应用于远程抄表系统的智能集中器研制

摘要

从2003年开始，我国北方供暖由按面积收费变为按热计费，而作为热计量的唯一仪表，热量表由于可以直接测量供暖系统中的热量值，得到了迅速的普及，形成了庞大的热量表网络。对热量表的信息进行人工读取、传递和管理显然不切实际，远程抄表系统的开发与完善变得至关重要。
　　然而，传统抄表系统中，服务器拥有唯一抄表权，抄表效率低下;此外，传统的抄表系统中M-Bus集中器只能传输小字节数据，严重制约了热量表数据的采集速率。传统抄表系统已经无法满足日益庞大的热量表网络的抄表需求。因此，本文提出了一种用于大字节数据传输的高效远程抄表系统方案，自主研发了智能集中器硬件及配套的软件系统，智能集中器通过获取抄表主动权，极大地提高了新型抄表系统的抄表效率。此外，该系统可以传输和备份大字节数据，增大了系统的传输容量，进一步增强了抄表系统的通讯能力。本文主要完成了以下工作:
　　(1)智能集中器软硬件系统的稳定性设计。智能集中器以单片机为主控、外部实时时钟计时、SD卡备份大字节数据、GPRS模块远程上传，实现了自动抄表、定时存储抄表数据、按时向服务器回传抄表数据等功能。此外，智能集中器的电源进行了防反插设计，实时时钟添加了备份电源。特别针对GPRS模块，设计了静电保护和接口匹配电路，设计了心跳机制以解决GPRS模块易掉线等难题。
　　(2)智能集中器的大字节数据传输设计。设计了基于单片机实时调整电路特性的M-Bus主机模块，大大提高了智能集中器大字节数据传输的可靠性，降低了其功耗并简化了其硬件电路。
　　(3)智能集中器的可靠性测试。经测试，智能集中器M-Bus主机端实现了不少于64个字节的大数据正常通讯，GPRS模块掉线后20秒重连、SD卡备份数据。采用了智能集中器的新型抄表系统日抄表300万台，效率是传统抄表系统的100倍。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 智能集中器的研究背景与意义

1．1．1 热量表市场的新形势

1．1．2 远程抄表系统介绍

1．1．3 传统透明型远程抄表系统及其抄表容量

1．1．4 新型非透明远程抄表系统及其抄表容量

1．2 应用于远程抄表系统的集中器研究现状

1．2．1 应用于传统透明型远程抄表系统的M-Bus集中器

1．2．2 应用于新型非透明远程抄表系统的智能集中器

1．3 本文所完成的内容

1．3．1 课题来源与研究目的

1．3．2 本文所完成的主要内容

1．4 本章小结

2 智能集中器的硬件设计与开发

2．1 硬件方案总体架构设计

2．2 单片机硬件资源设计

2．3 实时时钟电路的双电源供电设计

2．4 存储模块的高速接口电路设计

2．4．1 存储模块的小型化设计

2．4．2 microSD卡的SPI工作模式电路图

2．5 GPRS远程无线通讯电路设计

2．5．1 内嵌TCP／IP协议的双频GPRS模块

2．5．2 DC／DC降压电源电路设计

2．5．3 上电自启开机电路设计

2．5．4 模块工作状态的LED展示电路设计

2．5．5 Micro SIM卡接口电路及其防静电保护设计

2．5．6 单片机与模块通讯接口电路的可靠性设计

2．5．7 天线的阻抗匹配设计

2．6 LDO降压电源电路设计

2．7 本章小结

3 智能集中器的软件设计与开发

3．1 软件方案总体架构设计

3．2 智能集中器的通讯协议

3．2．1 制定通讯协议

3．2．2 运用通讯协议

3．3 主函数main()的外设初始化设计

3．3．1 单片机片内硬件资源初始化

3．3．2 来自服务器的命令中断

3．3．3 抄表周期中断

3．3．4 存储周期中断

3．3．5 上传周期中断

3．4 时序设计microSD卡驱动程序

3．4．1 单片机的SPI时钟的极性和相位选择

3．4．2 microSD卡的SPI模式初始化流程图

3．4．3 microSD卡的读写数据块的接口设计

3．5 字符串设计GPRS模块驱动程序

3．5．1 GPRS远程连接组网方案

3．5．2 AT指令字符串输出的模块化设计

3．5．3 透明模式的TCP／IP连接状态图编程实现

3．5．4 心跳掉线后软硬件重连的稳定性设计

3．6 实时时钟的读写日历时间的时序设计

3．7 本章小结

4 用于大字节数据通讯的M-Bus主机设计

4．1 M-Bus总线介绍

4．2 传统非智能M-Bus集中器及其弊端

4．2．1 传统非智能M-Bus集中器介绍

4．2．2 传统非智能M-Bus集中器的弊端

4．3 大字节数据通讯M-Bus主机模块工作原理

4．3．1 升压电路

4．3．2 主机发送电路

4．3．3 主机接收电路

4．3．4 报警电路

4．4 M-Bus主机接收电路的软件设计

4．4．1 ADC采样编程

4．4．2 PWM模拟DAC

4．5 本章小结

5 智能集中器的测试

5．1 抄表效率测试

5．2 GPRS模块测试

5．2．1 GPRS模块大字节数据通讯能力测试

5．2．2 GPRS模块掉线重连时间

5．3 M-Bus主机测试

5．3．1 携带多从机的性能测试

5．3．2 大字节数据包的性能测试

5．4 microSD卡测试

5．4．1 microSD卡备份抄表数据测试

5．4．2 microSD卡备份配置参数测试

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献