智能化建筑的自動(dòng)抄表系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，智能化建筑在許多國家都是建立起來的。智能小區(qū)是在智能化大樓的基本含義中擴(kuò)展和延伸出來的,它通過對(duì)小區(qū)建筑群四個(gè)基本要素(結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理以及它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián))優(yōu)化考慮,提供一個(gè)投資合理,又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的居住環(huán)境。自動(dòng)抄表系統(tǒng)是正趨于大力發(fā)展中的智能建筑、樓宇自動(dòng)化的重要組成部分,是家庭自動(dòng)化的必然,因而日益受到關(guān)注。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展,改變傳統(tǒng)的人工上門抄表收費(fèi)方式已成為可能,研制自動(dòng)抄表系統(tǒng)便提到日程上來了。在這個(gè)發(fā)展過程中,由于人們過于重視微機(jī)系統(tǒng)的先進(jìn)性,忽視了傳感器及其接口電路的可靠性,導(dǎo)致許多系統(tǒng)雖微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行正常,卻失去了準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)的作用。而將水、電、氣的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),是一個(gè)關(guān)鍵而復(fù)雜的過程,實(shí)踐證明,在自動(dòng)抄表的整個(gè)系統(tǒng)中,它不像微機(jī)系統(tǒng)那樣只決定了系統(tǒng)的檔次和水平,而是決定著整個(gè)系統(tǒng)的成敗,有經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)技術(shù)人員對(duì)此深信不疑。因此,有必要專門對(duì)自動(dòng)抄表進(jìn)行分析研究,以取得更好的應(yīng)用效果。1傳感器接口電路設(shè)計(jì)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示。它由煤氣表、電表、水表,及相應(yīng)的傳感器及其接口、單片機(jī)、通訊接口及網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)管理控制中心等部分構(gòu)成。根據(jù)各表的不同特性,在數(shù)據(jù)采集中應(yīng)采用不同的傳感器及其接口電路,通訊介質(zhì)可為電話線、電力線、雙絞線或無線電波等。傳感器及其接口電路和單片機(jī)、通訊接口電路應(yīng)內(nèi)置于基表內(nèi),以便于安裝管理。計(jì)算機(jī)管理控制中心承擔(dān)各用戶用電量、氣量、水量的統(tǒng)計(jì)處理、費(fèi)用結(jié)算、顯示、打印、查詢、報(bào)表……等管理工作。2遠(yuǎn)傳系統(tǒng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟目前,自動(dòng)抄表基本上是在原有機(jī)械基表上加裝傳感電路形成的。原因有三:1)三種基表在整個(gè)國際應(yīng)用歷程中已達(dá)到了非常成熟的程度,精密、可靠,不可隨意改動(dòng)。2)能夠方便地在不影響基于性能的情況下加裝遠(yuǎn)傳電路。3)加裝遠(yuǎn)傳電路后即具備了機(jī)械與遠(yuǎn)傳兩套顯示,且顯示具備一致性的條件。也正因?yàn)槿绱?我們?cè)谠O(shè)計(jì)自動(dòng)抄表系統(tǒng)時(shí),因多考慮傳感器及遠(yuǎn)傳電路設(shè)計(jì),而不是重新設(shè)計(jì)一個(gè)新表。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),一是要選取適當(dāng)?shù)奈⒐膫鞲衅骱蛦纹瑱C(jī);二是要選取抗干擾性強(qiáng)的傳感器;三是應(yīng)該為采集部分加一磁屏蔽,防止周圍雜散電磁場(chǎng)的干擾以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。3在自動(dòng)復(fù)制系統(tǒng)中，幾種傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了比較3.1光電傳感器檢測(cè)在電表中可采用光電傳感器。電表的鋁盤在電渦流和磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。采用光電傳感器則可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。在電表的光亮的鋁盤上局部涂黑,再配以反射式光電發(fā)射接收對(duì)管,則當(dāng)鋁盤旋轉(zhuǎn)時(shí),在局部涂黑處便產(chǎn)生脈沖,并可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)采樣轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù),并經(jīng)光電耦合隔離電路,送至單片機(jī)的T0端口進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)。