180医院新宿舍楼光电远传水表抄表系统的设计和实现

180医院新宿舍楼光电远传水表抄表系统的设计和实现

郭亮仁

郭亮仁

中国人民解放军第180医院

摘要：本文综合运用光电技术、单片微机技术、电子技术、网络通讯技术等详细探讨和介绍了无源光电直读水表的构成和工作原理、数据集中器的组成和功能以及远程抄表管理系统的M-bus通讯和组网的实现。

关键词：光电、单片微机、M-bus、通讯

1、引言

光电直读水表是近几年快速发展起来的一种无源直读式水表，是在原有的普通机械水表上增加光电读取字轮位置的电路模块而制成，平常无需电源支持，抄表累积数等于机械表读数。解放军第180医院新建宿舍楼对265间集体宿舍安装了光电水表，实现了住户用水远程自动化管理，减轻了后勤员工管理负担，降低了抄表成本，开启了医院用水管理的数字化、智能化。下面对无源光电直读水表进行详细介绍和探讨。

2、光电直读水表工作原理

2.1设计思想

光电直读水表框架图如图2-1-1所示，经水表计量腔体的水，推动叶轮旋转，叶轮顶部齿轮啮合计数器齿轮，齿轮按10的n次方逐级分布为10-4，10－3，10－2，10－1组成小数点位数的读数，10－1齿轮与个位数字轮的齿轮啮合，每前面一个字轮旋转一周齿轮推动下一个位数字轮旋转36°，字轮的进位以此类推。水流动时叶轮旋转，带动字轮旋转，水静止，叶轮停，字轮止，利用光电直读原理，用电子装置直接读取机械字轮上面的读数，需要读表数据时，数据传输设备给出一个脉冲电流瞬间读取字轮代码，单片机解析代码给出字轮面上的数字，这就是光电直读水表读表原理。

图2-1-1电直读水表框架图

2.2光电模块的组成

四位光电直读模块是一个以单片机为核心的嵌入式采集系统，下面进行介绍。

图2-2-1光电直读模块框架图

光电直读模块关键之处是与光电直读表的机械字轮相配合的光电发射和接收管控制功能单元，每一个机械字轮都有对射的光发射管和光接收管来对其位置进行识别，单片机通过逐一驱动光发射管发光，接收管接收到红外光束后电平产生变化，接收管没有接收到光束电平不变，接收管电路图[1]参照图2-2-2。接收管导通后，单片机迅速解析，以此来断定字轮的实际位置。单片机的IO口为光电控制模块的数据采集口。

图2-2-2接收管电路图

MBUS专用模块用于智能水表同上位设备通讯，该模块是无极性连接，功耗低，具有动态电平识别的接收逻辑和防掉电功能，可提供稳压电源和支持远程供电，使智能水表由总线供电，半双工下波特率可达9600bps，通讯距离可达2.4Km[2]。

本智能水表还设计了阀控功能，单片机接到上位机开关阀命令后可以驱动控制水阀开关，阀门选用结构简单、水阻小的电动球阀。水表电机引出5根线，其中2根作为电源线，2根作为开、关检查线，1根作为公共地线，电源线由单片机通过L91105芯片引出，如图2-2-3所示。

图2-2-3阀门驱动电路图

2.3数字化编码原理

在旋翼式水表中，并排安装有四个相同的字轮，如图2-3-1所示，在每个字轮上印有相同的数据：O，1，2，3，4，5，6，7，8，9，这些数据以相等间距均匀地分布在字轮的周边，按照一定的规则在圆面上开透光孔，在水表计数的每个字轮一侧安装5组红外传感器件（发射管）,在另一侧与传感器件相对应的位置上装上5组感应装置（红外接收管）。传感器按照一定的规则在同一圆周上分布,红外发射管发射红外光束，接收管接收到光束而引起电平变化，记为1，否则为0，直读水表的个、十、百和千位都是通过这种方式直接判定。

图2-3-1字轮构造及装配示意图

字轮中心轴位置不会移动，只有数字会按固定半径顺时针方向递进，这样通过五个编码组管的通断状态,得到字轮相应的转角位置和五位字码，译码后显示与水表窗口示值相同的数字，表2-3-1是模拟字轮位置的读取信息。

表2-3-1传感器状态组合与水表显示数字间的对应关系

3、远程集中抄表组网技术

3.1整体结构

远程集中抄表系统主要由上位机管理系统、集中器和智能水表等三级网络构成。它的网络拓扑结构如图3-1-1所示：

图3-1-1远程抄表网络拓扑结构图

上位机至集中器采用TCP/IP或RS-232通讯。TCP/IP协议即在数据链路层上增加网络层和传输层，网络层使用IP协议，传输层使用UDP或TCP协议，将从集中器接收的信息转换为适合于网线传输的信号。

RS-232串口通信是一种以字节为传输单元的异步通信方式，是PC机及工业通信中应用最广泛的一种串行接口形式[4]，通信时在发送端将数据以字节为单位进行封装，即为每一字节增加起始比特和停止比特，必要时也可增加奇偶校验比特。串口通信数据传输字节格式如图3-1-2。

图3-1-2串口通信数据传输字节格式

集中器至网络水表采用M-BUS通讯。M-Bus是欧洲标准的2线总线，具有远程供电及自由拓扑等优点，使用价格低廉的电缆而能够长距离传送数据，是一种专门为耗能测量仪器传送信息设计的数据总线，布线简单，造价低廉、可靠性高。

