送的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，管理部門可通過主站軟件對用戶的熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、監(jiān)測供熱情況，便于供熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)控；通過管理軟件和財(cái)務(wù)軟件完成用戶信息存儲和充值等。圖2-3 集中器結(jié)構(gòu)原理2.2 系統(tǒng)軟件介紹2.2.1 采集器軟件 工作過程為：首先對zigbee模塊進(jìn)行初始化，包括初始化串口、i/o口等。然后發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待集中器內(nèi)的zigbee模塊的應(yīng)答。若沒有接收到應(yīng)答，則采集器繼續(xù)發(fā)送入網(wǎng)信號，若加入網(wǎng)絡(luò)成功，則等待集中器的命令。接收到集中器的命令后，通過接口電路讀取熱量表的數(shù)據(jù)。2.2.2 集中器軟件系統(tǒng)初始化，包括定義系統(tǒng)的時(shí)鐘信號、工作頻率、存

32、儲器初始化及i/o接口、定時(shí)器等外設(shè)的初始化，。初始化zigbee模塊建立網(wǎng)絡(luò)，與采集器建立連接；初始化gprs模塊申請入網(wǎng)與中心服務(wù)器建立連接。當(dāng)有射頻卡進(jìn)入識讀器的工作場時(shí)，程序會進(jìn)入中斷函數(shù)，完成射頻卡的讀寫操作。如果定時(shí)器時(shí)間到了，程序進(jìn)入定時(shí)器中斷函數(shù)，將采集熱量表的標(biāo)志位置位，在主程序中開始通過zigbee網(wǎng)絡(luò)向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并等待返回?cái)?shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)打包通過gprs網(wǎng)絡(luò)上傳至中心服務(wù)器。2.2.3 中心軟件用戶檔案管理系統(tǒng)中所有熱量表和采集器都建立檔案，包括安裝位置，熱量表型號，戶主信息，熱量表與采集器的對應(yīng)關(guān)系，熱量表更換和系統(tǒng)維護(hù)等信息，便于日后維護(hù)管理；抄取的熱量表

33、數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫中，做好數(shù)據(jù)備份并提供公開的接口，用戶可通過接口訪問數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控管理中心可以查看系統(tǒng)中任何一個熱量表和鎖閉閥的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，并可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，為熱力公司調(diào)控提供數(shù)據(jù)依據(jù)，保障供熱均衡；同時(shí)當(dāng)出現(xiàn)異常或熱量表故障時(shí)，可以及時(shí)地采取措施。財(cái)務(wù)系統(tǒng)如果是管理中心自行收費(fèi)，本系統(tǒng)可以自動生成收費(fèi)報(bào)表，并打印收據(jù)，可以根據(jù)客戶的需要打印查詢報(bào)表，并且具有繳費(fèi)方式統(tǒng)計(jì)和未繳費(fèi)用戶統(tǒng)計(jì)功能。2.3 本章小結(jié)本章介紹了整個抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，介紹了每部分硬件和軟件的基本框架和思路。簡單介紹了每部分的技術(shù)指標(biāo)的要求，比如通訊的波特率，傳輸距離，傳輸速度等。第3章 超聲波熱量表的

34、研究我國建設(shè)部于1995年發(fā)布了建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃，提出我國住宅集中供暖地區(qū)至2010年將全面實(shí)施分戶計(jì)量和收費(fèi)，經(jīng)歷了十多年的改革發(fā)展，城鎮(zhèn)供熱體制改革制度開始計(jì)入計(jì)量設(shè)施量產(chǎn)化及安裝調(diào)試的重要階段。然而，我國當(dāng)前熱量表產(chǎn)品還是以機(jī)械式為主，存在以下缺點(diǎn)：對水質(zhì)要求高，壓力造成的損失大，機(jī)械部件由于長時(shí)間使用易磨損等，無法適應(yīng)市場的需求。超聲波熱量表作為一種測量精度高、對水質(zhì)相對要求低、壓力造成的損失小、可靠性好的高性能熱量表，被專家及相關(guān)部門列為重點(diǎn)研究的新一代熱量測量儀表。因此，超聲波熱量表對促進(jìn)我國供熱系統(tǒng)收費(fèi)體制的發(fā)展和改革有著深遠(yuǎn)的意義。3.1超聲波流量監(jiān)測的方法

