1、 本科毕业设计(论文)超声波热量表无线抄表系统燕 山 大 学2012 年 06 月本科毕业设计(论文)超声波热量表无线抄表系统学院(系) ： 电气工程学院 专 业：测控技术与仪器 学生 姓名： 学 号：080103020020 指导 教师： 答辩 日期： 2012.06.25 燕山大学毕业设计 (论文)任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪表 学号 080103020020学生姓名专 业班 级 08 仪表 1 班题目名称 热量表无线抄表系统设计题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )2.管理类( )；3.外语类( )
2、；4.艺术类( )题目类型 1.毕业设计( ) 2.论文( )题目题目来源 科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容1超声波热量表的功能分析；2M-bus 或 ZIGBEE 总线系统的研究；3GPRS 无线通讯系统设计；4上位机软件的设计。基本要求1掌握超声波热量表的工作原理；2完成 M-bus 或 ZIGBEE 总线的数据传输系统；3完成 GPRS 无线通讯系统；4完成上位机软件的设计。参考资料1张毅刚等.单片机原理与应用设计,哈尔滨工业大学出版社,20082李崇德.现代数字存储示波器原理与应用,北京:电子工业出版社,19893谢自美.电子线路综合设计,武汉:华中科技大学出版社
3、,2006周 次 第 1 4 周 第 5 8 周 第 912 周 第 1316 周 第 1718 周应完成的内容查阅收集相关资料，对研究内容进行初步学习了解超声波热量表的基本原理和路设计设计 M-bus和 GPRS 结合的数据通信系统系统的硬件和软件设计调试结合实验验证方法的正确性，并撰写论文指导教师：职称：教授 年 月 系级教学单位审批：年 月 日日摘要I摘要随着我国热计量事业的快速发展,热量计量系统必须超越原有的传统方式，将网络通信技术、计算机控制技术以及自动化技术应用于智能小区的远程抄表，对供热收费逐渐达到信息化和智能化。本文简述了无线抄表技术的发展现状，并对总线的选择及系统的总体结构进
4、行了论证，确定了系统的三大组成部分用户热量表、楼宇集中控制器(简称集中器)和主控中心。首先简述了基于超低功耗微控制器 TDC 的热量表的内部硬件构成以及关键参数的测量和计算方法，其次介绍了楼宇数据集中器的设计，M-BUS和 ZIGBEE 的结合，并论述了用户热量表与集中器连接的 M-BUS 总线的硬件接口电路，制定了系统的通讯协议。然后，介绍了集中器与主控计算机之间的无线数据通信方法。采用GPRS 无线网络实现主控中心对集中器的远程控制，介绍了通过单片机控制 GPRS 通过短信形式发送读表命令，进行了主控中心系统的研究与设计，通过 VC 编写上位机程序，主要包括数据库编程和主控界面的设计。关键
5、词 网络通讯；无线抄表；上位机；主控燕山大学本科生毕业设计( 论文)IIAbstractIn company with the rapid development of heat metrology project of our country, heat measuring system must overstep the intrinsic traditional method, and have network communications, computer control technique and automation technology applied in the remot
6、e meter reading of intelligence community, so as to work up to the normalization and intelligent of heating collection. To begin with, the paper presented the general information of state-of-the-art of automatic meter reading technology, and demonstrated the selection of bus and the general structur
7、e of the system, then made certain the three main components of the system; those were consumptive heat meters, concentrators and master control center. In the next place, the paper introduced the internal hardware organization and the measurement and computing method of some key parameters of the h
8、eat meter based on ultralow power dissipation TDC. Then discussed the hardware interface circuit and EMC design of M-BUS that connects the heat meters and the concentrator, constituted the communication protocol of the system, and analyzed the software programming. Afterward, the paper introduced th
9、e technique of wireless data communication between master control computer and concentrators. Carried out the remote control of master control computer to the concentrators via GPRS wireless network, introduced the principal and switching in method of GPRS module DTU. Researched and developed the ma
10、ster control center system, primarily included the database programming and the design of the master control interface.Keywords Network Communications； Meter-Reading System with Wireless Remote-Transmission； Position Machine； Master controlIII目 录摘要 IAbstract II第 1 章 绪论 11.1 课题背景 11.2 抄表系统的研究和现状 11.2
11、.1 自动抄表系统的研究背景 11.2.2 国外自动抄表系统的现状 31.2.3 国内自动抄表系统的现状 41.3 选题依据及意义 41.4 本课题研究的主要内容 6第 2 章 系统概述 72.1 硬件终端设计 72.1.1 热量表 72.1.2 采集器 72.1.3 集中器 82.1.4 中心服务器 92.2 系统软件介绍 92.2.1 采集器软件 92.2.2 集中器软件 92.2.3 中心软件 102.3 本章小结 10第 3 章 超声波热量表的研究 123.1 超声波流量的监测方法 123.1.1 时差法超声波流量测量原理 123.1.2 时差法测量的优点 143.2 超声波传播时间测
12、量 143.3. 温度测量 163.3.1 温度测量原理 163.3.2 温度测量的实现 16燕山大学本科生毕业设计( 论文)IV3.3.3 影响测温精度的因素 193.4 热量算法的设计 203.4.1 热量计算原理 203.4.2 热量计算方法 213.5 本章小结 23第 4 章 数据采集与传输的设计与实现 254.1 M-BUS 仪表总线设计 254.1.1 M-BUS 仪表总线协议 254.1.2 M-BUS 总线的结构模型及特点 254.1.3 M-BUS 仪表总线协议 274.1.4 数据的传输 304.1.5 M-BUS 电路的设计 324.2 ZIGBEE 无线通讯设计 33
13、4.2.1 ZIGBEE 知识介绍 334.2.2 ZIGBEE 技术网络层的体系结构研究 354.2.3 ZIGBEE 的网络拓扑结构 364.2.4 网络的组建原理 364.3 GPRS 网络通讯 374.4 系统软件和硬件设计 374.4.1 采集器软件设计 374.4.2 集中器软件设计 384.5 系统硬件连线V图 394.6 本章小结 40第 5 章 上位机软件设计 415.1 上位机的功能 415.2 上位机界面 415.3 本章小结 45结论 46参考文献 47致谢 49附录 50附录 1 51附录 2 57附录3 62附录4 71附录5 77附录6 87第 1 章 绪论 1第
14、 1 章 绪论1.1 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
15、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 。11.2 自动抄表的研究背景和现状1.2.1 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
16、。 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 2010 年 规 划 ，我 国 住 宅 的 供 热 体 系 到 2010 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
17、暖 设 备 中 占 有 很 重 要 的 地 位 。 热 量 表 开 始 起 源燕山大学本科生毕业设计( 论文)2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 ， 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
18、 际 的 热 量 表 标 准 文 件 ： OIMLR75 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 2008 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
19、 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
20、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
21、 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
22、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 人第 1 章 绪论 3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
23、 热 体 制 ， 也 使 得 分 时 热 价 运 营 和 管 理 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 。1.2.2 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
24、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
25、 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2003 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
26、2000 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 Schlumbe
27、rger 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 机燕山大学本科生毕业设计( 论文)4成 立 。 与 此 同 时 ， IEC 的 Tc57 和 Tc13 两 大 标 准 化 逐 渐 成 为 ARM 系统 指 定 了 相 关 的 标 准 。 各 式 各 样 的 AR
28、M 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 。1.2.3 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
