摘 要

如今，社会在不断发展，同时经济的水平也随之进步，小区住民他们每家每户的生活水平也呈现向上的整体趋势，人们日渐对自己所居住地点也提出了新的必需及所求。大体上可以概括为安全性高、衣食住行方便、居住环境舒适、生活方式健康等几个特点。此时，智能化社区便随之出现。安全的监视渠道趋向自动化，通信的实现手段趋向多样化，管理的媒介和主体趋向统一化也顺势成为智能化小区的几个主要特征。此时，对居民能耗表的自动抄收问题逐渐进入了人们的视野。逐步发展至今已经在工程计划中处在了举足轻重的地位。

本文在对国内以及若干发达国家在此方面的科研技术的研究基础上，设计出了以控制单片机为核心处理方式的远程抄表系统。该设计的优点体现在了对通信技术和单片机控制的交叉运用。由此使得对能耗表数据的采集、处理、传输并存储等工作得以智能化、一体化的实现。

为了准确地实现其对数据的采集功能以及与上位的通信要求，本文设计了以 STC89C52 为控制核心，搭配运用串行通信和无线通信的完整系统。

关键词：远程抄表 智能小区 单片机 串行通讯 无线模块

Abstract

With the development of social economy and the improvement of living standards, safety, comfort, convenience and health have become new requirements for people's living environment. It is precisely this kind of requirement that the intelligent community emerged and flourished. Safety automation, communication automation, and management automation are the three characteristics of intelligent communities. The automatic copying of water meters, electricity meters and gas meters, which embody the characteristics of intelligent community management automation, is one of the necessary import projects and plays an important role in engineering design. Automatic meter reading has changed the service method of manual meter reading in the past, and no one has checked the table. The property management company or the supply company collects and collects in the control center. It not only saves manpower and material resources, but also improves safety.

This paper is mainly about the development of kinds of meter reading remote system for developed resident. After learning related theories and techniques all over the world, within the actual situation of the community, a remote meter reading system depending on single-chip microcomputer controlling has been designed. Due to sensor technology, processing and transmission of meters, so that the data of each host can be accurately transmitted to the central control of the property company. Room for checking.

In order to accurately realize the water meter and the remote copying of the gas meter data, this paper designed the hardware design and software design of the system with STC89C52 as the control core and remote data acquisition function and data communication function.

Keyword: Remote meter-reading, Intelligent residential quarters, microcomputer, Serial communication

第1章 绪论

1.1 课题背景

从信息时代的到来至今，随着电子计算机、网络信息技术和微电子技术的革新给经济全球化的共同体都带来了不同程度的建筑领域也同样在波及范围之内。可如今看来，我国国内大部分城市对于耗能表的计量方式问题的解决还处于人工处理为主的发展阶段。本文旨在为探究此类问题的解决方法提供一种可行的思路，以及所展开的讨论。

在智能化小区的管理系统中，基本目的是实现安全监管方式的自动化，通信手段多样化和管理方主体的统一化。是否在表具数据的抄录过程中顾及到了效率、准确率和节约性等问题已经摆在了智能化小区管理和实现的面前。对于那些表具的抄收是否得当将直接影响到居民的生活质量和小区的发展前景。从社会发展的另一个角度看，也不符合我国社会主义现代化建设的基本要求。

以往三表数据的抄收大部分采用人工抄收的方式，由工作人员分析得到某家某户的消耗情况，在此之后打出收费单据，随后再挨家挨户的进行费用收取……这样的循环工作方式很明显不仅会造成大量的资源浪费，也可能造成抄收所得的数据有误，有遗漏等等不利于管理反馈的情况^[1]，既给能源工作人员和居民带来生活上工作上的不便，甚至可能会上升到引发不必要的争吵等不利于社会关系和谐的问题^[2~3]。从以上几点进行综合考虑之后看来，传统抄表方式已经因为越来越不适应信息时代现代住宅的发展要求和居民生活需要而失去在市场中留存的可能以及在社会经济发展中的价值。取而代之的是户外自动抄表，即利用符合信息时代的，先进的科技手段将每个住户的使用数据直接传送至当地的资源管理及供给单位，再由有关部门完成集中的数据抄录，费用核算甚至直接扣取等等工作，这种抄表方法既避免了对不必要的资源浪费，同时也保证数据具有充足的时效性。从而减少甚至不再给住户带来安全性的隐患。因此，自动抄表方式由于种种明显的优势，也对以往方式的遗留问题带来了较有效的解决方法，所以必将会成为一种趋势，以及一种行业标准被大家广泛认可和接受^[4]。

