基于小區基表的自動抄表系統的實現
隨著國民經濟的高速發展和人民生活水平的提高，安全、舒適、現代化的智能小區建設在我國正在蓬勃興起，自動抄表系統是智能小區的重要組成部分之一，是家庭自動化的必然，因而日益受到關注。構建四表（電、水、燃氣、熱量等計量儀表）集中統一管理的綜合自動抄表系統，不僅可節約管理系統的構建費用，節約人力資源，更重要的是可提高查表的準確性、一致性和工作效率，相對減少小區物業管理人員的數量，還可避免入戶查表的不安全、擾民等因素。同時，還可以解決人工查表收費的缺點和不足，減少因人工查抄表而造成查收數據誤差較大、抄表周期長而給小區物業管理部門和用戶之間帶來的矛盾。
國內一些城市的智能化居民住宅小區正在建設規劃中，已著手將電、水、燃氣、熱量等計量管理加以集中考慮，構建智能化、網絡化、自動化的集中式計量管理模式和管理技術平臺，已逐漸成為提升智能小區管理自動化水平的必然選擇。
1 自動抄表系統的基本原理
雖然新建小區發展需迅速，但已建成的小區仍占小區的絕大部分，并且已建成的小區基本上都安裝了機械三表（電、水、燃氣表）或四表。為了實現小區的自動抄表系統，一種方法是在已建成的小區中重新安裝能實現自動抄表的新型電子四表，這不但耗資巨大，實現起來也會困難重重。由于已建成的小區中原有的機械基表已達到了非常成熟的程度，精密、可靠。因此，如何在已建成的小區中通過一定的改造實現自動抄表在智能小區中占有重要的位置，并且任務量巨大。
本文設計了在已建成小區的四表的機械基表的基礎上，通過加裝傳感電路，再經過EM78P458單片機的處理實現自動抄表系統。
以燃氣表為例，自動抄表系統的原理框圖如圖1所示。它由普通的燃氣表基表、傳感器及其接口、單片機系統、通信接口及計算機管理控制中心等部分構成。傳感器及其接口電路和單片機系統、通信接口電路置于基表處或與基表同處于一個盒內，以便于安裝管理。計算機管理控制中心承擔各用戶用燃氣量的統計處理、費用結算、顯示、打印、查詢、報表等管理工作。
2 系統設計
在設計自動抄表系統時需要較多地考慮傳感器及遠傳系統的設計，而不是重新設計一個新表。因此，在實際設計時，需要選取高性價比、功耗低的傳感器和單片機，選取抗干擾性強的傳感器，為采集部分加上磁屏蔽，防止周圍雜散電磁場的干擾影響計量精度。
2.1 傳感器
采用南京新捷中旭微電子有限公司的ZP105A型韋根德零功耗磁敏傳感器作為數據采集傳感器，以滿足系統對低功耗和安全性方面的要求。韋根德零功耗磁敏傳感器是利用韋根德效應制成的，故名韋根德傳感器，是利用磁性雙穩態功能合金材料（韋根德絲）中的磁疇在磁場中的運動特性制作而成的。當外磁場發生變化時，磁疇磁化方向瞬間發生翻轉，而當外磁場撤離后又瞬間恢復到原有的磁化方向，由此在合金材料周圍的檢測線圈中感生出電脈沖信號而實現磁電轉換。該傳感器工作時無須使用外加電源，輸出信號幅值與磁場的變化速度無關。
韋根德零功耗磁敏傳感器由三部分組成：一是磁性絲敏感元件——韋根德絲，二是繞在絲上的檢測線圈，三是外部永磁體。當外部永磁體與傳感探頭之間發生相對運動時，韋根德絲作用有適當的外磁場，內芯磁化跳變，檢測線圈便會輸出感生電壓脈沖信號。檢測外部永磁體（或永磁體的載體）的運動可實現間接測量多種物理量。如：流量、速度、轉數、里程、轉角。也可適用于汽車自動點火位置分配器、汽缸活塞位置檢測器、無電源脈沖發生器、無觸點限位開關、識別卡及其讀出器等等。
韋根德零功耗磁敏傳感器的內部結構如圖2（a）所示，外部永磁體一般由外加小的永久磁鐵實現。ZP105A型韋根德零功耗磁敏傳感器的外形尺寸為6×12.5×4.5mm。安裝時，選擇在機械基表最后一級齒輪處加一小的永久磁鐵，外加永久磁鐵表面至傳感器敏感區作用距離為6mmt±1 mm，傳感器安放時永久磁鐵的磁力線應該平行的穿過傳感器的中心，安裝結構示意圖如圖2（b）所示。齒輪每轉動一周，外加的小永久磁鐵的磁場作用于傳感器一次，韋根德絲的磁疇磁化方向發生翻轉一次，傳感器的檢測線圈輸出一對正負雙向脈沖電信號。輸出脈沖信號的幅值大于2V，周期為外加的小永久磁鐵的運動周期（即小的永久磁鐵的載體—齒輪的轉動周期）。測量傳感器輸出脈沖信號的周期，即為基表最后一級齒輪的轉速，經過計算即可得機械基表的實際測量值。
通過零功耗磁敏傳感器對傳統電表、水表、氣表和熱量表的改進使其成為遠傳表。以燃氣表為例，選擇在基表最后一級齒輪處加一小的永久磁鐵（不算顯示部分的逐級傳遞齒輪）。該級齒輪每轉一圈都要撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪8次，每撥一次是0.001m3，所以每轉一圈共計0.008m3 的燃氣。也就是最后一級齒輪每轉125圈即撥動顯示部分的逐級傳遞齒輪1000次，燃氣表的顯示部分的計數為1m3；同時通過零功耗磁敏傳感器輸出125個脈沖。
