1 智能水表远程抄表系统
目前，在我国应用的智能水表远程抄表系统主要由智能水表、集中器、通讯控制器以及水厂抄表中心等几个部分组成（如图1所示）：①智能水表是最底层的设备，是在传统的机械式水表的基础上加入了一些硬件电路以及软件程序完成的光电直读式水表，通过传感器以及一定的编码方式实现了水表数据自动读取的功能。②集中器则起到了连接的功能，向下通过M－Bus总线采集、存储各个用户表头的用水信息，向上则将存储的信息通过RS－232或RS－485传输给通讯控制器，或各居民社区控制中心的计算机。③通讯控制器将从采集器接收的信息转换为适合于电话网传输的信号，并通过嵌入式Modem发送出去。之所以选择市话网络是为了能将信息传送到更远端的自来水公司信息采集中心，同时还要确保信息传送的准确性和效率。④自来水公司抄表中心则通过特定的软件将信息存储，并与各用户上月的抄表信息进行比较，判断信息的准确性、计算当月用水量及费用，同时还可以对各个集中器进行功能设置，如定时抄表等。
图1 智能水表远程抄表系统结构图
2 集中器整体设计
集中器是连接各用户的智能水表和控制中心的关键环节，起到承上启下的作用，其主要功能就是完成信息的接收、存储和发送。因此，可以将集中器分为如下几个模块：①控制核心：采用AVR系列单片机ATMEGA128作为控制核心。ATMEGA128自身具备的两个串口正好满足了与上位机和下位机串行通信对串口数量的要求，两线接口可以实现与时钟芯片通信的功能，此外还具备较高的代码效率，处理速度快等特点。②与上位机的通信模块：一方面集中器接收上位机发来的指令，并进行分析。集中器从上位机接收到的信息大体上可以分为两种：对内部参数的设置，如定时抄表使能和时间设定等；向各个表头进行信息采集提取。另一方面，如果集中器接收到信息提取指令，则需要将从各个智能水表采集到的信息发送至上位机。这一接收和发送的过程都是通过RS－232或者RS－485总线实现的。③与各用户智能水表的通讯模块：当集中器接收到上位机的信息采集提取指令或者定时抄表时间到时，通过M－Bus总线向各个智能水表发送信息采集的指令；接收到此指令的智能水表则将相应的信息同样通过M－Bus总线发送给集中器。④时钟控制模块：主要用于计时和闹钟设定的功能实现。此模块使用的时钟芯片具有自动计时功能，有独立的晶振，即使系统断电也不会影响计时的功能；此外，如果系统的定时抄表功能被开启，时钟芯片的闹钟则被使能，当到达闹钟的设定时间时，通过中断的方式使集中器进入各用户用水信息采集环节。⑤信息存储模块：用于存储抄表值和相应的抄表时间，以及集中器自身的信息参数。
图2 集中器硬件结构图
3 基于M－Bus总线的通信模块硬件电路设计
M－Bus总线标准是一种用于远程仪表读取数据的欧洲标准，采用主－从式结构半双工的通讯方式。在此智能水表远程抄表系统中，之所以采用M－Bus总线，是因为M－Bus总线具有既传数据又提高电压的功能。也就是说，主机通过地址编码向相应的终端发出数据请求，只有对应的终端在接收到主机的命令后才能够提供数据。在整个过程中，主机不断地向终端提供M－Bus电压，主机向终端发送的信息是通过电压调制来实现的；而终端通过自身的电流消耗向主机反馈信息，终端向主机发送信息是通过电流的调制实现的。由此可见，M－Bus总线标准所提供的这种传信号的同时又提供电源的功能，使得终端自身不必带电源，避免了终端电池使用寿命有限的情况，减少了仪表维护所带来的困难。
信号在M－Bus总线上传输的过程中存在3种状态：①主站在向终端发送数据请求时（如图3），通过电平变化的方式传送位信息，电平应符合如下规定：传号（逻辑电平为“1”）时，总线电压应比空号时的总线电压大10V，且总线电压小于等于42V；空号（逻辑电平为“0”）时，总线电压应大于12V。②主站从终端接收数据时（如图4），通过电流大小的变化辨别信息的：传号（逻辑电平为“1”）时，传号电流为0～1．5mA；空号（逻辑电平为“0”）时，空号电流为在传号电流值的基础上增加约11～20mA。③当总线空闲时，主站和从站都应保持传号状态。
