智能水表的数据采集毕业设计.docx

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智能水表的数据采集毕业设计

目录

一、设计正文……………………………………………………………

（1）

二、附录

1.设计开题报告…………………………………………………………（25）

2.设计结题报告………………………………………………………（26）

3.成绩评定及答辩报告表………………………………………（27）

基于MSP430单片机智能网络水表的

远程数据采集系统设计

[摘　要]单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。

而msp430单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

随着我国城镇建设的快速发展，有关城市的水、电、气、暖表的管理和数据采集出现的问题也日益突出，根据自来水网的改造、智能小区的建设以及实施“一户一表”工程的需要，本文设计了一种基于msp430单片机的智能网络水表，智能水表通过集中器和上位机管理系统连接，将水表的数据传输给远方的上位机，同时上位机管理系统通过集中器对智能网络水表进行监测和管理。

利用低成本、高性能的MSP430单片机作为基表进行硬件设计,使用了广泛应用的基于RS-485电气接口的异步串行通讯技术作为通讯方式,利用SQLServer技术和VisualC++编程语言设计了远程数据采集系统的上位机管理软件.文中给出了系统模型,并对其关键部分的数据采集器、集中器和上位机管理系统做了系统的分析.

[关键词]自动数据采集系统;集中器;MSP430单片机;RS-485总线;智能网络水表

Designofwatermeterremote-readingsystembasedonMSP430microcontrollerintelligentnetworkwatermeter

Zhangwenbin

（SchoolofInformation,BaojiUniversity.）

Abstract:

Becauseofitsextremelyhighperformance-priceratio,thesingle-chipcomputer（SCC）hasbeenpaidgreatattentiontoeversinceitcameoutin1970sof20thCentury,andhasgainedanextensiveapplicablefieldandfastdevelopment.AmongallkindsofSCCs,MSP430SCCisthemosttypicalandrepresentativeone.Moreandmoreproblemsarearisingonthemanagementandrecord-readingofwatermeter,electricitymeter,andnaturalgasmatersystemsasthecommunitydevelopmentisgrowingfast.Aimingtosolvetheseproblems,thethesisdesignedaremotecentralmeterreadingsystemandintelligentwatersystem,developmentofintelligentresidentcommunityandthehighdemandofonemeterperfamilyproject.Thisintelligentwatermaterwillcollectthedataandtransferittotheremoteupper-levelmanagingsystemviaconcentratorandupper-levelmanagementsystem,whiletheupper-levelmanagementsystemisresponsibleformonitoringandmanagingintelligentwatermeternetwork.

ThissystemusedoftheMSP30microcontrollerwhichislowcostandhighperformanceastheprincipalparttodesignhardware,usedasynchronousserialcommunicationtechnologybasedonRS-485electricinterraceascommunicationmeansSQLServertechnologyandVC++programlanguageareusedtodesigntheremote-readingmanagementsoftwaresystem.Thispapersystematicallyintroducesthemodelofthesystemandthecriticalpartofthesystemsuchasdatacollector,concentratorandupper-levelmanagesystem.

Keywords:

automaticmeterreadingsystem;concentrator;MSP430microcontroller;RS-485bus;interlli-gentnetworkwatermeter.

目录

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2选题意义和经济效益2

1.2.1远程集中数据采集系统及智能网络水表的推广应用前景2

1.2.2社会效益3

1.2.3设计的技术指标4

1.2.4采用的控制芯片4

1.2.5采用的数据采集方式4

1.2.6无线传输采集的方式7

第二章整体设计8

2.1远程集中数据采集系统的总体概述8

2.2远程集中数据采集系统整体结构9

2.2.1智能网络水表9

2.2.2脉冲采集电路10

2.2.3液晶显示电路及显示器11

2.2.4阀门控制电路12

2.2.5通信接口12

2.3集中器设计13

2.3.1集中器15

2.4上位机管理系统19

第三章小结22

参考文献23

致谢24

第一章绪论

随着我国城镇建设的快速发展，有关城市的水、电、气、暖表的管理和数据采集出现的问题也日益突出，根据自来水网的改造、智能小区的建设以及实施“一户一表”工程的需要，本文设计了一种基于MSP430单片机的智能网络水表，智能水表通过集中器和上位机管理系统连接，将水表的数据传输给远方的上位机，同时上位机管理系统通过集中器对智能网络水表进行监测和管理。

