mobus水表

基于M-Bus传输协议的便携式水运行监测系统的开发 深圳市兴源鼎新科技有限公司  刘淑杰  陈俊 摘要：本文介绍了M-Bus传输协议的便携式水表运行监测系统的的开发背景，开发过程中采用的技术路线以及关键技术，该套系统是对全自动抄表系统的一种补充，给用户提供多一种抄表的选择。 关键词：M-Bus传输协议    便携式  M-Bus转换器 一、 前言 面临水资源日益紧缺这个大问题，政府已经在可持续用水发展的道路上将促进用水模式的转变，努力提高用水效率，作为规划考虑未来水发展和水资源开发利用问题的一个重要基点。在这种大环境下，如何有效、经济地降低水损，提高公民节水意识，各地政府、供水企业从制度上、经济上及使用先进的产品等方面采取了多种方法，也取得了明显的效果。如正进行的一户一表改造，采取阶梯水价的收费方式等。 从管理角度讲：供水企业的管理模式是基于计量表具而建立起来的，变革管理模式，必然首先要变革计量水表，再结合计算机技术、网络技术、信息技术，才能从根本上变革管理模式，提高管理效益。就传统机械水表看，它具有技术成熟、性能稳定、价格低廉、普及率高等优点，但它有两大致命弱点：一是入户抄表、收费难，工作量大；二是欠费矛盾、用水纠纷多。使其限制了供水企业的经营管理的发展程度。随着水表入户改造工程的逐步实施，这种制约将愈加显现。国内近几年水表入户改造的实践经验、教训表明：为保证国家计量入户目标的顺利实现，变革传统计量水表已刻不容缓、势在必行。 从政策层面讲：首先，2003年六月由国务院颁布、同年九月一日施行的《物业管理条例》第四十五条规定：物业管理区域内，供水、供气、供热、通讯、有线电视等单位应当向最终用户收取有关费用；其次，为了通过价格杠杆调节水需求、水资源配置，达到节约用水的目的，国家建设部曾多次下发文件要求实行阶梯水价，对自来水实行分类计量收费和超定额累进加价制度。该制度实施过程中涉及的因素很多，如人均定额用水、家庭人口、用水类型、定额平价、超额加价等，且这些因素会随实际情况的变化而变化，如人口、用水类型变化等。不仅传统的计量器具无法实现，即使普通ＩＣ卡智能水表也不能完全满足上述要求。阶梯式计价需要水表的智能化程度，实现的方式和功能方面有新的设置和创新，这也为水表行业新一代产品开发指明了方向，明确了重点。 二、项目研发的必要性及前景 鉴于上述原因，新建的楼盘都是一户一表，且如果水表不是安装户外，基本安装了远程自动抄表系统。供水企业或物业管理部门的抄表人员在监控中心或营业中心就可通过抄表管理系统实现对所管辖的水表进行数据抄读。这种全自动的远程抄表系统非常适用于新的楼盘，因为供水企业的抄表人员是一定的，抄表数量增加而不需要新增抄表人员；另外，新楼盘在之初，就考虑到小区智能化设施的安装，一般具有完善的管路设施，如弱电井、弱电沟等，单元与单元之间、栋与栋之间线路连通非常方便，成本增加不多，且是由发展商一次性投资，不会给用户、水司增加额外的负担。 对于总表收费的小区，全国很多城市也正在进行一户一表的改造工程，例如石家庄2010年将行6万户改造、杭州将进行54万的户表改造、京水集团今年将投资7亿元进行供水设施的改造等。如果改造完成后仍然采用普通水表，供水企业势必增加相当数量的抄表人员，在人工成本不断提高的今天，对自负盈亏的供水企业是不经济的；但如果采用全自动远程抄表系统，那些楼盘在建设初期，没有预留配套的弱电井或弱电沟等，栋与栋之间的线路连通非常不易，需要重新挖沟、破路面，工程量大，投资高，环境破坏性大，用户可接受的程度低。供水企业迫切需要一种安装调试简单、配置灵活、投资相对低廉的能够将各户的水表数据短距离的传输到固定点上抄表系统，由抄表员到几个固定的点上把数据拿回来，即节约人工，又相对节约投资。 兴源公司经过缜密市场需求分析和自身在抄表行业的技术优势，结合公司在TY-AMR1型智能抄表网络系统上获得的技术优势，开发出基于M-Bus传输协议的便携式水表运行监测系统。 采用本套系统，供水企业能够实现以较低的投资，较少的抄表人员，实现简洁、有效、定时、准确的跟踪水表的运行状态，从而也替代繁杂、低效的手工抄表工作。这对供水企业提高水的回收率，提高用户的满意度，减少水费纠纷，获得企业可持续性的可观的经济效益是极其重要的，同时也对提高居民节水意识，促进水循环经济的发展，全面推行各种节水技术措施，发展节水型企业，建立节水社会，起到推动作用。