CN111223286A - 基于Meter BUS的数据采集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于Meter BUS的数据采集装置及方法，其为嵌入式仪表网关，包括网关CPU：用于向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的实施，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理；Meter BUS发送模块：用于接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；Meter BUS接收模块：接收仪表端发送的符合Meter BUS协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关CPU，优选还包括Meter BUS保护模块和通讯模块。本发明中装置和对应的方法，通过数据发送，数据接收、过载保护等，可以保证Meter BUS主站正常稳定运行，并且在任何负载节点出现过流等故障时，及时报警，并保护主站端设备不出现损坏，填补了当前的技术空白。

Description

基于Meter BUS的数据采集装置及方法
技术领域
本发明属于工业仪表数据采集领域，涉及远程无线/有线抄表，具体涉及一种基于Meter BUS的数据采集装置及方法。
背景技术
传统的三表(电表、水表、燃气表)需要抄表人员定期亲自抄取数据，这样的抄表方式误差大、工作量大，而且人为的错误会给相关公司和用户带来极大不便。智能抄表系统是将计算机技术、现代通信技术、以及嵌入式技术相结合，实现对流量计量仪(电表、水表、燃气表等)的数据的远程抄收和管理的技术。智能抄表系统实现了数据自动采集、定时发送和实时监控，节省了时间、人力、物力，提高了工作效率。
Meter-Bus是一种仪表总线技术，主要应用于水表、气表和燃气表等消耗测量仪表的组网。Meter-Bus是专为“三表”抄表系统设计的总线协议，采用一主多从的结构。所有的从机并联在总线上，通过总线实现主从间的通信，并获得工作的电能。总线仅由一对双绞线构成，工作电压为24V，由Meter-Bus主机提供。下行通信采用电压调制方式，上行通信采用电流调制的方法。
Meter BUS分为主站端和仪表端解决方案，这两种方案组成了完整的Meter BUS解决方案，实现设备与仪表之间的完整协议。如图1，是一套完整的Meter BUS应用架构图，一个主站可以连接多个仪表；其中，主站是指用于管理收集到的仪表数据的单元。
检索发现，在仪表端，TI等主流芯片公司，有完整的集成芯片解决方案；但是主站端的设计，相对仪表端来说是较为复杂的，以目前的研究来看，市面上并没有公开完整的解决方案，包括采用集成电路的方式实施主站端的实现，以达到Meter BUS仪表端和主站端信息的传输和处理。
因此，针对目前市场的技术现状，有必要提供一套解决方案，构建通用型主站端，实现Meter BUS仪表端和主站端信息传输，以填补现有技术的空缺。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一套行之有效的解决方案，包括数据发送，数据接收、到过载保护等，可以保证Meter BUS主站正常稳定运行，并且在任何负载节点出现过流等故障时，及时报警，并保护主站端设备不出现损坏，填补了目前的技术空白，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案：
(1)一种基于Meter BUS的数据采集装置，该装置为嵌入式仪表网关，包括以下模块：
网关CPU：其用于向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的实施，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理；
Meter BUS发送模块：其用于接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；
Meter BUS接收模块：其接收仪表端发送的符合Meter BUS 协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关 CPU。
(2)一种基于Meter BUS的数据采集方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)，通过网关CPU向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的启动或停止，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理；
步骤2)，Meter BUS发送模块接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；
步骤3)，通过Meter BUS接收模块接收仪表端发送的符合 Meter BUS协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关CPU。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于Meter BUS的数据采集装置及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提出的Meter BUS主站实现方案，主要分为发送、接收和保护三个部分，每个部分均没有采用独立的模块化设计，也没有采用集成芯片的设计，不仅节约了成本，也更有利于该主站方案的通用化实施；
(2)本发明提供了将电表信息采集到云端的完整解决方案，在电表不进行大批量升级的情况下，使用本发明所提出的方案，可以非常经济的将既有的电表升级为智能电表，进行远程采集和控制。本发明可以最多连接不超过64个符合Meter BUS协议的电表，这也大大增加了此方案的经济性。
按照图1所示的方式连接64个符合Meter BUS协议的电表，以10Kbps的速率通讯，所有通讯数据均可以正常发送和接收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示出Meter BUS应用架构图；
