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1、本科毕业设计(论文)超声波热量表无线抄表系统燕 山 大 学2012年06月本科毕业设计(论文)超声波热量表无线抄表系统学院(系)：电气工程学院 专 业：测控技术与仪器 学生 姓名： 学 号：080103020020 指导 教师： 答辩 日期： 2012.06.25 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪表 学号080103020020学生姓名专 业班 级08仪表1班题目题目名称热量表无线抄表系统设计题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )2.管理类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )题目
2、类型1.毕业设计( ) 2.论文( )题目来源科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容1超声波热量表的功能分析；2M-bus或ZIGBEE总线系统的研究；3GPRS无线通讯系统设计；4上位机软件的设计。基本要求1掌握超声波热量表的工作原理；2完成M-bus或ZIGBEE总线的数据传输系统；3完成GPRS无线通讯系统；4完成上位机软件的设计。参考资料1张毅刚等.单片机原理与应用设计,哈尔滨工业大学出版社,20082李崇德.现代数字存储示波器原理与应用,北京:电子工业出版社,19893谢自美.电子线路综合设计,武汉:华中科技大学出版社,2006周 次第 1 4周第 5 8周第 912
3、周第1316周第 1718周应完成的内容查阅收集相关资料，对研究内容进行初步学习了解超声波热量表的基本原理和路设计设计M-bus和GPRS结合的数据通信系统系统的硬件和软件设计调试结合实验验证方法的正确性，并撰写论文指导教师：职称：教授 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要随着我国热计量事业的快速发展,热量计量系统必须超越原有的传统方式，将网络通信技术、计算机控制技术以及自动化技术应用于智能小区的远程抄表，对供热收费逐渐达到信息化和智能化。本文简述了无线抄表技术的发展现状，并对总线的选择及系统的总体结构进行了论证，确定了系统的三大组成部分用户热量表、楼宇集中控制器(简称集中器)和主控中
4、心。首先简述了基于超低功耗微控制器TDC的热量表的内部硬件构成以及关键参数的测量和计算方法，其次介绍了楼宇数据集中器的设计，M-BUS和ZIGBEE的结合，并论述了用户热量表与集中器连接的M-BUS总线的硬件接口电路，制定了系统的通讯协议。然后，介绍了集中器与主控计算机之间的无线数据通信方法。采用GPRS无线网络实现主控中心对集中器的远程控制，介绍了通过单片机控制GPRS通过短信形式发送读表命令，进行了主控中心系统的研究与设计，通过VC编写上位机程序，主要包括数据库编程和主控界面的设计。关键词网络通讯；无线抄表；上位机；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 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.2抄表系统的研究和现状11.2.1 自动抄表系统的研究背景1 1.2.2 国外自动抄表系统的现状3 1.2.3 国内自动抄表系统的现状41.3 选题依据及意义41.4 本课题研究的主要内容6第2章 系
11、统概述72.1 硬件终端设计72.1.1 热量表72.1.2 采集器72.1.3 集中器82.1.4 中心服务器92.2 系统软件介绍92.2.1 采集器软件92.2.2 集中器软件92.2.3 中心软件102.3本章小结10第3章 超声波热量表的研究123.1 超声波流量的监测方法123.1.1 时差法超声波流量测量原理123.1.2 时差法测量的优点143.2 超声波传播时间测量143.3. 温度测量163.3.1 温度测量原理163.3.2 温度测量的实现163.3.3 影响测温精度的因素193.4 热量算法的设计203.4.1 热量计算原理203.4.2 热量计算方法213.5本章小结