1.2 国内外现状

目前在我国国内所采用的以及盛行于若干发达国家的主流的自动抄表的实现方法大致有三种：即通过分别IC卡、电力载波，以及无线通信的方式实现的远程抄表等自动化抄表方式，它们在各自的适用领域都有不同程度的运用价值^[5]。

（1）以智能 IC 卡为核心的自动抄表方式

智能卡为核心的自动抄表方式来源于国外，它是一种将用户的使用信息先存入IC卡中，在通过相应的微机技术以及IC 卡技术等进行用户数据接收与管理的方法。该方式有着以下几种显著的优点：①因其采用的是预付费的方式，避免了不必要的纠纷。②使用时无需再敷设额外的管线及线路维护工作。③它可以起到限制消费量的作用，同时也变相的节约了能源。但是IC 卡为核心的这种自动抄表的方式也明显有着以下诸多弱点：①其技术实现不成熟，问题主要表现在使用过程中经常会出现误报警等情况，并且在报警后采取停止供应等措施，造成用户即使卡里有余钱，也不能用水的窘境，毫无疑问会造成一定程度的困扰。②若利用此方式，即IC卡预先付费，就会产生等同于用户先买单，然后才吃饭的问题，缺少交易过程中的人性化管理，因此仅仅适用于少数个别居住的散户，不便于集中化的物业部门管理。而且在美国等地采用IC 卡抄表方式的场合仅限于一些底层阶级的或者流动性很大的场所使用，所以至今没有得到较广泛的运用。还有，它还需要用户本人到国家或社区已指定的部门或机构下去购买不同种类的IC卡，把本应由卖方承担的人工劳动却推给了用户，完全忽视了抄表系统的便民性这一前提。③作为用户这一方也不能及时地了解自己消费的过程明细，也就无法第一时间核实自己资源用量。④由于电子和网络等现代技术的高速发展，反而造成了诸如使得IC 卡极易被解密或者造假。甚至危害到整个控制系统的运作等反效果。但同时又难以第一时间取证或认定，无形中激化了户主与管理人员之间的纠纷。况且IC卡若受到不同人群的攻击，不仅对住户容易造成资源和信息的损失，甚至对国家信息安全造成致命的威胁。⑤需要额外制造供此系统使用的智能化仪表，如此一来，便不得不提高系统的投入成本。

（2）以电力载波为媒介的自动抄表方式

所谓电力载波方式其实就是将计量表的数据通过采集终端的专门设备进行处理，待数据进行调制后，再利用电力线将之传递出来，经由接收端接收数据并解调将之还原成原本的数字信号，在相同的供电范围内统一对地址进行编制。此方式具有如下特点：因其利用的是电力线作为媒介传输，所以也无需额外的线路设计，同样有利于节省有限资源。但还无法在我国国内得到大显身手的机会。主要原因是其中的关键技术无法得到充分有效的利用。目前我国国内的大部分社区内使用的都还是低压电力网，而后者由于其频率低，所以通道特性并不具备一般性，主要体现在不同线路时有较大的线路特性方面的差异，而且其线路相较于其他线路也有较大的噪声功率，造成常规的窄带传输几乎无法实现等问题^[6~7]。进而本身就存在着以下很多缺点，比如：①由于会受到无线电、电磁、脉冲等信号的干扰，在使用电网传输时很容易导致数据发生错误或者部分丢失等情况。②家里的电器会在启动时伴有极大的瞬间电压，瞬间电压过大就会产生很多脉冲，电网上如果叠加了过多的干扰信号，必然会导致传输来的数据与原本表盘上的数据产生误差，③此方式所能传输数据的可靠距离也有限。由于配电变压器会阻隔对电力载波信号，后者便只能在一个既定区域小范围内传递。在国内，电网的纯净度较低，要解决上述问题不仅需要一定数量的投资，而且不得不攻破许多关键技术，多种原因都限制了电力载波技术在我国的实施。