它的特点是两条无极性传输线同时供电和传输串行数据，而各个子站(以不同的ID确认)并联在MBus总线上，网络水表为从机，上位机管理系统机为主机[5]，集中器为M-BUS的主控端，并实现与上位机的TCP/IP或RS-232通讯，每个网络水表被设定特定地址，主机循环查询，从机应答方。

M-BUS通讯从主站到终端智能水表数据传输采用电压值的变化来表示即用+36V表示逻辑“1”，用+24V表示逻辑“0”，如图3-1-3所示。

图3-1-3串口通信数据传输字节格式

从终端智能水表向采集器传输的信号采用电流值的变化来表示，即由终端仪表终端向采集器发送的数据码流是一种电流脉冲序列，通常用1．5mA的电流值表示逻辑“1”，当传输“0”时，

由仪表终端控制可使电流值增加11～20mA，电流调制[6]如下：

Ide=1．5mA(1)

Ipulse=Ide+IM(2)

式中：Ide为直流电电流；Ipulse为脉冲电流；IM为调制中变化的电流，变化范围为11～20mA。

3.2集中器

集中器如图3-2-1所示，由CPU中央处理器、MBUS转换模块、以太网模块、串口通讯、时钟和存储模块等组成，是智能抄表系统的数据集中单元，集中器通过建立可靠的通讯通道，处理和交换主控机与表单元间的数据信息，它可根据需求配置特定时间定时自动抄表，抄表后的数据保存在集中器中，供上位机随时读取。

图3-2-1集中器结构图

集中器由12VDC/2A电源供电，以单片机CPU中央处理器作为控制核心，以太网模块、串口通讯模块做为与上位机的通信模块，负责接收上位机发来的指令，由单片机进行分析。集中器从上位机接收到的信息基本上是对内部参数的设置，如定时抄表、时间设定等和信息采集指令。集中器接收到信息提取指令，通过RS-232或TCP/IP将从各个智能水表采集到的信息发送至上位机。Mbus转换模块是与各智能水表的通讯模块并为各水表提供电源。定时抄表时间到时或集中器接收到上位机的信息采集提取指令时，通过M-Bus总线向各个智能水表发送信息采集指令，接收到此指令的智能水表将相应的信息同样通过M-Bus总线发送给集中器。时钟控制模块主要用于计时和闹钟设定，信息存储模块用于存储抄表数据和抄表时间以及集中器自身的参数信息。防雷模块用于与外界隔绝，免受外界电磁干扰，也避免对其他弱电系统产生干扰，提高防雷性能和阻绝电磁干扰。

3.3上位机管理系统

上位机管理系统实际上就是一套以数据库为基础的软件管理系统，由一台计算机、上位机管理软件和一个调制解调器(MODEM)构成，利用拨号通信完成集中抄表。这个需要在电讯或移动、联通、网通等部门申请一个网络服务器。设立服务器计算机主机，计算机安装Windows操作系统，安装抄表运行系统，并与WindowsSever系统中SQLSever数据库建立数据对接登陆，开放独立IP地址内网专用IP地址端口，供抄表的数据传输设备登陆及计算机抄表系统登陆专用。

3.4医院组网方式

我院根据自己的实际情况组成远程抄表网络，具体流程图如下图所示：

图3-4-1医院远程抄表系统结构图

该系统以总线数据集中控制方式实现水表数据采集。通过水表数据采集模块与总线数据集中装置建立横向有线自组网，完成水表数据采集与M-bus总线的数据传输。通过总线数据集中器将M-bus总线的数据转换为TCP／IP的数据传输，直接与Intemet网络环境下的交换机连接，使横向有线自组网与Intemet网络有机融合，合理应用了医院现有网络环境的院内网络系统，提高了网络可靠性、稳定性，节省了费用，增加了系统管理的灵活性，实现了在连接有院内网的任何一台电脑上安装上抄表系统网络客户端以后就能管理抄表系统的功能。

4、结束语

由抄表人员逐户查抄表的传统方式，需要消耗大量的人力、物力，且采集数据时间跨度大，准确度低，医院光电远传水表远程抄表系统通过实时检测、用水分析、用水预警、故障检测、水阀开闭控制等功能，对用水进行了有效控制，降低了抄表成本，培养了员工节水意识，有效减少了水资源浪费。

参考文献

[1]贺柳良,任若曦,宋子,杨宏.光电传感器在自制水表流量计中的应用[J].中国现代教育装备.2014（3）:10-11

[2]贾琦.智能小区集中抄表系统数据的采集与监控[J].科技与创新.2015（4）:129-130

[3]吴慧玲，邵丽红.一种基于Modbus协议的改进智能水表解决方案[J].现代计算机.2014（12）:63-65

[4]唐曦文，邵芳.基于RS一232总线的测控系统开发[J].制造业自动化.2012.(4):38-40

[5]刘立群,孙志毅.基于M-bus的超低功耗数据采集系统[J].单片机与嵌入式系统应用.2006(1):24-26

[6]闫德光，戴汝平，谢军龙.M-bus总线的远程供电及拓扑构成[J].计算机测量与控制.2003(11)2:103-105