12、23第4章 数据采集与传输的设计与实现254.1 M-BUS仪表总线设计254.1.1 M-BUS仪表总线协议254.1.2 M-BUS总线的结构模型及特点254.1.3 M-BUS仪表总线协议274.1.4 数据的传输304.1.5 M-BUS电路的设计324.2 ZIGBEE无线通讯设计334.2.1 ZIGBEE知识介绍334.2.2 ZIGBEE技术网络层的体系结构研究354.2.3 ZIGBEE的网络拓扑结构364.2.4 网络的组建原理364.3 GPRS网络通讯374.4 系统软件和硬件设计374.4.1 采集器软件设计374.4.2 集中器软件设计384.5 系统硬件连线图39
13、4.6本章小结40第5章 上位机软件设计415.1上位机的功能415.2 上位机界面415.3 本章小结45结论46参考文献47致谢49附录50附录151附录257附录362附录471附录577附录687第1章 绪论1.1 课题背景随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，能够自动控制与采集的仪表越来越多的引入到人们的生活中去。随着各式各样的仪表在不用的需求下越来越多的使用，人们在仪表的采集和仪表的管理这方面也越来越重视了。以前的抄表方式都是抄表员到现场亲自抄表。当仪表数量相对较少、仪表位置相对集中的情况，这种早期的超标方式是比较合适的。但当仪表数量较多、仪表位置比较分散的时候，这种传统的热工去
14、抄表方式存在着许多不足：例如在工作环境很差的地方或者有的仪表放在了相对距离比较远的地方，这些情况下都不利于老式的抄表；一旦使用的仪表出现了故障和错误，我们不容易发现；传统的抄表使用大量的人力物力，工作效率低下。手动抄表除了效率低，劳动强度大之外，还存在抄表不到位、漏抄、估抄、错抄、错算及抄表周期长等问题。所得到的数据需要人工的输入到计算机当中，降低了现代化管理系统的效率。正是因为手动抄表存在着这些不足，人们开始寻找新的能替代劳动密集型的人工抄表方式，自动抄表系统也就应运而生了。1.2 自动抄表的研究背景和现状1.2.1 自动抄表系统的研究背景长期以来，我国一直曹永以机关单位为员工提供取暖，从上
15、世纪60年代就开始使用，根据前苏联的体系，我国慢慢成立了有自己特色的供热体系。随着经济体制由计划向市场慢慢转变，以前的供热体制无法适应时代的要求。根据欧美国家的经验，采用每户交自己的热费可以节能2034，这也正好适应了国家的节能减排的政策。根据我国建设部1995年发布的建筑节能“九五”计划和2010年规划，我国住宅的供热体系到2010年将逐渐实行分户收费制度，由此可见热量表在现在收费体制和取暖设备中占有很重要的地位。热量表开始起源于欧洲，从1964年德国开始首次研制热量表。开始的热量表为机械式，采用孔板、文丘里管进行流量测量，电子热量表在70年代后才出现，电子式热量表也经历了从电子积分式、模拟
16、积分式，到以微处理器为根本的自动式的发展过程。1988年，国际计量组织发布了世界上第一个国际的热量表标准文件：OIMLR75号国际建议热量表。最近我国在城乡供热体制的改革取得了重大的进步，结合供热计量的需求和在理论上的深入研究，我国发布了行业产品标准热量表，并于2008年起正式实施。这标志着我国的城乡供热体系改革已经进入产品生产和配套设施建设阶段，我国已经进入按供热采暖按计量收费的时期。我国现在大部分取暖地区还是按建筑面积来计算收取费用的收费体制，这种供热方法由于用户自己没有对热量的控制方法，用的多少都是交相同的费用，没有节能减排的意思，所以节约热能源的悟性不高，其次，热力公司收取费用比较困难
17、，导致设备和技术的搞糟的积极性也不高。因此我国供热水平得不到很大的发展，这样使得我国的热量资源得到了极大的浪费。在这样的情况下，我国不断的提出了很多节能降耗方案，并提出要对居民供热体制进行改革，居民取暖不能单一的按面积收费，要依照自身使用的热量，准确的收取热量费。在这样的情况下分户热计量、精确计量技术也的到了不少的进步，检测热量的仪表也使用到用户小区中。随着户用热量表用户的越来越多，抄取大量热量表的工作又成为一种问题。目前使用的热量表一般都是单独的计量，每个表只是单独的测量一个用户的细心，无法连接成网络，从而导致热网对每个计量点的信息无法集中实时监控，这样有些用户对于热量中心来说都无法检测到，