为适应这个发展方向,在研制出有线远传水表及其数据采集器的基础上,开发了专用的数据集中器,以实现远传水表数据采集系统。

同时本文对水表的远程集中数据采集系统进行了全面的介绍，该系统有三层网络结构：

上位机管理系统、集中器和智能网络水表。

智能网络水表通过RS-485总线和集中器连接，集中器通过调制解调器MODEM和电话网连接，将数据通过电话网传输给上位机管理系统，降低成本的同时提高了数据传输的可靠性。

同时上位机管理系统还可以和银行联网,组成四级网络，为集中数据采集系统的扩展奠定了基础。

这样的设计代替了人工入户数据采集的数据采集方式,大大方便了居民生活。

本文所设计完成的智能水表具有功能完善,计量准确的优点。

1.1研究背景　　　　

当今社会科学技术高度发展，现代的建筑不仅融合了传统的建筑特点，而且包括了高科技产品和现代科学技术，随着现代通信技术、控制技术、网络技术的发展，现在的智能建筑和智能小区很多已经实现了楼宇自动化，例如：

宽带上网、防盗、防火联网报警等，同时耗能计量表出户集中数据采集、自动收费、联网管理己成为现代智能建筑和智能小区的必备条件。

这里的耗能计量表是指用于居民住宅耗能计量的仪表，包括水、电、暖、煤气表等，但是现在仍有大量的智能建筑和智能小区的水、电、暖、煤气等耗能计量表采用传统计量技术和数据采集方式，因此新的计量技术和数据采集方式成为研发的热点。

　现在对于耗能计量表的数据采集方式多为人工入户数据采集，而且归各个管理部门收费，这种收费方式存在很多的弊端：

（1）数据采集工作劳动强度大、效率低；

（2）管理费用高；

（3）入户数据采集难度大，而且存在安全隐患等。

随着通信技术和网络技术的发展，远程自动数据采集方式将逐步替代传统的数据采集方式，这样可以将耗能计量表的管理统一到物业中心，大大节省人力、物力和财力，而且可以实时监控耗能表的使用情况，有利于管理部门的管理，同时将物业中心的计算机和银行的管理系统联网，由银行从业主的存款中扣除费用，真正实现了联网收费。

传统的计量技术和数据采集方式所使用的仪器仪表多为旧式仪器仪表，这些仪器仪表已经无法满足社会的需要，它们存在着精度低、体积大、可靠性差等缺陷，针对旧式仪器仪表的缺陷，出现了智能化计量仪表。

智能化仪器仪表是计算机技术向仪器仪表移植的产物，含有微计算机或微处理器的仪器仪表，具有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术的高速发展，智能化计量仪表朝着微型化、数字化和网络化方向发展，并逐步取代旧式的计量仪表。

　水表是记录流经封闭满管道中水流量的一种仪表，它是一种积算式速度流量计，原理上是利用活动壁的容积室的机械作用或水流推动涡轮等活动元件，使之旋转以连续确定水流量。

水表性能的好坏直接影响着人们的日常生活以及水资源管理工作的效率和科学化水平。

而旧式水表存在着偷水、漏水等严重问题，用先进的智能化水表取代旧式水表已经成为一种发展趋势[1]。

2.选题意义和经济效益

1.2.1远程集中数据采集系统及智能网络水表的推广应用前景　　　　

随着我国城镇建设步伐的加快，城市水、电、气等建设规模日益庞大，管理工作越来越复杂，而且越来越繁重，在这种情况下传统的管理模式已经暴露出各种弊端，与城镇的现代化建设不相适应。