为了解决总表集中供水造成水费收缴困难，缴费矛盾突出的问题和为了实行阶梯水价，对自来水实行分类计量收费和超定额累进加价制度而进行的一户一表的改造工程，对供水企业是一项重要的工作，如何用最经济的费用，带来最佳的社会、企业效益是企业面临急需决策的问题。 三、项目技术研发实施方案和目标 1、基于M-Bus传输协议的便携式水表运行监测系统 图1  系统整体设计方案图 M-Bus传输协议的便携式水表运行监测系统采用了测量、传感、通信及微电子技术，将散装在各户或各楼道的水表通过数据线传到安装在单元入口处的集抄器，抄表日抄表人员手持掌上电脑，依次到集中抄表器处将其所管辖的水表数据读取到掌上电脑中，抄表员回到营业中心后，将掌上电脑中的数据导入到电脑里，进行分析处理及收费。如图1所示。 图2  集中抄表器结构原理图 图3  M-bus转换器结构原理图 图4    M-bus总线制直读水表原理图 1.1集中抄表器的设计： M-Bus集中抄表器（简称为集抄器）是一种全新设计新型集抄器，因其电路简单且没有与表的通信部分，因此雷击损坏的可能性大大降低。产品只有一个存储芯片存储小区、用户等临时数据，通过主机（也就是M-Bus转换器）进行数据交换。平时不供电处于不工作状态，低功耗且不需要维护，满足了高可靠信。 1.2 M-Bus转换器设计： M-Bus转换器是为降低以往的集抄器成本而新设计的产品。它集红外通信、M-Bus协议转换、电源、保护电路为一体，具有实用小巧等特点。红外与配套的兰德掌上电脑通信，M-Bus与水表通信。转换器完成M-Bus到红外之间的数据转换，并把抄表的数据上传到配套的兰德掌上电脑内。 1.3 电源 M-Bus转换器需要24V直流电源，如果用蓄电池体积大并且有记忆效应，充电时间长等缺点，所以我们用高性能的锂聚合物电池，并佩带充放电均衡保护板。 1.4兰德掌上电脑抄表软件 红外与转换器通信读取用水量、小区等数据，并存于内部数据库。可查看用户用水量，并可以上传数据库到PC分析处理。 2．主要技术指标 2.1电特性： a.水表存储出厂编号、水表示值、电子单元工作状态； ——水表地址编号：14位数字，低8位与水表表壳或表盘上标识的编号相同，高6位存储特定信息，一般在出厂时已设定好； ——水表初始值（底度）：水表表盘示值，一般出厂时已设定； ——工作状态：字轮故障，电源低故障报警。 b.通信方式：表到M-Bus转换器——M-Bus协议 M-Bus转换器到集中抄表器——IIC M-Bus转换器到兰德掌上电脑——红外 兰德掌上电脑到PC——RS232； c.供电电源：M-Bus转换器——24V 2000mAH可充电锂聚合物电池； 兰德掌上电脑——4节AAA1.2V充电电池 d.工作电流：表电流小于1.5mA e.工作环境：温度：水表5℃～+55℃，电子单元部分-25℃～+55℃； 湿度：0～97%RH； 2.2系统功能： ●安装布线方便——2芯线并且可以任意交叉（不分正负）。 ●采用直读水表——直接读取字轮上的读数，即使断电也不影响水表正常计数。 ●M-Bus集中抄表器存储小区信息、用户表编号等。 ●M-Bus转换器数据交换中心 3、基于M-Bus传输协议的便携式水表运行监测系统主要的研发内容 水表部分----网络通信链路的建立 集中抄表器部分----三插结构的TV母头的可实施性。 转换器部分----各类数据处理以及协议转换 M-Bus便携式抄表系统----显示客户信息，将兰德掌上电脑上传的数据进行分析整理，从而实现对用户水表的自动读取，减少人为错误同时又节约抄表时间。 4、关键技术和解决关键技术途径 4.1 关键技术 [1]M-Bus便携式抄表系统的低功耗设计。 低碳经济的提出，电子产品的低功耗已经成为产品应用发展的关键技术之一，也是人们在电子产品设计中普遍关注的难点与热点。电子产品的低功耗意义不仅减少能源消耗，而且也减少元器件损坏的可能性，提高产品的使用寿命。 [2] 直读水表技术。 直读水表直接输出计量表的计数器字轮码盘数字即字轮“窗口值”，真正实现了 “读表”，结束了累计脉冲、换算数值的历史，没有累计误差。解决了目前分线制系统采用累积脉冲表远距离输出脉冲因易受干扰而导致现场用计量仪表示值与远程读表设备的累积计量值不一致问题。