18、导致了供热水平和效率低下，无法达到节约能源、降低损耗的根本目的。目前市场针对的热量表的抄表方式基本还都是人工去抄表或者是有线的抄表方式。传统的抄表是人工到每家每户抄取热量表数据，不可避免的存在以下问题：所得数据不准确，无法反应用户到底使用了多少热量；没有统一的操作，存在不明的损失；数据采集不及时，不能及时反应用户信息；并且使用人数要比较多，投入比较多，但是效率低。显然，上述缺点使得人工抄表管理模式不适应现有的供热体制，也使得分时热价运营和管理等一些模式的推行。自动抄表技术在技术和管理两方面都继续得到长足的进步和改革，因为自动抄表系统火热的发展起来。传感器、自动化仪表以及集成电路技术和网络技术的
19、进步，为自动抄表的实现提供了可能。1.2.2 国外自动抄表系统的现状目前许多国家和地区已经床反的使用了自动采标系统，慢慢的取代了早期的抄表方式，其中热量表的自动抄表系统也得到了广泛的应用。对着80年代计算机技术和超大规模电路的发展，抄表技术也随之得到了突飞猛进的发展。使得这种抄表方式能够大规模的推广变成了一种可能。由于比较多的开发费用和产品的不成熟性，使得很多商家在这个新兴的行业中都望而却步，虽然这个市场很诱人。随着新技术的发展，硬件可靠性的提高，成本的逐渐降低和这个巨大的潜在市场，使得很多商家投入到ARM这一新技术的研究。在科罗拉多州丹佛市，一家公用事业企业将77万余台热量表实现了自动抄表，
20、成为美国推广应用量最大的一家公司；北美在1994年初就已装有自动抄表技术。截止到2003年1月，北美已经有49311372个单元使用自动抄表。在欧洲，由于官方宣称在2000年前要撤销对公共事业的某些管制，引起了公共事业企业间的竞争加剧。ARM技术成为企业提高服务水平、争取用户并提供及时的耗用信息，降低销售成本的重要手段，于是英、法、德、意等国家的企业也纷纷制订ARM技术的计划。目前能生产自动抄表设备的表具制造公司主要有英国的Dresser Industries，法国的MAGNOL，德国的Schlumberger和意大利的Met rum。另外，1986年美国建立了AMRA自动抄表研究协会，每一年
21、左右开一次国际年会，很多专题报道都会在年会上出现，目的在于能够进一步推广和发展ARM技术。随后已过和欧洲的自动抄表协会也相机成立。与此同时，IEC的Tc57和Tc13两大标准化逐渐成为ARM系统指定了相关的标准。各式各样的ARM系统，很多新的ARM技术不断推出，使得整个自动抄表技术行业快速的发展。1.2.3 国内自动抄表系统的现状 目前我国所使用的抄表方式基本可以分为三种。一是传统的人工抄表方式，抄表人到每家每户读取数据，然后将数据带到总局后再将数据人工的输入电脑。二是预付费方式，抄表人不再需要到用户家里，用户到银行提前缴纳费用或到仪表管理部门购买磁卡、IC卡等，按自己的需求购买需求量，完成收
22、费工作。三是远程抄表方式，监控中心通过远程通讯系统自动获取远程仪表数据的方式。当前在我国国内大量使用的仍然是采用传统人工抄表方式，部分地区已经慢慢设立远程抄表的试点。1.3 选题依据以及意义随着我国市场经济的飞速发展，城市理念高层建筑不断增多，工商用户及三资企业快速增加，农村网络化逐渐普及，乡镇里面企业逐渐增多，农民家用电器快速普及，随着“一户一表”政策的实施和多种电价制度的实施，随之抄表工作将发生了巨大的变化而且将变得越来越复杂。以前的抄表方式的质量和效率上存在的问题也逐渐暴露出来。以热力系统为例子，将发现老式的抄表方式存在以下问题：(1)传统的人工抄表由于热力网分布面广，用户不集中等原因使
23、得抄表投入成本高，消耗劳动强度大。(2)由于抄表质量低引起的不明损失大。由于抄表工作量大、采集周期短、收集频率高，加上抄表员工的行为不统一，抄表不到位、估抄、错抄现象普遍，不明损失大。(3)热力公司对信息的采集困难，不利于热价及时随着市场的变化而变化，热价可调范围小。(4)不利于对用户的收费和检测制度的改革。随着市场经济的逐步完善，热作为一种商品也开始慢慢的被人们接受。但由于个地方社会经济发展的不均衡，欠费现象对热力企业有很大的冲击，很难将热费收取已成为不可否认的事实。因此许多热力公司慢慢开始采取预先购买热量的方法，采取定量供应，不允许负荷，实行先付款，后消费的营业收费方式，确保热费不能及时回