35、超聲波流量監(jiān)測屬于超聲應(yīng)用的一種，主要是應(yīng)用了聲速測量的技術(shù)。超聲波在流動的水質(zhì)中傳播時(shí)，便載上了水的流速信息，因此，通過對接受的超聲波進(jìn)行檢測，就可以監(jiān)測出流體的速度，進(jìn)而換算成流量。由信號檢測的原理可得，目前超聲波流量檢測方法可以分為以下幾種：傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法，相關(guān)法以及噪聲法等類型。根據(jù)對相關(guān)知識的了解，本設(shè)計(jì)采取的是傳播速度法中的時(shí)差法。超聲波在流動的水中傳播，順流方向傳播速度會增大，逆流方向傳播減小，同一傳播距離便產(chǎn)生了不同的傳播時(shí)間，利用其時(shí)間差與被測流體流速之間的關(guān)系可以得到測量流體的速度，進(jìn)而換算成流量。3.1.1時(shí)差法超聲波流量測量原理如圖3-1所示為超聲波

36、熱量表的內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)簡化圖， 途中管道內(nèi)徑為d，轉(zhuǎn)換器之間的水平距離為l，水的流動方向由左向右；當(dāng)流體以速度流動時(shí)，超聲波的實(shí)際傳播速度為c，c是聲速正常傳播速度和水在管道方向上的流速分量的疊加，即： (3-1)超聲波信號在水中順流和逆流的傳播時(shí)間分別為： = (3-2) 圖3-1 超聲波熱量表管段內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化圖 = (3-3)式中：l為兩個轉(zhuǎn)換器之間的距離，為超聲波在靜止介質(zhì)中的傳播速度。 -= (3-4)一般情況下，超聲波在液體中傳播速度在1000m/s以上，而多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中流體速度遠(yuǎn)小于聲速，即，成立時(shí)， (3-14)測出vout即可求出rt的值。 圖3-4 恒壓源測溫電路圖電橋輸出電壓

37、為： (3-15)根據(jù)上面導(dǎo)出的計(jì)算式可以求得pt1000的阻值rt，再根據(jù)溫度與電阻的關(guān)系式來求得溫度值。但是這種方法存在著自身的缺點(diǎn)，由于采用了恒流源或者恒壓源，這樣使得電路的功耗大。在選用的tdc-gp2芯片內(nèi)部具有一個專門來測量溫度的模塊，它是根據(jù)電容充放電原理來實(shí)現(xiàn)溫度測量的，gp2里面擁有4個測溫端口，同時(shí)可以對兩對傳感器進(jìn)行測量，這樣也就能實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)超聲波熱量表的時(shí)候，能夠滿足冷端溫度和熱端溫度的同時(shí)測量。這個測溫單元具有16位的有效測量精度，也就是說能夠測量的最小單位是0.004。下面就介紹一下怎么通過電容充電放電來測電阻。不同的阻值的電阻對同一個電容進(jìn)行充放電，然后該電容想同

38、一個阻值的電阻進(jìn)行充放電所需要的時(shí)間是不一樣的，根據(jù)這個原理可以間接的但應(yīng)測量電阻的大小。測量原理如圖3-5所示。充放電法是建立在單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器和模擬比較器來對充放電時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控和測量，來得到充放電的時(shí)間。工作過程如下：電路連接圖如圖3-5，在單片機(jī)p口上的任何一個輸入輸出口和模擬比較器之間連接上被測電阻rsens，在單片機(jī)p口的另一個口和同一輸入端口(+)之間連接上參考電阻rref，在比較器的輸入端有一個電容接地。這時(shí)通過控制所選擇的兩個p口的端口來控制通過被測電阻和固定電阻對電容充放電。這是由于電容充放電將導(dǎo)致模擬比較器的輸入端電壓發(fā)生變化。如果先被測電阻充放電，

39、在參考電阻充放電，則由于兩電阻阻值不一樣，而引起充放電時(shí)間也不一樣，如圖3-6所示。圖3-5 電容充放電反映電阻大小模擬比較器的另端模擬輸入端()與單片機(jī)內(nèi)部參考源0.25vcc連接到一起。先通過電阻對電容有一段時(shí)間的充電，然后放電。模擬比較器的爭端的電壓會慢慢的降低，當(dāng)降低到0.25v時(shí)比較器的輸出信號pa0out。當(dāng)開始放電時(shí)，記下現(xiàn)在定時(shí)器的值tar，當(dāng)模擬比較器有輸出信號pa0out時(shí)，通過捕獲定時(shí)器，能夠再次記錄定時(shí)器值，兩次記錄的定時(shí)器的差值就是接入電阻的放電時(shí)間。這樣通過測量就能夠得到被測電阻和參考電阻不同的放電時(shí)間，由于放電曲線近似直線，近似圖如圖3-6，根據(jù)公式： (3-16