图2示出本发明一种优选实施方式中基于Meter BUS的数据采集装置；
图3示出本发明一种优选实施方式的Meter BUS发送模块的电路结构图；
图4示出本发明一种优选实施方式的Meter BUS接收模块的电路结构图；
图5示出本发明一种优选实施方式的Meter BUS保护模块的电路结构图；
图6示出本发明一种优选实施方式的基于Meter BUS的数据采集方法；
图7示出Meter BUS保护模块的过电压/过电流保护流程；
图8示出Meter BUS发送模块的信息发送流程；
图9所示Meter BUS接收模块的信息接收流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示，本发明的目的之一在于，提供一种基于Meter BUS的数据采集装置，该数据采集装置为嵌入式仪表网关，包括以下模块：
网关CPU：其用于向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的实施，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理；
其中，该指令信息包括：抄表指令、停止抄表指令、控制阀门通断、读表计地址、读表计数据等；
对Meter BUS接收模块传回的数据进行处理：包括计费处理、信息筛选、信息存储等。
Meter BUS发送模块：其用于接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；
Meter BUS接收模块：其接收仪表端发送的符合Meter BUS 协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关 CPU。
本发明中，仪表端通常通过现有的集成芯片(如TI芯片公司生产的TSS721A芯片)实现仪表数据的采集，仪表芯片通过 Meter BUS总线与Meter BUS发送模块和Meter BUS接收模块进行信息传输，实现仪表端与嵌入式仪表网关的双向通讯。
本发明中，网关CPU与Meter BUS接收模块或Meter BUS接收模块之间的传输的数字量数据为二进制数字。
Meter BUS发送模块下传的符合Meter BUS协议的数据以电压调制方式实现；而仪表端发送至Meter BUS接收模块的符合Meter BUS协议的数据以电流调制方式实现。
由于数据的传输涉及电压、电流等物理量信息，调制后的电压或电流存在超出Meter BUS总线、Meter BUS发送模块或者 Meter BUS接收模块安全电压或电流的风险。为保证该嵌入式仪表网关的安全使用，所述嵌入式仪表网关还包括Meter BUS 保护模块。
该Meter BUS保护模块与Meter BUS发送模块和Meter BUS 接收模块电连接，Meter BUS发送模块传输的电压信号通过 Meter BUS保护模块到达仪表端；Meter BUS接收模块接收的电流信号经过Meter BUS保护模块后获得。Meter BUS保护模块起到对电压、电流进行监测的作用，而不改变电压、电流信号的大小。
Meter BUS保护模块随时监测通讯中电压、电流等物理量的状况，一旦发生过电压或过电流等危害设备正常使用的情况，保护模块会切断发送或接收通路，并第一时间发送警告信息给网关CPU，网关CPU可以发出报警信息通知巡检人员。通过以上三个功能模块，可以完整的实现Meter BUS的传输与保护。
在本发明中，网关CPU能够实现对接收到的数据的处理，如计费处理，信息筛选处理等，还可以将接收到的信息传输至其他平台进行信息处理或者信息存储，因此，该嵌入式仪表网关包括通讯模块，该通讯模块可以是有线通讯模块、无线通讯模块、或者有线通讯模块和无线通讯模块两者；网关CPU将接收到的信息汇总后，通过该通讯模块输出。
在本发明一种优选的实施方式中，网关CPU为具有编码、存储、运算、控制功能的芯片，如TI公司的AM335X系列芯片。
在本发明一种优选的实施方式中，Meter BUS发送模块通过负反馈控制电路、配合运算放大器、比较器等基本电子电路器件，实现了电压发送端的精准调制，传输速度达到10Kbps以上。Meter BUS发送模块的电路结构，如图3所示。
在本发明一种优选的实施方式中，Meter BUS接收模块通过比较器，精准采集高低电压下电流的变化，实现电流信号解调及精准采样。Meter BUS接收模块的电路结构，如图4所示。
在本发明一种优选的实施方式中，Meter BUS保护模块通过运算放大器实现过电流信号的及时预警和保护，以提高现场设备的现场稳定性。Meter BUS保护模块的电路结构，如图5所示。
本发明提供了将电表信息采集到云端的完整解决方案，在电表不进行大批量升级的情况下，使用本发明所提出的方案，可以非常经济的将既有的电表升级为智能电表，进行远程采集和控制。本发明可以最多连接不超过64个符合Meter BUS协议的电表，这也大大增加了此方案的经济性。
升级智能电表，对于现有电表，不需要是有芯电表，只需要预留通讯接口即可，如果有预留通讯接口，通过增加一个 M-BUS通讯协议转换模块，既可实现智能化改造，如果没有通讯接口则不能改造；如果电表是有芯电表，采用MeterBUS总线将本发明中嵌入式网关和仪表端芯片电连接即可。
如图6所示，本发明的目的之一在于，提供一种基于Meter BUS的数据采集方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)，通过网关CPU向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的启动或停止，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理，以实现主站端需要达到的功能；
步骤2)，Meter BUS发送模块接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；
步骤3)，通过Meter BUS接收模块接收仪表端发送的符合 Meter BUS协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关CPU。