24、收。实施购热制，需要通过对用户的监控手段进行改革，当前的人工抄表和计算方法基本不能适应这种收费制度，无法对用户实施及时和有效的监控，阻碍了收费制度和改革的进一步实行。(5)不能适应现代化的物流管理。随着电子应用技术的快速发展，计算机已慢慢的地应用于热费管理业务中，这样机会能适应快速的社会的信息化发展。而人工抄表方式不能及时准确的将得到的信息送入热费管理系统。由于上述问题，对于无线抄表系统的研究是很具有必要性的。(1)从用户的需求方面来说，一种新的抄表付费方式确实需要开发。对热力公司来说，以前的抄表方式不能适应新的住宅结构建设，随着城市高层住宅的增加，使得人工抄表的效率越来越低。而且随着城市公共
25、事业的发展以及很多智能化小区的出现，热管理及抄表收费的矛盾越来越突出，以前的抄表收费方式的缺点已明显凸显，阻碍了公共事业的改善和管理水平的提高。然后对最终用户来说，以前的抄表也给现在快节奏的生活方式，对生活的私密性和安全性也带来了很大的威胁。供需双方都希望有能够自动快速不干扰居民生活的抄表收费方式，能同时兼顾到用户和管理部门双方的利益，不但可以实现简单操作程序，用户方便，挺高了人民群总的生活质量，也使得企业的负担得到减轻，企业的经济成本得到减轻，并且使得用户的安全性得到了提高，所以需要一种更完善的自动抄表方案来解决这些问题。(2)从技术方面来说，目前的技术已经可以解决上述的问题。首先，这些年来
26、，多种多样的抄表方式已经实现，如RS485、MBUS、CANBUS的专线传输，电力载波传输等方式。但是现有的这些方式还存在着自己的一些缺点。随着短距离微功耗无线通信技术的升温，无线集中抄表慢慢的成为了一种比较好的选择。尤其是微功率短距离的无线通讯网络技术的发展，加上无线抄表技术的据去要求，根据选择不同的路由算法，可以满足无线集中抄表的需求。除此之外，无线抄表技术还有安装维护方便，安装成本低廉，每个通信终端节点相对独立等很多优势。1.4 本课题研究的主要内容目前，实现无线抄表的方法很多，在本课题中选择了当前比较火热的M-BUS总线技术和ZIGBEE无线传输技术。本论文重点介绍了，在数据集中的过程
27、中的方法，就是M-BUS总线加上ZIGBEE无线传输实现数据的集中和传输，这种方式可靠性比较高。其次，是通过VC设计上位机软件，实现和ZIGBEE的通讯，实现上位机的读取热量表数据，并设计上位机界面，使用户的使用信息一目了然的显示在上位机界面中。第2章 系统概述无线远程抄送系统，主要由系统终端系统、集中器和中心服务器组成。其中，终端系统由热量表、采集器构成，采集器通过接口电路与热量表通信。集中器与采集器之间应用ZigBee技术构成无线数据通信局域网。中心服务器与集中器之间由于通讯距离较远，采用GPRS模块实现远距离的无线通信，如图2-1所示。图2-1 远程数据抄表系统2.1 硬件终端设计2.1
28、.1 热量表热量表利用超声波测量管道流速、温度敏感元件铂电阻PT1000测量供回水温度，能够精确计算用户的用热量，每个热量表都有地址编号，能进行数据通信，向外部传送供回水温度、瞬时流速、累计流量、累计热量、累计工作时间、日期等数据。2.1.2 采集器采集器由微控制器(MCU)、接口电路、控制电路、电源电路和ZigBee模块等组成，通过接口电路读取热量表的数据，控制锁闭阀开关，通过ZigBee网络完成与集中器的通信。结构原理图如图2-2所示。采集器和集中器之间采用的ZigBee技术是一种短距离、低速率、高效率的无线网络技术，数据传输频带为全球通用2.4GHz，其底层采用了直扩技术，具有大规模的组
29、网能力。网络中节点以接力的方式进行数据传输，速率最快可达250Kb/S。在不同的工作频率下，节点传输距离从十几米到几十米，若增加功率放大装置，可使传输距离更远。对于该系统，终端分布较集中，集中器与采集器之间距离较短，且传输数据量少，实时性要求高，因此采用ZigBee网络进行数据传输。 图2-2 采集器结构原理图2.1.3 集中器集中器以单片机为核心，由电源电路、识读器、GPRS模块、ZigBee模块、数据存储电路和显示电路等部分组成。硬件框图如图2-3所示。其主要功能为：通过识读器读取射频卡数据，存储购热量并将卡内数据清零；定时通过ZigBee网络获取采集器读取的热量表数据和锁闭阀状态，并将数