对于集中器而言，在发送数据请求时，一方面控制器输出的是TTL电平，只有0～5V，不能满足信号在M－Bus总线上传输的要求（12～42V），因此首先要将信号进行放大。而M－Bus的电压是控制部分电路的2倍以上，所以出于安全和抗干扰方面的考虑，采用光电耦合器使得控制部分和M－Bus总线部分在物理上完全分开。另一方面，由于干扰的存在，放大后的电压可能不稳定，需要经过稳压电路进行稳压处理：放大后的电压信号首先经过电压比较器，判断是高电平还是低电平，再通过输出电压可变的集成三端稳压块LM317稳压后输出至M－Bus总线。在接收数据时，由于终端是通过电流反馈信息的，电流的大小在0～21．5mA范围内，同时，逻辑电平与电流又是相反的，所以在设计时需要进行三方面的处理：①将电流信号转变为电压信号；②将电压信号调整为控制器可以接收的电压值；③将信号反向。当接收到电流信号的时候，首先令电流流过电位器，将电流信号转换成电压信号，经过电压比较器判断信号是高电平或者低电平。与电压输出时类似，采用光电耦合器将控制部分和M－Bus总线部分分开，同时将信号反向后送回给控制器。由此可见，控制器和M－Bus总线是通过一系列的接收和发送电路连接的（如图5所示）。
图5 M－Bus总线驱动电路
4 集中器软件设计
4.1 M－Bus驱动软件设计
在此智能水表远程抄表系统中，采用总线型拓扑结构，其总线协议以ISO－OSI参考模型作为参考，具有物理层、数据链路层、网络层和应用层。
在数据链路层，信息是以帧的形式发送的，每一帧由前导字节（2～4个十六进制的字符“FE”）、帧起始符（68H）、仪表类型（T）、从站地址、控制码（CTR）、数据长度（L）、总计包数（PC）、当前包号（PN）、当前通讯号（SER）、数据域（DATA）、帧信息校验码（CRC32）以及帧结束符（16H）等组成。其中，控制码为由D7觸D0共8位二进制码组成，D7为“0”时表示由主站发出的控制帧，为“1”则表示由从站发出的应答帧；D6为低电平表示从站正确应答，高电平表示从站对异常信息的应答。数据在传送的过程中，每个字节都包含了8位二进制码，加上一个起始位（0）、一个奇偶校验位（E）和一个停止位（1），传输序列如图6所示。
图6 字节传输序列
每次通讯都是由主站（集中器）发出命令帧开始的，被选择的从站根据命令帧的要求做出响应，图7显示了整个通讯过程中的握手过程，图8则显示了响应的时序。其中各个时间定义如下：
二进制位传送时间Tbit＝1/波特率（s）在此远程抄表系统中，波特率选择为2400
字节传送时间 Tbyte＝11Tbit
延迟时间 Td＝1Tbyte
帧传输时间Tframe＝帧字节数×Tbyte
最长响应时间Tr＝500ms＋30×Tbyte
线路空闲时间Tli＝30ms
字节间的停顿时间Tb≤1Tbyte
重复通讯次数I≤3
在M－Bus软件驱动程序的设计过程中，按照图7所示的顺序，每发送完一个数据包，则进入等待终端响应信号的状态，如果接收到正确的应答则继续发送下一个数据包，直至所有数据包发送完毕；若接收到错误的应答信号，或在设定的时间内没有接收到应答信号，则进行数据重发，重发的次数最多为3次（流程图见图9）。
图7 通讯握手机制
图8 通讯时序图
图9 M－Bus驱动子程序
图10主程序流程图
4.2 集中器主程序设计
集中器是连接上位机和各个表头的中间环节，当集中器接收到上位机发来的命令信息后，经过分析，根据命令的内容，可进行两方面的操作：①向下位机发送信息请求信号，等待下位机的响应，并将下位机的响应信息存储在自身的存储器中，然后上传给上位机；②开启定时抄表功能，设置时钟芯片。在定时抄表功能被开启后，每当到达设定的时间，时钟芯片就向控制器发送中断请求，控制器即进入中断子程序。主程序的流程图见图10，中断子程序的流程图见图11。
图11 中断子程序
5 结束语
论文给出了基于AVR系列单片机的智能水表远传抄表系统的设计与实现方案，在控制器与各个智能水表终端的通信上，选择了价格低廉，传输距离长以及传输安全的M－Bus总线。重点介绍了M－Bus总线硬件电路和软件驱动程序的设计，使集中器作为连接抄表中心和各智能水表终端的中间环节能够稳定、可靠地工作。
参考文献
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