（3）无线通信的远程抄表

以无线通信作为上位通信方式的工作原理为：凭借电力电子等理论支持和传感器等硬件制造出具有远程数据传输功能的仪表，配合室外安装好的面向数据的专用系统，将各个脉冲计量表的数据通过传感器或专用芯片传送到所属的采集器模块进行单独的记录和管理，通过无线模块与上位机进行数据互传，并对上位机的指令作出对应的响应。与上述其他两种方式比较，无线通信的远程抄表具有明显的优势^[8]：①上下行数据传输具有不同的渠道，能有效屏蔽掉相同信号的多次干扰，一定程度上提高数据传输的准确性。②具有较远的数据传送距离。随着采用总线的不同，可以达到从几米到几千米之间的传输距离。③我们国家已经掌握了成熟的无线数据传输，技术基础牢固。由此一来，运用无线通信方式研制的远程抄表系统拥有以下几条明显的优点^[9~10]：

1. 高效率

远程抄表系统的设计意义在于解决管理方与用户方的沟通问题。在以前，管理部门需要专门派人工前往每幢住宅楼的每家每户都进行走访式的抄表。工作效率偏低，长时间也会埋下许多安全而隐患。不利于住户的人身安全。而采用无线通信系统进行抄表之后，上位机直接通过远程的无线通信在屏幕前就能足不出户的采集到远在小区内各家各户的资源数据，并进行相应的数据处理，费用计算等工作。使资源供给公司和物业管理部门都极大的避免了人力抄表伴随的繁琐而且低效的工作方式。此智能化系统既能降低工作人员的工作压力，又有效减少了管理方与客户方之间由于信息不匹配造成的无意义的矛盾，从而一方面提高了管理部门的工作质量和效率。另一方面，从社会发展的要求讲，远程抄表系统使得整个管理流程更加集中，也更加智能。当相应资源的价格因政策调整而发生高低变化时，系统工作人员可以直接通过改变上位终端的软件程序便可实现同步价格更新。能更快捷的达成与用户的信息匹配，达到绿色可持续的现代化文明管理。

2）系统便于维护及对功能进行升级

系统在正常运行时会被设定为无法维护状态。若需要对系统中的设备进行更换，只需断电更换，并在之后重新在单片机执行代码中对相关参数进行重新设置及初始化即可，无需再对其他现场硬件或参数进行多余的调整，这些操作甚至只需要短短数分钟。如果想升级整个系统，这对于运作核心是单片机的集成系统来说再容易不过了，只需调整事先写入单片机芯片中的代码结构，再加上外围的辅助电路或辅助芯片就可完成。

3）可实现实时采集数据

管理终端所在的人员任何时候都可以对对应住户表盘上的数据进行读取，小区居民也随时能够在自家楼道查阅资源消耗的情况和相关数据。采取这样的方式就可以显著提高用户方与管理方之间的信息匹配度。

第2章 方案论证

2.1 总体系统的设计原则

远程抄表系统作为一个完整的，实用性高的控制系统，是依靠各种不同的，具有特定功能的模块在系统中正常发挥自身的作用，再通过通信等手段链接在一起之后形成的。所以，必须在遵守一系列设计原则的基础上对该系统进行设计及调试。

（1）以设备为主的原则：现在硬件市场上流通着不少具有强大功能的元件或系统。他们不仅能精确，高速的达成很多目标，但同时他们也有相应较为昂贵的价格，这就容易为目标系统造成过高的设计研究成本。而且一旦选择了以设备为主的设计原则，难免会过分强调设备和器件的重要性，很容易引发越来越多的设备需要扩充，最终必然会导致不必要的财产损失。鉴于这些原因，真正符合此次设计的指导原则应该为所谓的“以功能为主的设计原则”。