对于水表计量计费而言，实现水表的远程集中数据采集有以下优点：

（1）可以有效地解决入户数据采集效率低的问题，提高自来水公司的用水管理水平和管理效率，杜绝水费的拖欠；　　　　

（2）避免干扰居民生活，杜绝安全隐患；　　　　

（3）远程集中数据采集可以使管理部门随时了解居民的用水情况，而且使数据采集工作不受时间的限制。

长期以来，我国城镇居民使用的水表普遍是普通机械旋翼湿式水表，这种水表价格低廉、性能比较稳定，但是存在着偷水、漏水等现象。

智能网络水表的使用相对于传统的水表有以下优点：

（1）可以杜绝普通水表的偷水、漏水现象；　　　　　　

（2）其智能化的设计可以使居民随时了解用水量和单价水费，大大方便了居民生活；

（3）这种水表配备有数据通信的接口，可以方便与集中器进行连接；　　　　　（4）这种水表可以防止强磁干扰、拆卸等所造成的计量不准确，上位机管理系统可以监控水表的状态和运行。

我国传统的水表水量计量和数据采集管理模式己经不适应社会和经济的发展，在这种情况下，远程集中数据采集系统及智能网络水表的推广使用，符合国内外水表和数据采集管理模式的发展状况以及未来趋势，具有很好的推广前景。

根据对各大城市自来水公司的实际调查，相对于传统水表和数据采集模式，远程集中数据采集系统和智能水表有很好的经济效益：

（1）降低人工费用；　　　　

（2）降低偷水、漏水费用；　　　　

（3）降低水表的管理费用：

如果使用智能网络水表，自来水公司每月用于用水监控和管理的费用将大大降低。

1.2.2社会效益　　　　

远程集中数据采集系统和智能网络水表的推广使用不仅具有很好的经济效益，而且具有很好的社会效益：

（1）智能网络水表系统为实现国家建设部在小康住宅标准中提出的推广应用户外计量（含水、电、暖、燃气表）技术提供了有利的保障；　　　　

（2）智能网络水表系统能够避免水表计量和收费过程中的各种错计、漏计用水量和拖欠水费等现象；

（3）远程集中数据采集系统有利于促进科技进步和新材料的研制。

1.2.3设计的技术指标　　　　

本次设计的智能网络水表的主要技术指标有：

（1）工作电压：

3.6士0.6V；　　　　　　

（2）静态电流：

（30MA）；　　　　　　

（3）阀门正常工作次数：

>100次；　　　　　　

1.2.4采用的控制芯片　　　　

控制芯片是智能网络水表系统和智能网络水表的核心部分，采用何种控制芯片要从它的功耗和性能方面结合考虑，单独考虑芯片的功耗而忽略其性能是不合适的，要做到采用的芯片功耗尽可能低，同时也要满足智能网络水表系统和智能网络水表的各项功能。

1.2.5采用的数据采集方式　　　

　现在远程集中数据采集系统有很多种数据采集方式，结合实际情况，采用合适的数据采集方式是保证数据可靠传输，进行实时监控的关键。

本次设计采用的数据采集方式适合大容量的水表数据采集，同时上位机管理系统可以通过集中器对水表进行实时监控。

在国外集中数据采集系统的技术发展起步较早，对集中数据采集技术的研究起步也较早，且比较深入，从标准的制定到数据采集专用芯片的生产都比较成熟，多种集中数据采集技术得到了相对广泛的、成功的应用，在发达国家基本上都实现了远程集中数据采集。

对于适合于远程集中数据采集的智能水表而言，国外几家大水表公司，如瑞典ABB公司、德国MEILEK公司及以色列ARAD公司推出的总线制智能水表，这些公司定做了一体化芯片（将采集、存储、传输电路集成于一体的专用芯片），固件到表体上。

这种水表由于采集计数工作单元均装配在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存储等基础工作全由水表本身完成，上位机不参与底层数据采集，仅进行通信联系，消除了外界因素对计量的影响。

另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存，也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时该表总线出现故障，只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。

但是成本较高，推广普及较慢。

通过电力线载波技术进行远程集中数据采集的智能水表，国外的很多大公司和研究所已经开发出了相对应用于电力线载波技术的器件和元件，电力线载波技术的关键是电力线载波专用芯片，国外很多公司生产出这种专用芯片，使远程集中数据采集和控制变得可靠。

瑞典ABB公司开发的无线发射式水表，除安装常规数据采集、处理、存储模块外，另设置无线发射装置，通过远程接收装置接收信号，此种水表不需敷设线路和线路维护、安装方便。