这种直读水表组成的系统，所有外围设备在抄表时仅接收表输出的数字信号，不再对表输出的信号做二次处理，因此无需对外围设备做数据的初始化工作，系统在首次开通及出现故障维修、重新启动后也无需对表初始化，维护工作量得到极大的降低，具有广阔的实用价值； [3] 短路保护技术。 短路保护是M-Bus转换器中重要组成部分,它不仅保护电源自身,而且还要保护连接水表的总线在短路时烧伤程度最小。提出并实现了短路保护系统电流反馈信号可调的方案。改善了该系统的频率特性,解决了随频率提高电流反馈信号畸变导致保护点下降和电源最大工作电流减小的关键问题。由于增加了保护点可调的功能,扩大了电源的频率及电流的使用范围,改善了电源对不同加工条件的适应性。 [4] M-Bus总线协议。 M-Bus总线传输信号，主机到从机通讯静态，传号电压（1）为24-36V；激活，空号电压（0）为传号电压跌落12V。从机到主机通讯静态，传号电流(1)为小于1.5mA；激活，空号电流（0）为11~20mA。根据M-Bus总线发送1比发送0更可靠，同时也减少电能消耗的特点，编写相应的总线协议。 [5] 防水、防阳光技术。 电子产品的防水和散热是相互矛盾的：即防水不能散热，散热不能防水。 统计资料表明电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%；温升50℃时的寿命只有温升25度时的1/6。电子产品的散热又往往是制约产品稳定性和寿命的一个关键环节。但用普通技术来同时解决电子产品的防水和散热，几乎不可能。 虽然光电组件工作在肉眼看不到的红外区域，但阳光仍然是准确译码的最大杀手。因此防阳光也是很重要的一步。 [ 6 ] 数据信息压缩技术。 数据压缩就是用最少的数码来表示信号。其作用是：能较快地传输各种信号，并能够紧缩数据存储容量，减少出错可能，这在数据传输中尤为重要。 4.2 解决关键技术的途径 [1]M-Bus表只有实现低功耗设计，主机才能够连接更多的水表，同时也增加电池使用寿命。 具体设计步骤如下： ①处理器的选择 我们对一个嵌入式系统的选型往往是从其CPU和操作系统（OS）开始的，一旦这两者选定，整个大的系统框架便选定了。我们在选择一个CPU的时候，一般更注意其性能的优劣（比如时钟频率等）及所提供接口和功能的多少，往往忽视其功耗特性。但是CPU是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于M-Bus水表来讲，它几乎占据了整个系统功耗的80%以上（视系统具体情况而定），所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。 一般的情况下，我们是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/MIPS。但是，这仅仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同，所以，我们还应该进一步分析一些细节。 我们把CPU的功率消耗分为两大部分：内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，总的功率等于两者之和，即P=PCORE+PI/O。对于PCORE，关键在于其供电电压和时钟频率的高低；对于PI/O来讲，除了留意各个专门I/O控制器的功耗外，还必须关注地址和数据总线宽度。下面对两者分别进行讨论： a、CPU供电电压和时钟频率 我们知道，在数字集成电路设计中，CMOS电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为： Pd=CTV2f 式中，Pd---CMOS芯片的动态功耗 CT----CMOS芯片的负载电容 V----CMOS芯片的工作电压 f-----CMOS芯片的工作频率 由上式可知，CMOS电路中的功率消耗是与电路的开关频率呈线性关系，与供电电压呈二次平方关系。对于一颗CPU来讲， Vcore电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大。所以，在能够满足功能正常的前提下，尽可能选择低电压工作的CPU能够在总体功耗方面得到较好的效果。对于已经选定的CPU来讲，降低供电电压和工作频率，也是一条节省功率的可行之路。 