由于零功耗磁敏傳感器測得的數據是基表向顯示部分傳遞數據的最后一級齒輪的轉速，因此，零功耗磁敏傳感器的采樣值與現場基表的測量值是一致的，其誤差為零功耗磁敏傳感器的采樣誤差與現場基表顯示部分的傳動誤差，而這兩項誤差都在允許的范圍內，所以，采用EM78P458單片機系統后的顯示測量值與現場機械基表的顯示測量值具備一致性。如果機械基表已經含有初始測量值，則可通過安裝時在EM78P458單片機系統中預置初始測量值的方式實現EM78P458單片機系統的顯示測量值與現場機械基表的顯示測量值的一致性。
2.2單片機系統
目前，單片機的種類繁多，高中低檔層出不窮，為滿足系統低功耗、高性價比的要求，選用了帶休眠功能的臺灣義隆公司生產的EM78P458單片機作為數據采集處理芯片。
EM78P458單片機是高速CMOS技術的8位單片機，內部集成有4K×13位OTP型ROM, 98×8位SRAM，8位可編程定時器／計數器，8位A/D轉換器，1個比較器，1個WDT，同時還具有內、外部中斷，雙向三態I/0口及低功耗的休眠方式（休眠時電流僅為1μA）。具有系統外部接口簡單、實用、廉價等特點。單片機系統原理電路如圖3所示。
當燃氣表基表的外加小永久磁鐵隨基表最后一級齒輪轉動經過零功耗磁敏傳感器ZP105A表面時，ZP105A產生脈沖信號，通過電容C3接人單片機的P6.6口，利用EM78P458單片機的I/0口引起中斷，喚醒單片機，單片機的數據存儲區單元1的內容自動加1，當加到125時，數據存儲區單元2的內容自動加1，單元1的內容自動清零。數據存儲區單元2的內容即為燃氣表用量的整數值，通過計算，可得燃氣表用量的實際值。可推廣到電、水、熱量表的自動抄表系統中。
2.3通信方案的選擇
實現燃氣表與計算機管理控制中心的通信有多種方案。公共網絡系統的通信方式可分為無線通信和有線通信。采用無線通信的公共網絡系統主要服務于分布較為分散的用戶。而智能小區的用戶比較集中，可以采用有線通信的公共網絡系統。有線通信可通過電話線、光纖通信、有線電視電纜、串行總線技術（RS-485、RS-422）和現場總線技術（CAN,LonWorks等）等方式實現自動抄表。RS-485總線技術是一種支持多節點、遠距離和接受高靈敏度的串行總線標準，由于性能優異、結構簡單、組網容易，是智能小區底層控制網絡各子系統中應用最廣泛的技術。本系統燃氣表與計算機管理控制中心的通信采用RS-485總線技術。
2.4通信接口的設計
EM78P458單片機內部沒有配置DART（通用異步收發器）模塊，為了利用RS-485總線技術實現與計算機管理控制中心的通信，利用、EM78P458的P5.5、P6.7兩條I/O口線分別作為發送和接收端，借助于軟件編程的手段模擬UART接口協議，實現UART虛擬接口。其接口電路如圖4所示。
圖4中，P5.5、P6.7引腳分別與外部的MAX485的DI、RO連接，作為UART虛擬接口發送數據端和接收數據端，P5.6接MAX485的DE、RE引腳，用以控制驅動器和接收器的使能，形成RS-485串行接口，組成通信的遠傳系統。當計算機管理控制中心需要采集測量數據時，可通過計算機管理控制中心發送信息喚醒單片機。單片機將測量數據通過RS-485總線傳送給計算機管理控制中心，形成智能小區自動抄表通信網絡。
2.5通信軟件的設計
計算機管理控制中心通過P6.7引腳喚醒單片機EM78P458，通知EM78P458將進行一次數據傳送，然后計算機管理控制中心發送地址碼，各點EM78P458單片機接收到地址碼后于本機的地址碼比較，若相同，則發送本機測量數據給計算機管理控制中心，否則，結束本次通信。其通信程序框圖如圖5所示。單片機發送測量數據到計算機管理控制中心的發送子程序框圖如圖6所示。計算機管理控制中心接收各單片機抄表系統數據的程序框圖如圖7所示。
3 結束語
基于小區基表的自動抄表系統以小區原有的燃氣表基表為基礎，能夠方便地在不影響基表性能的情況下，加裝韋根德零功耗磁敏傳感器電路，采用廉價、低功耗的EM78P458單片機系統后具備了機械與遠傳兩套顯示，且顯示具備一致性。實現了智能小區中的燃氣量采集。通過虛擬UART接口，采用RS-485總線實現實時遠程抄表功能。計算機管理控制中心可提供數據處理、查詢、統計、報表、打印、備份等功能。從而實現對整個小區燃氣量供應計量的現代化物業管理，使物業管理走向智能化、數字化。該系統具有方便、價能比低、功耗低、易于推廣等特點，只需合理選擇數據采集傳感器及外加小的永久磁鐵的安裝位置、實施必要的屏蔽和進行相應的數據處理，就可實現電表、水表、熱量表等的自動抄表系統，在智能小區建設中具有非常廣泛的應用前景。