但是种无线发射式水表占用频率点需长期交付一定的租用金和管理费。

国内发展现状相对于国外远程集中数据采集和智能化水表的发展，我国在这方面的技术起步较晚，但是发展十分迅速。

RS-85总线传输方式已经广泛应用在集中数据采集系统中，在我国些大中城市，无线传输数据采集方式也广泛使用，经过技术的改进，这种数据采集方式已经取得了明显的效果；电力线载波技术更是发展迅速，尤其在电能表自动数据采集方面使用最多。

对于传统水表出现的缺陷，我国市场上出现了很多种智能化水表，具体分类如图1-1所示。

远程集中数据采集系统中关键要解决的问题是数据通信的问题，因而远程集中数据采集系统也随着各种通信方式的发展而不断发展起来161。

根据通信方式的不同，目前国内外主要有以下几种数据采集方式.

有线传输数据采集方式主要包括：

RS-485总线传输方式、基于LonWorks网络的现场总线传输方式、电力载波方式传输方式、数据网络传输方式和利用MODEM、电话网的传输方式等。

（1）RS-485总线方式：

是较早应用的技术，技术非常成熟，现在在很多远程集中数据采集系统中大量采用。

通常由一个采集终端通过RS-485总线采集一定数量基表的13太原理_E大学硕士研究生学位论文数据，基表为具有RS-485接口的电子表，采集终端通过专用电缆或RS一485总线，将采集到的数据送到集中器进行存储和处理。

抄收区域较大时，可以采用多个集中器级联，一般由最高一级的集中器通过调制解调器接入电话网，再和上位机连接。

（2）现场总线方式：

现场总线是在微机测量控制设备之间实现双向串行多字节数字通信的系统，也被称为开放式、数字化多点通信的底层控制网络。

它在制造业、流程工业、交通，楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景I“。

在智能住宅方面，LonWorks现场总线是现场总线技术中最被看好的技术之一。

基于LonWorks网络的集中数据采集系统，兼有局域网和测控网两者的特性，可以方便的实现管理网和各种测控网的连接，通过由LonWorks网络采集模块对耗能计量表的数据进行采集，并把多个如此模块连成LonWorks网络构成一个比较大的集中器，同时对上千个耗能计量表进行数据采集，这些数据可以通过电话网或专线传输到远方的上位机管理系统。

（3）电力线载波（PLC）数据采集方式：

其原理是把水表、电表、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线传送，在接收端解调还原成数据信号，在同一台配电变压供电范围内用户统一编址，并由采集器巡回读写191。

电力线载波方式在国外已经运用的很成熟，主要是由于国外的电网十分干净，干扰较少，而且有专门电力载波芯片。

在我国电网干扰比较大，从国外引进的电力载波芯片不合适我国的电网，现在虽然有些地区在使用电力载波方式，但是效果不是很理想。

（4）数据网络数据采集方式：

这是国外一种新兴的数据采集方式，系统的每个终端表计都设置一个m地址，上位机的控制命令和数据传输通过Internet网络进行。

（5）利用MODEM、电话网的远程数据采集方式：

系统采用MODEM将集中器的数据通过电话网传输到上位机，上位机通过拨号方式对各个集中器进行数据接收或向集中器发送控制指令，上位机管理系统对接收到的数据进行存储、分析、查询等。

1.2.6.无线传输数据采集方式无线传输方式主要包括两种：

无线传输数据采集方式和GSM远程集中数据采集方式。

（1）无线发射数据采集方式：

计量表除安装常规数据采集、处理、存储模块外，另设置无线发射装置，通过远程接收装置接收信号。

这种传输方式不需要敷设线路，而且安装方便，但是由于单表设置无线发射装置，表体费用高，加上占用频率点需长期交付一定的租用会和管理费，推广起来成本较高。

（2）GSM远程集中数据采集方式：

将GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）网络的短消息技术应用于集中数据采集系统中。

GSM远程集中数据采集系统主要由用户端、主控站、GSM通信系统三大部分组成。

系统的工作原理是主控站利用无线调制解调器，通过GSM无线网络，分别向各个耗能计量表数据采集模块发送“数据采集短消息”，耗能表数据采集模块收到“数据采集短消息”后，向集中器发送“数据采集指令”，集中器抄读各采集器采集的各耗能表数据，然后将数据组织成“耗能表读数短消息”，再通过耗能表数据采集模块把信息回传给主控站。