b、总线宽度 我们还经常陷入一个误区，即：CPU外部总线宽度越宽越好。如果我们仅仅从数据传输速度上来讲，也许这个观点是对的，但如果在一个对功耗相当敏感的设计来说，这个观点就不一定正确了。 同样引用公式Pd=CTV2f ，对于每一条线（地址等数据线）而言，都会面临这样的功率消耗，显而易见，当总线宽度越宽的时候，功耗自然越大。每条线路的容性负载都不太一样，但一般都在4～12PF之间。 ②接口驱动电路的低功耗设计 接口电路的低功耗设计，往往是容易被大家所忽略的一个环节，在这个环节里，我们除了考虑选用静态电流较低的外围芯片外，还应该考虑以下几个因素： ◆上拉电阻/下拉电阻的选取 ◆对悬空脚的处理 ◆Buffer的必要性 通常我们习惯随意地确定一个上拉电阻值，而没有经过仔细地计算。现在我们来简单计算一下，如果在一个3.3V的系统里用4.7KΩ为上拉电阻，当输出为低的时候，每只脚上的电流消耗就为0.7mA，如果有10个这样的信号脚时，就会有7mA电流消耗在这上面。所以我们应该在考虑在能够正常驱动后级的情况下（即考虑IC的VIH或VIL）,尽可能选取更大的阻值。现在很多应用设计中的上拉电阻值甚至高达几百KΩ。另外，当一个信号在多数情况下时为低的时候，我们也可以考虑用下拉电阻以节省功率。 CMOS器件的悬空脚也应该引起我们的重视。因为CMOS悬空的输入端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随机变化，导致CPU在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入休眠状态或其他莫名其妙的故障，所以正确的方法是将未使用到的输入端接到VCC或地。 Buffer有很多功能，如电平转换，增加驱动能力，数据传输的方向控制等等，但如果仅仅基于驱动能力的考虑增加 Buffer的话，我们就应该慎重考虑了，因为过驱动会导致更多的能量被白白浪费掉。所以我们应该仔细检查芯片的最大输出电流IOH和IOL是否足以驱动下级IC，如果可以通过选取合适的前后级芯片来避免Buffer的使用，对于能量来讲是一个很大的节约。 ③动态电源管理（DPM） 所谓动态的电源管理就是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来达到节省功率的目的，这种动态控制是与系统的运行状态密切相关的，这个工作往往通过软件来实现。 a、选取不同工作模式 如前所述，系统时钟对于功耗大小有非常明显的影响。所以我们除了着重于满足性能的需求外，还必须考虑如何动态地设置时钟来达到功率的最大程度节约。CPU内部的各种频率都是通过外部晶振频率经由内部锁相环（PLL）倍频式后产生的。于是，是否可以通过内部寄存器设置各种工作频率的高低成为控制功耗的一个关键因素。现在很多CPU都有多种工作模式，我们可以通过控制CPU进入不同的模式来达到省电的目的。 b、关闭不需要的外设控制器 一般来讲，CPU都提供各种各样的接口控制器，如I2C、I2S、LCD、Flash、Timer、UART、SPI、 USB等等，但这些控制器在一个设计里一般不会全部都用到，所以我们对于这些不用的控制器往往任其处于各种状态而不用花心思去管。但是，当你想尽可能节省功耗的情况下，则必须关注它们的状态，因为如果不将其关闭，即使它们没有处于工作状态，但是仍然会消耗电流。以PIC16F690来讲： 从上表我们可以看到，通过设置寄存器我们可以有选择地关闭不需要的功能模块，以达到节省电的目的，比如在我们的实际应用中，I2C、比较器和SPI都没有用到，通过相关寄存器的设置，我们可以节省2mA的电流。当然，也可以动态关闭一些仍然需要的外设控制器来进一步节省能量。如在空闲模式下，CPU 内核停止运行，我们还可以进一步关闭一些其他的外设控制器，如USB,SDI,FLASH等，只要保证唤醒CPU的I/O控制器正常工作即可,如通过 UART唤醒，则UART控制器不能被关闭。等到CPU被唤醒后，再将USB、SDI、Flash等控制器再打开。 上面两种方式只是动态电源管理的最为简单的实现。在这两种方式中，一种是通过改变了系统的时钟频率，另一种是通过控制外设控制器的开关来达到节约能量的目的。 [2] 直读水表技术实现： 字轮上特定位置的特定编码，通过光电管的发射和接收判断字轮所处的位置，译码字轮值传入CPU内部，完美实现了从机械部件到电子部件的转换。