圖2為光電傳感器檢測(cè)示意圖。圖中D1和P1組成光電發(fā)射接收對(duì)管,P1接收涂黑部分的反射光而在A點(diǎn)處將產(chǎn)生的電脈沖輸入到光電耦合隔離器01,01以發(fā)光二極管為輸入端、光敏三極管為輸出端。01的輸出信號(hào)則輸入到單片機(jī)的T0端。T0端為單片機(jī)MSP430的并行口P3.4的第二功能端—定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖外部輸入端,接收傳感器的計(jì)數(shù)脈沖輸入。MSP430的串行輸入、輸出口RXD、TXD(P3.0、P3.1的第二功能)在控制指令指揮下工作。RXD為接收端,TXD為發(fā)送端,工作于一定方式。若在電表的鋁盤上加工一狹縫隙或小孔,則可用透射式光電發(fā)射接收對(duì)管,同樣可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)采樣轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù),后續(xù)電路與上相同。測(cè)得鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)N,即可檢測(cè)出用戶消耗的電能。與在電表中相似,在煤氣表中,可將機(jī)械式基表的計(jì)數(shù)齒輪局部涂黑或加工一狹縫隙或小孔。測(cè)得計(jì)數(shù)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N,即可檢測(cè)出用戶消耗的氣量。這樣組成的煤氣表就構(gòu)成了脈沖煤氣表。3.2電子線路組成霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn),它們的結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長(zhǎng),安裝方便,功耗小,頻率高(可達(dá)1MHZ),耐震動(dòng),不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量,后者輸出數(shù)字量?；魻柧€性器件的精度高、線性度好;霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級(jí))。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬,可達(dá)-55℃-150℃?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路,由穩(wěn)壓器,霍爾電壓發(fā)生器(霍爾片),差分放大器,史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出級(jí)組成,能將變化的磁場(chǎng)訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。在外磁場(chǎng)的作用下,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值BOP時(shí),霍爾電路輸出管導(dǎo)通,輸出低電平。之后,B再增加,仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí),輸出管截止,輸出高電平。我們稱BOP為工作點(diǎn),BRP為釋放點(diǎn),BOP-BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)。鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是:當(dāng)外加磁場(chǎng)B正向增加,達(dá)到BOP時(shí),電路導(dǎo)通,之后無論B增加或減小,甚至將B除去,電路都保持導(dǎo)通態(tài),只有達(dá)到負(fù)向的BRP時(shí),才改變?yōu)榻刂箲B(tài),因而稱為鎖定型。霍爾開關(guān)電路的功能框見圖3(a)。圖3(b)表示普通霍爾開關(guān)的輸出特性,圖3(c)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。在電表、煤氣表、水表中都可采用霍爾開關(guān)器件,機(jī)械式的基表驅(qū)動(dòng)小磁鐵,當(dāng)磁鐵經(jīng)過霍爾開關(guān)器件的表面時(shí)就可得到輸出信號(hào)。輸出信號(hào)輸入到單片機(jī)的T0端。從單片機(jī)中測(cè)得的計(jì)數(shù)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N,即可檢測(cè)出用戶消耗的氣量或水量。這樣組成的煤氣表或水表就構(gòu)成了脈沖煤氣表或脈沖水表。圖4(a)為霍爾開關(guān)檢測(cè)示意圖,圖4(b)為霍爾開關(guān)轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)電路。而當(dāng)我們需要用戶數(shù)據(jù)時(shí),通過遠(yuǎn)傳線路在中心管理計(jì)算機(jī)上就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。3.3零載荷時(shí)傳感器對(duì)小磁鋼的安裝這種零功耗磁敏傳感器是利用韋根德效應(yīng)制成的,又名韋根德傳感器。其工作原理是利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料中的磁疇在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性制作而成的。