0 引言
热量表是实现按热计量收费的核心仪表。计量科学的热量表有利于提高用户的节能意识，推动供热商品化，引导供热体制步入良性发展轨道，因此得到政府的大力提倡。目前国内热量表产品很多，但令人满意的很少。主要原因包括：
（1）基表中多安装干簧管、霍尔组件、韦根传感器等有磁传感组件，在较差的水质下容易吸附铁锈和杂质，导致转轴偏重，精度下降。同时，有磁组件存在高温退磁、机械性老化、易受强磁场干扰等问题，故测量精度、稳定性、安全性不高。
（2）抄表多采用总线通信或人工读表方式，存在抄表复杂、布线成本高等问题，使得高层建筑的计量改革进展缓慢。
（3）热量表的故障诊断和容错性不强。当传感器断线时，热量表将停止计数。
（4）部分热量表功耗大，用完一个采暖期就需要更换电池。
（5）热量表维护周期长[1-4]。
针对这些问题，本文提出了一种采用无磁扫描技术采集流量的新型热量表。基于一种改进的泛洪路由算法构建无线抄表网络，采用射频方式完成抄表和维护任务。同时，热量表自身具有自诊断、报警、自适应错误、功耗低等特点，保证了热量表能够长期准确地完成计量工作。
1 热量表的工作原理
1.1 热量测量的基本原理
热量表是通过测量热水的流量与供、回水温度差，计算两者乘积并进行热量累计的。本文采用焓差法累加热量[5]，其公式为
(1)
式中 Q———供热用户所使用的热量
qv———流经热量表的水的体积流量
h1———入水口水的焓差值
h0———出水口水的焓差值
因此，精确测出温度、流量参数是提高热量测量精度的关键。
1.2 温度参数的测量原理
温度传感器采用铂电阻Pt1000，以三线制方式构成测温电桥，电桥输出电压经过A/D转换，转化为数字量的采样值送入单片机进行处理。温度参数的测量原理如图1所示。RW为引线电阻，芯片选用AD7705。恒压源HT1051-1为AD7705提供1.5V参考电压。
图1 温度测量原理
电桥输入电压U0（i）与A/D转换值AD（i）的关系为
(2)
式中 K———AD7705内部差分放大倍数
将每一摄氏度对应的U0代入式（1），把计算的AD值制成表，存入单片机存储器中。采温时，用实际转换值AD（m）去查AD表，当AD（n）≤AD（m）≤AD（n+1）时，温度的整数部分取m。再利用二次插值公式[AD（m）-AD（n）]/[AD（n+1）-AD（n）]求出温度的小数部分。这种方法有效地克服了铂电阻电桥输出和铂电阻本身的非线性[6]。为了提高测温精度，每次采样3个数据，取平均值。采样通道加数字低通滤波，转换前进行系统自校准，消除器件的偏移和增益误差。经测试证明，温度的最大误差为0.092℃，达到了国家规定的3级表标准。
1.3 无磁流量采集的原理
本文采用MSP430FW427单片机的无磁扫描模块SCANIF与外围LC传感器相结合实现流量采集。SCANIF模块由模拟前端、处理状态机、定时状态机组成。流量测量原理如图2所示。基表中装有涂有半边铜膜的圆盘，圆盘上方2mm处放置相互垂直的电感。
图2 流量测量原理
MSP430FW427单片机内部有扫描模块SCANIF，它能够在低功耗下自动检测转盘的旋转运动。SCANIF模块定时激励LC电路，使其具有一定能量后停止激励，LC电路产生阻尼振荡。当圆盘的阻尼半边位于电感产生的电场中时，将影响阻尼振荡的衰减频率。故当电感位于圆盘的阻尼半边时，衰减将加快。SCANIF模块能够将不同的振荡波形转换成单片机能够识别的0或1数字信号。图3所示为转换后形成的时序图，采用两个LC传感器就可以判断出圆盘转动方向[7]。
图3 转换时序图
圆盘每顺时针转动1/4周时，SCANIF计时器就加1，反之就减1。实际中，每流过1.5L水，触发计数器中断，读完后，计数器自动清零。采样结果加入滑动平均滤波和软件校正算法，测量精度得到进一步提高。该流量测量方法测量范围宽，稳定性好，抗干扰能力强，精度高，不受水质影响。测试表明，流量平均误差为0.00217L，达到了国家规定的2级表流量计精度。经过流量和温度的分机检定表明，热量表整机达到了国家规定的3级表水平。
1.4 基于泛洪路由的射频抄表原理
无线抄表网络由基站、热量表、抄表机组成。基站每天定时抄取整栋楼热量表的数据，抄表员每月定时抄取基站信息。无线芯片选择Nordic公司的nRF905。网络之间数据交换采用泛洪路由技术。泛洪是一种传统的路由技术，以广播的形式转发信息，不要求维护网络的拓扑结构和进行路由计算。它容易发挥无线通信的多播优势，但消息的“内爆”和“重叠”是其固有的缺陷[8]。
为了克服这些缺点，本文提出了一种改进的泛洪路由：基于最小功耗，根据nRF905发射功率划分广播区域，灵活选择广播节点，限制广播次数。路由协议包括3种帧：命令帧、数据帧、应答帧。
1.4.1 命令帧
命令帧格式如图4所示。
图4 命令帧格式
每一块热量表有一个广播区域号，只有本身区域号与命令帧内区域号相同，热量表才能响应。并且广播点与热量表间数据交换的发射功率取决于热量表所在的区域。表1所示为基于nRF905发射功率的区域划分。数据发射时，nRF905会自动在帧头、帧尾加前导码和CRC校验码。
1.4.2 数据帧
数据帧格式如图5所示。
图5 数据帧格式
