超声波热量表无线抄表系统本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)

超声波热量表无线抄表系统本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

． 87 第 1章 绪论 1 第 1 章 绪论 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[。 自动抄表的研究背景和现状 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 20％ ~34％，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 2020 年规划》，我国住宅的供热体系 到 2020 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，燕山大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 电子式热量表也经历了从电子积分式、模拟 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： OIML—R75 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 2020 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 ， 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 ， 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第 1章 绪论 3 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进步，为自动抄表的实现提供了可能。 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，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2020 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 2020 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 系燕山大学本科生毕业设计 (论文 ) 4 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。 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。 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 热费第 1章 绪论 5 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，多种多样的抄表方式已经实现，如 RS48 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，根据选择不同的路燕山大学本科生毕业设计 (论文 ) 6 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。 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MBUS 总线技术和 ZIGBEE 无线传输技术。 本论文重点介绍了，在数据集中的过程中的方法， 就是 MBUS 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 7 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 21 所示。 集 中 器终 端终 端终 端集 中 器终 端终 端终 端Z i g B e e 网 络G P R S 网 路中 心 服 务 器„ „图 21 远程数据抄表系统 硬件终端设计 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。 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燕山大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 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 22 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 ，其底层采用了直扩技术，具有大规模的组网能力。 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 ]2[。