第二章整体设计

2.1远程集中数据采集系统的总体概述　　　

　远程集中数据采集系统是一种不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的耗能计量表所记录的各种数据传送到远程主控站的计算机网络中，并由软件对数据进行统计、分析和计算的系统。

远程集中数据采集系统结合了计算机技术和通信技术，在实际的使用中，可以采用多种通信方式，使远程集中数据采集系统更加完善。

远程集中数据采集系统的主要优点包括以下几个方面：

（1）远程通信传输网络组网方便：

可以根据实际情况，选用有线或无线的传输方式；　　　　

（2）实时或定时自动数据采集，减轻人工劳动强度，提高经济效益：

（3）提高系统的数据准确性，克服人工数据采集中的不确定因素，提高供水管理系统的管理水平和经济效益；　　　　

（4）通过上位机管理系统，进行实时监控，查处异常耗能计量表；　　　　

（5）上位机数据数据库管理方便，报表自动生成，用户缴费情况详细，用户查询方便[4]。

远程集中数据采集系统设计应考虑以下几个原则：

（1）数据传输可靠性高：

保证耗能计量的数据可靠地传输给上位机管理系统，在

传输过程中数据不丢失；

（2）性价比高：

在保证数据传输可靠的同时要考虑价格，增加市场竞争力；

（3）维护方便：

在设计过程中尽量减少集中器的功能，让水表进行数据采集、信息存储等工作；集中器负责和水表、上位机的通信，这样减小了危险集中，同时维护方便;

（4）易于系统功能扩展：

根据具体情况的要求，对自动数据采集系统的功能进行扩展，例如：

扩展成浏览器／N务器模式，使用户通过因特网方便的进行在线查询；还可以增加能源管理专家系统，对用户的耗能计量表的数据进行统计、分析.　　

2.2远程集中数据采集系统整体结构　　　　

本文所设计的远程集中数据采集系统主要由上位机管理系统、集中器和智能网络水表等三级网络构成。

它的网络拓扑结构如图2-1所示：

图2-1远程数据采集网络拓扑结构图

2.2.1　智能网络水表.

智能网络水表的工作原理是在普通转盘计数的水表中加装干簧管和永磁铁.双干簧管固定安装在计数转盘上方附近,永磁铁安装在计数盘（本设计0.01m3）位上,计数盘每转一圈,永磁铁经过双干簧管各一次,在信号端产生两个计量脉冲.当接收到有效计脉冲时,单片机由休眠模式转为工作模式,由微处理器执行相应的计费程序.其硬件主要包括:

微处理器、脉冲采集电路、液晶显示电路、阀门控制电路、通信接口电路等.

远程集中数据采集系统设计应考虑以下几个原则：

（1）数据传输可靠性高：

保证耗能计量的数据可靠地传输给上位机管理系统，在传输过程中数据不丢失；

（2）性价比高：

在保证数据传输可靠的同时要考虑价格，增加市场竞争力；

（3）维护方便：

在设计过程中尽量减少集中器的功能，让水表进行数据采集、信息存储等工作；集中器负责和水表、上位机的通信，这样减小了危险集中，同时维护方便：

（4）易于系统功能扩展：

根据具体情况的要求，对自动数据采集系统的功能进行扩展，

例如：

扩展成浏览器／N务器模式，使用户通过因特网方便的进行在线查询；还可以增加能源管理专家系统，对用户的耗能计量表的数据进行统计、分析。

2.2.2　脉冲采集电路

本设计使用了双干簧管传感器,即当检测到一个干簧管吸合时,先记录下来,再检测另一个干簧管,只有检测到另一个干簧管吸合后才认为信号有效.接线图如图1所示.

图1　双干簧管与MSP430F413的接线图

2.2.3　液晶显示电路及显示器

MSP430F413单片机内置一个24×4段的液晶显示驱动器[2].本设计中选用的液晶显示器是定制生产的字符式液晶显示器,其视屏尺寸是65mm×40mm,汉字数字协调美观.液晶显示电路及显示器如图2所示.

液晶显示器作为水表的输出接口,除了显示电磁阀门的开关状态、表内剩余金额（当余额显示为负时表示水表处于透支状态）、累积用