30、据存储打包；通过GPRS网络向中心服务器传送数据包。由于集中器的分散性、距中心服务器较远，所以采用GPRS技术进行无线传输数据。GPRS传输方式作为GSM较为成熟的无线数据传输业务，提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。在GPRS信道上提供TCP/IP连接，可以用于Internet连接、数据传输等。而在此网络上提供的GPRS数据传送业务资费甚至低于专网的维护费用，同时有着数据传输速率高、通信质量可靠、开发周期短、安装调试方便等显著优点。因此，本系统在远程无线传输通信上选用GPRS通信模式。2.1.4 中心服务器
31、中心服务器通过GPRS网络接收集中器传送的数据，存入数据库，管理部门可通过主站软件对用户的热量进行统计、分析、监测供热情况，便于供热系统的实时调控；通过管理软件和财务软件完成用户信息存储和充值等。图2-3 集中器结构原理2.2 系统软件介绍2.2.1 采集器软件 工作过程为：首先对ZigBee模块进行初始化，包括初始化串口、I/O口等。然后发送加入网络信号，等待集中器内的ZigBee模块的应答。若没有接收到应答，则采集器继续发送入网信号，若加入网络成功，则等待集中器的命令。接收到集中器的命令后，通过接口电路读取热量表的数据。2.2.2 集中器软件系统初始化，包括定义系统的时钟信号、工作频率、存
32、储器初始化及I/O接口、定时器等外设的初始化，。初始化ZigBee模块建立网络，与采集器建立连接；初始化GPRS模块申请入网与中心服务器建立连接。当有射频卡进入识读器的工作场时，程序会进入中断函数，完成射频卡的读写操作。如果定时器时间到了，程序进入定时器中断函数，将采集热量表的标志位置位，在主程序中开始通过ZigBee网络向采集器发送数据请求，并等待返回数据，将接收的数据打包通过GPRS网络上传至中心服务器。2.2.3 中心软件用户档案管理系统中所有热量表和采集器都建立档案，包括安装位置，热量表型号，户主信息，热量表与采集器的对应关系，热量表更换和系统维护等信息，便于日后维护管理；抄取的热量表
33、数据存放于数据库中，做好数据备份并提供公开的接口，用户可通过接口访问数据库。系统运行监控管理中心可以查看系统中任何一个热量表和锁闭阀的数据和运行状态，并可以对数据进行智能分析，为热力公司调控提供数据依据，保障供热均衡；同时当出现异常或热量表故障时，可以及时地采取措施。财务系统如果是管理中心自行收费，本系统可以自动生成收费报表，并打印收据，可以根据客户的需要打印查询报表，并且具有缴费方式统计和未缴费用户统计功能。2.3 本章小结本章介绍了整个抄表系统的结构框图，介绍了每部分硬件和软件的基本框架和思路。简单介绍了每部分的技术指标的要求，比如通讯的波特率，传输距离，传输速度等。第3章 超声波热量表的
34、研究我国建设部于1995年发布了建筑节能“九五”计划和2010年规划，提出我国住宅集中供暖地区至2010年将全面实施分户计量和收费，经历了十多年的改革发展，城镇供热体制改革制度开始计入计量设施量产化及安装调试的重要阶段。然而，我国当前热量表产品还是以机械式为主，存在以下缺点：对水质要求高，压力造成的损失大，机械部件由于长时间使用易磨损等，无法适应市场的需求。超声波热量表作为一种测量精度高、对水质相对要求低、压力造成的损失小、可靠性好的高性能热量表，被专家及相关部门列为重点研究的新一代热量测量仪表。因此，超声波热量表对促进我国供热系统收费体制的发展和改革有着深远的意义。3.1超声波流量监测的方法
35、超声波流量监测属于超声应用的一种，主要是应用了声速测量的技术。超声波在流动的水质中传播时，便载上了水的流速信息，因此，通过对接受的超声波进行检测，就可以监测出流体的速度，进而换算成流量。由信号检测的原理可得，目前超声波流量检测方法可以分为以下几种：传播速度差法、波束偏移法、多普勒法，相关法以及噪声法等类型。根据对相关知识的了解，本设计采取的是传播速度法中的时差法。超声波在流动的水中传播，顺流方向传播速度会增大，逆流方向传播减小，同一传播距离便产生了不同的传播时间，利用其时间差与被测流体流速之间的关系可以得到测量流体的速度，进而换算成流量。3.1.1时差法超声波流量测量原理如图3-1所示为超声波热量表的内部管道结构简化图， 途中管道内径为D，转换器之间的水平距离为L，水的流动方向由左向右；当流体以速度流动时，超声波的实际传播速度为c，c是声速正常传播速度和水在管道方向上的流速分量的叠加，即： (3-1)超声波信号在水中顺流和逆流的传播时间分别为： = (3-2) 图3-1 超声波热量表管段内部结构简化图 = (3-3)式中：L为两个转换器