最终地址为基站地址或抄表器地址。热量信息包括累积热量、累积流量、入口温度、出口温度、温差、热量表累积运行时间。热量表状态包括传感器是否断线、射频通信质量等。状态用1Byte表示，当热量表发生故障时，就将相应的故障位置1。热量表将数据帧发到当前广播节点，广播节点读取最终地址，如果与自己相同，则存储信息；如果不同，将数据发送给下级广播节点，直至两者相同。
1.4.3 应答帧
应答帧格式如图6所示。
图6 应答帧格式
当某热量表累计广播次数与数据帧内次数不同时，执行应答字，将热量表并入下一区域，直到次数相同，恢复原区域号。当该热量表区域号改变两次后，恢复原区域号，并将热量表状态信息位标错。当热量表表号与数据帧内广播节点号相同时，热量表开启广播。
如图7所示，基站向区域1广播命令帧，定时12ms等待数据帧发回。区域1内热量表根据表号，每隔75ms依次发回数据帧，定时到，基站广播应答帧，开始进行下一轮广播。当与低层区域2和3完成数据交换后，开启表E对高层三个区域进行广播。交换后的数据存入表E中，表E将数据传回基站后，发送应答帧，开启表K的广播能力。表K内数据经过表E中转，传回基站。经过层层路由，最终完成整栋楼的数据交换。基站抄表3次，取3次数据中相同的数值存入存储器中。每次选择不同广播点，实现功耗均匀。测试证明，改进的泛洪路由技术提高了高层抄表的效率和鲁棒性，降低了系统功耗和成本。
图7 基于泛洪路由射频传输原理
2 热量表的整机设计
2.1 热量表的硬件设计
热量表硬件选用低压、低频、微功耗器件。配对的高精度铂电阻Pt1000组成测温电桥，电桥输出电压送入AD7705中转换为16bit数字量送入单片机，温度分辨率达到0.01℃。47μH电感与1nF电容构成流量传感器。串行E2PROM24LC08存储热量信息、密度值和焓值表。出现故障时由蜂鸣器报警并通过液晶显示。nRF905模块完成与抄表网络的数据交换。此外，用户可通过按键查询温度、热量等信息。图8所示为热量表结构。
图8 热量表结构
2.2 热量表的故障诊断和容错性设计
流量和温度传感器出现故障时，将导致热量表计数错误，因此提高热量表的故障诊断和容错能力很有必要。当铂电阻Pt1000某条引线断线时，AD7705的输入端被接到高电平上，转换值将保持FFFF不变。因为温度是一个缓慢变化量，故当AD值出现FFFF时，保持上一刻正确的采样值不变，直到AD值不为FFFF为止，并驱动报警电路，通知用户报修。
当流量传感器断线时，流量采集通道输入高电平激励脉冲，对应的S将保持为1。如图9所示，传感器1断线时，S1S2只在01和11两种状态之间跳变，导致流量计数不变。
图9 错误的状态时序
供暖期只要水管中有水流动时，供、回水温差肯定大于5℃。如果流量计数器不动，说明流量传感器断线，单片机驱动报警电路，并调用新的状态表。其状态字节如图10所示。
图10 状态字节
新的状态表中，S1S2每次由01变化到11时，将状态字节的Q1置1，表示叶轮顺时针转过一圈。Q3和Q0为当前S2S1的状态。当传感器恢复正常时，S1S2将出现新的状态，将Q4置1。当单片机使用新的状态表后，将通过SCANIF的SIFDEBUG寄存器循环检测Q4位，当Q4置1后，重新调用原来的状态表。这种方法既保证了故障的及时报警，又实现了计数的不停止，为热量表的容错设计提供了一个新的思路。
2.3 智能热量表的软件设计
热量表软件流程图如图11所示。初始化后，进入低功耗模式，等待中断，流量计满5L水时将触发计数器中断，在流量中断子程序中开通温度采集，采集完毕后返回到主程序调用数据处理程序，完成热量信息的累加后恢复到低功耗等待状态。
图11 热量表软件流程图
3 结语
系统采用低功耗设计思想，采用查表和线性插值的方法，有效降低了铂电阻测温引起的非线性误差。MSP430FW427单片机与LC传感器结合实现流量采集的无磁化，使热量表能够在较差水质下长期运行。基于泛洪路由的抄表方式具有成本低、快捷、可靠性好、功耗低等特点。容错技术的应用使得热量计量的安全性提升了一个层次。测试表明，系统能够满足采暖系统的计量要求，因此具有一定的应用价值。
参考文献
[1] 金海龙.新型智能热量表的开发研究[J].传感技术学报，2005，18（2）：3502353.
[2] 黎洪生，张英.基于单片机的无磁传感水表的设计[J].传感器与微系统，2006，25（3）：54255.
[3] 王树铎.进入新世纪的中国热量表[J].区域供热，2002（6）：127.
[4] 李敏，王宝光.基于MSP430和M2Bus的标准远传抄表系统设计[J].计量技术，2006，（9）：527.
[5] 李芳.热能表热量计算方法的研究[J].现代计量仪器与技术，2005（1）：49250.
[6] 潘文诚.一种铂电阻高准确度测温方法[J].传感器技术，2003（5）：35237.
[7] ChristianHernitscheck.RotationDetectionwiththeMSP430ScanIF[R].TexasInstrumentApplicationReportSLAA222，2007：34237.
[8] HogerKarl，AndresaWilling.无线传感器网络协议与体系结构[M].北京：电子工业出版社，2007：2522262.
