超声波热能表及远程抄表系统研究

摘要

目前我国正在大力推行节能减排方针，以应对能源短缺、环境污染愈加严重的严峻局面。在冬季居民集中供暖方面，国家正在力图改变粗放的、能源浪费严重的传统供暖方式，积极推广按户计量、按用量收费的新型供暖方式，因此需要性能优良、使用方便、经济耐用的户用热能表。尽管我国生产户用热能表的企业、产品已有不少，然而在实际应用中还存在诸多问题，严重影响到新型按户计量、收费的供暖方式的推进。所以，许多研究机构、高校和企业正在积极开展研究工作。
　　本文在以往研究工作的基础上，对基于超声检测原理的热能表进行了研究改进，并重点研究设计了针对居民小区应用的、基于ZigBee与M-Bus技术的热能表计量数据远程自动抄表系统。
　　在热能表研究方面，以管道压力损失的大小和流体扰动状况为判别依据，以Fluent软件为工具，对超声热能表流量测量通道机械结构进行了仿真研究与分析，认为在多种结构中以反射式结构为优并采用了这种结构。针对供热管道中的因为水质差、杂质多，对超声流量测量精度有严重影响问题，在软件处理方面进行了研究与实验，根据供热水流流动的特点，采用对测量数据先加异常判别、再做多点平均的方法，较好解决了杂质干扰问题。此外，根据热能表标准的要求，设计了读取热能表计量数据的红外抄表器。
　　针对热能表数据读取困难构建远程抄表系统，从经济性和技术实现的可能性提出有线和无线相结合的远程抄表模式;设计了M-BUS总线系统，通过研究和实验验证解决了热能表的持久供电问题。
　　以ZigBee技术为基础，设计了小区内节点设备间的无线数据传输网络，该网络可进行自动组网、线路优化，实现无线网络的检测和维护，保证信息传输的安全可靠。
　　采用Visual C＃对管理控制中心的软件进行优化，增加自动组网，自动优化传输路径和故障检测、修补，提高了控制系统的自检和维护功能。
　　实验表明:本文中预设的功能都成功实现，设计的结构可以实现流速分布均匀，压力损失符合国家规定，设计的抄表系统可实现自动组网和远程数据传输，并解决了仪表的供电问题。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 热量计量技术的发展现状

1．2．1 国外热量计量的发展现状

1．2．2 国内热量计量的发展现状

1．2．3 热能表的分类及特点

1．3 本文的主要研究内容

2 超声波热能表设计

2．1 超声波流量计原理

2．2 管道结构优化

2．3 硬件电路设计

2．3．1 组成

2．3．2 微处理器选型

2．3．3 测量电路设计

2．3．4 显示电路设计

2．3．5 红外接口电路设计

2．4 软件程序设计

2．4．1 热能表软件工作流程

2．4．2 测量数据的处理

2．5 小结

3 远程抄表技术方案研究

3．1 远程抄表方案设计

3．1．1 远程抄表结构设计

3．1．2 通信方案设计

3．1．3 上位机方案设计

3．1．4 热能表供电方案设计

3．2 红外抄表器设计

3．2．1 红外抄表方案设计

3．2．2 红外器件选择

3．2．3 红外通信协议设计

3．2．4 抄表器硬件电路设计

3．2．5 红外通信流程设计

3．3 小结

4 M-Bus总线设计

4．1 M-Bus总线介绍

4．2 热能表总线接口设计

4．3 集中器总线接口设计

4．4 M-Bus通信规则设计

4．5 热能表总线供电设计

4．6 M-Bus接口调试实验

4．7 小结

5 ZigBee无线组网设计

5．1 ZigBee技术概述

5．1．1 ZigBee设备类型

5．1．2 ZigBee网络拓扑结构

5．1．3 ZigBee协议

5．2 ZigBee组网结构设计

5．3 ZigBee组网方案设计

5．3．1 节点硬件设计

5．3．2 节点类型设计

5．3．3 节点通信方案设计

5．4 ZigBee组网协议设计

5．4．1 创建新网络

5．4．2 建立网络连接

5．4．3 断开网络连接

5．4．4 网络地址分配

5．5 ZigBee通信协议设计

5．5．1 数据传输模式

5．5．2 帧结构

5．5．3 路由算法设计

5．6 节点设备通信实验

5．6．1 系统运行环境构建

5．6．2 试验验证

5．6．3 实验结果

5．7 小结

6 系统管理软件设计

6．1 体系总体设计

6．1．1 设计需求分析

6．1．2 软件开发工具选择

6．1．3 数据库选择

6．2 软件设计

6．2．1 软件功能设计

6．2．2 软件界面设计

6．2．3 功能模块化设计

6．3 用户数据库设计

6．3．1 数据库的概述

6．3．2 数据库表的建立、修改、删除

6．4 小结

7 系统实验

7．1 热能表红外通信检测实验

7．2 M-Bus驱动能力测试

7．3 ZigBee组网通信实验

7．4 抄表系统总体调试

7．5 小结

8 总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

附录