这样不消耗电能情况下，依靠自身的机械部件也能正常计数，极大提高可靠性，减少能源消耗。 [3] 短路保护技术： 在锂电池组的专用集成保护芯片都只采取过充电、过放电和过电流保护,然而因一些意外导致的电池组短路现象还是存在。短路造成的回路电流一般在额定工作电流的10 倍以上,而过电流保护需要延迟约几十毫秒,直接短路导致的数十倍额定电流在几十毫秒内也会对电池组的性能产生影响。现有的保护方式有pptC 法,该方法是通过电流产生的热切断回路,也需要毫秒级的反应时间,同时增加了回路中的阻抗。也有专用于电池组的短路集成芯片,此芯片应用范围窄、成本高。 如下图所示为锂电池的短路保护电路： 图 5  短路保护电路 当正常工作时, MOSFET管Q2因R1上拉导通, P - 端和BAT - 端的压差很小,而且电阻R2 和R3 的阻值很大,所以流过电阻R2 和R3 的电流几乎为零,短路保护MOSFET管Q1 不工作。当发生短路现象时, P + 和P - 之间的压差突然变小,P- 和BAT - 之间的压差突然变大。电阻R2 和R3 的分压导致了短路保护MOSFET管Q1 的栅极电压比源栅极要高,短路保护MOSFET管Q1 导通,使Q2 的栅极电压变低,从而切断,锂离子电池组就停止放电,得到保护。由于MOSFET管Q1 的源栅极的最大压差约为20 V ,而多组锂离子电池组的总电压大于20 V。短路时,短路保护MOSFET管Q1 源栅极的电压差将大于20 V ,从而受损。电阻R2 和R3 的作用就是通过分压来保护短路保护Q1 , R2 和R3阻值的调整,要保证短路保护Q1能在发生短路现象时源栅极电压大于开启电压。4 组以下的锂离子电池组不需要分压电阻,把R3 短路、R2 开路即可。电容C1的作用是防止电路误动作，RT1的作用是过流启动保护。 [4] M-Bus总线协议： 国际化组织（ISO）于1978年提出了OSI（Open SystemInterconnection，即开放系统互联）7层参考模型。M－Bus总线协议以ISO－OSI参考模型作为参考，但是只采用了OSI 模型的物理层、数据链路层、网络层和应用层 a、物理层 物理层的功能是提供一条“非结构位流”传送的物理通道，并为数据链路层提供建立、  维护和解除物 理连接。物理层规定了主站与从站之间的物理接口的物理和电气特性，负责物理媒体上信息的接收和发送。M－Bus的物理层采用M－Bus总线标准。 b、数据链路层 数据链路层的功能是在物理连接的基础上建立、维护和解除数据连接。数据链路层以帧为单位传输信息，在每帧信息中附加了许多协议控制信息（如同步信息、地址信息、纠错信息、应答信息等），以保证信息无差错传送。M－Bus的数据链路层采用IEC870标准。 c、应用层 应用层是直接面对用户的一层。主要功能包括读数据、写数据、密钥设定、广播校对，以及更改通信速率等等。M－Bus的应用层采用EN1434—3标准。 M－Bus总线协议为主－从结构的半双工通讯方式，可以进行一主一从或一主多从的操作，从站均有各自的地址编码。在M-Bus总线协议中数据传送时，所有多字节数据域均先传送低位字节，再传送高位字节。发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。例如，传送数据域的值为12345678，其传输次序如图6所示。 图6 传输时序 M-Bus抄表系统遵循M-Bus总线协议。 [5] 对安装电子单元部分的采用密封垫圈和黑色的遮光纸有效的解决了防水和防光。 [6]数据信息压缩技术的实现。 在整个抄表系统中从读表到表读数传输到电脑内，整个过程数据传输速度成为整个系统采集的最大瓶颈。提高传输速度和减少传输编码都能有效的解决此问题。但提高传输速度，数据出错可靠性都大幅度降低，因此我们采用压缩编码的方式，减少传输时间。因减少了编码传输，数据可靠性也大幅度提高。 四、结论 市场的需求是多样化的，客户的实际情况也是千差万别，单一的产品远远不能满足实际的市场需要。抄表系统的今后发展应该是多样化的，不仅在抄表方式选择有无线方式、全自动方式、便携式的，技术选择上可以是RS485或者M-Bus，由客户根据实际需要进行选择。计量仪表智能化，不仅是中国的一种趋势，也是世界性的趋势。