當(dāng)外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn),而當(dāng)外磁場(chǎng)撤離后,它又瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向,由此在合金材料周圍的檢測(cè)線圈中會(huì)感生出電脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。此傳感器工作時(shí)無須使用外加電源,適用于微功耗儀表。經(jīng)試驗(yàn)當(dāng)傳感器觸發(fā)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于50Gs時(shí),以雙磁極交替觸發(fā)方式工作,觸發(fā)零功耗磁敏傳感器工作時(shí)輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào),信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期,幅值大于2V,電流大于2μA,可滿足單片機(jī)的要求。且無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水,壽命很長(zhǎng)。因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲂盘?hào)電流很小,所以后級(jí)信號(hào)處理可為晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管,也可以和比較器或各種運(yùn)算放大器直接連接。適當(dāng)注意也可和低功耗單片機(jī)連接。磁路設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意磁場(chǎng)空間分布,平行于傳感器敏感區(qū)的磁場(chǎng)分量一定要滿足觸發(fā)磁感應(yīng)強(qiáng)度的要求(≥50Gs)。零功耗磁敏傳感器和小磁鋼常用的兩種安裝方法如圖5(a)所示。在電表、煤氣表、水表中都可采用零功耗磁敏傳感器器件,機(jī)械式的計(jì)數(shù)齒輪驅(qū)動(dòng)小磁鐵,當(dāng)磁鐵經(jīng)過傳感器的表面時(shí)就可得到輸出的一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)。輸出信號(hào)輸入到單片機(jī)的T0端。只有當(dāng)單片機(jī)采集到一對(duì)正負(fù)脈沖時(shí),單片機(jī)的計(jì)數(shù)器才加“1”。從單片機(jī)中測(cè)得的計(jì)數(shù)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N,即可檢測(cè)出用戶消耗的氣量或水量。圖5(b)為零功耗磁敏傳感器檢測(cè)電路。3.4零載荷磁敏傳感器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償從前面的分析我們可以看出,光電式傳感器和霍爾開關(guān)式傳感器工作時(shí),都需要供電,電流一般為毫安級(jí),這將導(dǎo)致供電電池的極大耗費(fèi);如果改用供電電源,在煤氣表中又將引起安全方面的問題。而零功耗磁敏傳感器工作時(shí)無須使用外加電源,適用于微功耗儀表,在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中是較好的采集用傳感器。在有強(qiáng)磁干擾時(shí),霍爾開關(guān)式傳感器有可能只輸出高電平或低電平,將導(dǎo)致單片機(jī)不再計(jì)數(shù)。而零功耗磁敏傳感器有較強(qiáng)的抗干擾性能,工作時(shí)傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào),信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期。也就是說,如果磁鋼的N極接近時(shí),輸出正脈沖電信號(hào);磁鋼的S極接近時(shí),輸出負(fù)脈沖電信號(hào)。那么,當(dāng)傳感器輸出正脈沖電信號(hào)時(shí),有一個(gè)和小磁鋼的N極同方向的干擾時(shí),傳感器將輸出一個(gè)正脈沖電信號(hào),對(duì)單片機(jī)計(jì)數(shù)沒有影響;而此時(shí),如果有一個(gè)和小磁鋼的S極同方向的干擾時(shí),傳感器將輸出一個(gè)負(fù)脈沖電信號(hào),單片機(jī)計(jì)數(shù),在以后的工作中由于干擾磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度不變,單片機(jī)繼續(xù)計(jì)數(shù),單片機(jī)比正常時(shí)多計(jì)了一個(gè)數(shù)。如果,干擾磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度是變化的,將導(dǎo)致單片機(jī)更多的計(jì)數(shù),對(duì)于那些想通過強(qiáng)磁干擾盜用煤氣水和電的人來說是得不償失的。在計(jì)數(shù)方面,如果采用光電式傳感器和霍爾開關(guān)式傳感器工作,當(dāng)煤氣表或水表的計(jì)數(shù)齒輪反轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)發(fā)生單片機(jī)錯(cuò)誤計(jì)數(shù),而如果采用零