（2）以功能为主的原则：普遍情况下，无论何种系统均是要为某种或某几种功能的实现而服务的，而此功能又是由主要完成的任务，应用的主要场合，甚至主要面对的服务受众的文化层次等多种因素综合决定的，因此如何兼顾功能和成本限制而尽量正确地配置合理的元件、技术便成为了亟待解决的问题。一方面，过分强调技术与设备必然会造成资源过剩或浪费，而若完全忽视他们反而会造成无法达到预期效果等问题。鉴于这点，以系统具体要实现的功能为出发点来选择合适的设备和恰当的技术是最妥当的，也同时兼顾了经济性和实用性。对于本次设计我认为应该从具体以下几方面来综合考虑^[12~13]：

a）系统是否实用，功能的实现是否可靠：一个成熟的，可投入应用的系统能否独立可靠地，正确地完成设定的或预期的任务，同样，是否能保证数据不丢失也决定了他的使用寿命和应用价值。

b）信息匹配度。要保证所传输的数据的准确性，即关于资源消耗的数据量的传输要与实际的使用情况一致。

c）产品竞争力。为保持在市场中的竞争力，就要求设计系统时采用当前时代最先进的技术手段。

d）改进空间。一个成熟的系统应该内含便利的交通功能扩展渠道，方便设计师改进，以此延续系统的生命。

e）传输广域化。在高速发展的信息时代，不同功能的甚至不同架构的网络间进行通讯和信息互换必然是今后的发展趋势。因此，本系统所选用的设计平台，程序语言等等必须符合大众所认可，所广泛应用的行业标准^[14]。

f）可维修性。无论任何设备与系统，在运行到一定阶段时不时的会出现各种各样的故障，所以在此系统的设计过程中不得不考虑故障维修等实际问题。

2.2 系统功能确定

确定系统的功能首先要以紧密联系实际为前提，综合考虑受众、经济、技术手段、人文环境等多种因素的不同影响，设计出既经济又实用，操作也相应简单的系统。本设计所要实现的功能大概有以下几个方面^[15]:

（1）正确采集数据、并对其进行校对的功能。 能保证完成对表具数据进行采集，录入，反馈等工作的及时性和准确性。

（2）通信功能。具有接收上位机的指令，并进行响应，与PC机进行信息交换的功能。

（3）工作状态的持续性。为了延续其工作时间及工作稳定性。应考虑掉电保护的实现

（4）直观的显示功能，能够准确地分别在用户层（楼道处）和管理层（上位终端显示）显示出消耗的资源量（或应付的费用）和对应用户的能耗表是否还能继续使用。

（5）便利的软件复位功能。在长时间运行程序的状态下，有可能会因为数据溢出等问题造成程序卡死或跑飞。此时就需要及时快速的将程序复位，使其得以重新运作或者在某断电重新运作，以此来尽可能提高程序的可靠性。

第3章 硬件电路设计

3.1 主控芯片的选择

本设计中的主要部分就是要完成在一个楼层的四户住户间所使用的为了检测水表、电表、煤气表运行状态的一个采集器系统。其一方面通过总线方式直接与其管辖的四路计量表进行下位通信，并可以对其进行阀门控制。另一方面通过无线通信接口与物业管理中心的上位机通讯，将采集器从计量表采集到的数据传输给上位终端机。本系统的基本结构框图如图 3.1。

图3-1 系统结构图

3.1.1 单片机STC89C52

随机控制技术的不断发展，对于控制芯片的功能也是越来越多样化，可以处理不同的复杂指令。单片机技术已经成为微型控制技术中的一条独特的路线，同时也引领了技术的不断变革。

本次设计采用的STC89C52单片机，包含CPU、存储单元以及中断等片上外设。

主要特性^[16]：

（1）一个CPU，内含有算术逻辑处理功能

（2）8K（RAM）程序存储器，

（3）512B（ROM）数据存储器

（4）21个特殊功能寄存器

（5）数据能够保存的时间：10年

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