其中，网关CPU与Meter BUS接收模块或Meter BUS接收模块之间的传输的数字量数据为二进制数字。
Meter BUS发送模块下传符合Meter BUS协议的数据以电压调制方式实现；而仪表端发送至Meter BUS接收模块的符合 Meter BUS协议的数据以电流调制方式实现。
在一种优选的实施方式中，该方法还包括：
步骤4)，设置与Meter BUS发送模块和Meter BUS接收模块电连接的Meter BUS保护模块，Meter BUS发送模块传输的电压信号通过Meter BUS保护模块到达仪表端；MeterBUS接收模块接收的电流信号经过Meter BUS保护模块后获得。
如图7所示，保护模块在数据传输过程中，随时监测是否存在过电压或过电流现象，出现此类现象，保护模块会切断发送或接收通路，以保证不会损坏到实际硬件设备。与此同时，向网关CPU发出报警信号，以及时通知使用者进行故障检查和诊断。通过以上三个功能模块，可以完整的实现Meter BUS的传输与保护。
在一种优选的实施方式中，网关CPU能够实现对接收到的数据的处理，如计费处理，信息筛选处理等，还可以将接收到的信息传输至其他平台进行信息处理或者信息存储，因此，该方法还包括：
步骤5)，通过网关CPU将接收到的信息汇总后，将信息通过通讯模块输出至其他数据处理或存储平台。
其中，该通讯模块可以是有线通讯模块、无线通讯模块、或者有线通讯模块和无线通讯模块两者；网关CPU将接收到的信息汇总后，通过该通讯模块输出。
在本发明中，Meter BUS主站解决方案，包括发送，接收和保护三个部分，MeterBUS发送部分，最主要实现的功能，是将网关CPU的发送数据，转换为Meter BUS实际电压信号，进行发送。由于Meter BUS为半双工通讯总线，所以在信息发送之前，需要通过网关CPU检查总线是否被占用，如果总线未被占用，则根据发送的数字信息决定控制输出电压为多少。完成一个字节的数据发送，然后判断是否发送完成，如果还有下一个数据，则再依照此方式进行发送。
如图8所示，电压控制输出为30V时，数字信息对应1；电压控制输出为15V时，数字信息对应0。
在本发明中，Meter BUS数据接收模块，需要在总线空闲的状态下，通过侦测总线上的电流信号大小，从而将Meter BUS 模拟数据转换成数字数据。如图9所示，当输入电流侦测为>11mA时，此电流信号可以转换为数字量1，当电流侦测 <11mA时，模拟信号可以转换为数字量0。完成此位数据转换后，再重新做电流侦测，以此往复。
值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不限于上述划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互划分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解，实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成的，相应的程序可以存储于任意可读取存储介质中。
通过上述实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，然而以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Meter BUS的数据采集装置，其特征在于，该数据采集装置为嵌入式仪表网关，包括以下模块：
网关CPU：其用于向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的实施，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理；
Meter BUS发送模块：其用于接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；
Meter BUS接收模块：其接收仪表端发送的符合Meter BUS协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关CPU。
2.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述嵌入式仪表网关还包括Meter BUS保护模块；
该Meter BUS保护模块与Meter BUS发送模块和Meter BUS接收模块电连接，Meter BUS发送模块传输的电压信号通过Meter BUS保护模块到达仪表端；Meter BUS接收模块接收的电流信号经过Meter BUS保护模块后获得。
3.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，该嵌入式仪表网关包括通讯模块，该通讯模块可以是有线通讯模块、无线通讯模块、或者有线通讯模块和无线通讯模块两者。
4.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，Meter BUS发送模块的电路结构为如图3所示。
5.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，Meter BUS接收模块的电路结构为如图4所示。
6.一种基于Meter BUS的数据采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)，通过网关CPU向Meter BUS发送模块发送指令信息，控制数据采集工作的启动或停止，并对Meter BUS接收模块传回的数据进行汇总和处理；
步骤2)，Meter BUS发送模块接收网关CPU的指令信息，将标准数字量数据转换成符合Meter BUS协议的数据向仪表端发送；
步骤3)，通过Meter BUS接收模块接收仪表端发送的符合Meter BUS协议的数据，并将该数据转换成标准的数字量数据传送至网关CPU。
7.根据权利要求6所述的数据采集方法，其特征在于，该方法还包括：
步骤4)，设置与Meter BUS发送模块和Meter BUS接收模块电连接的Meter BUS保护模块，Meter BUS发送模块传输的电压信号通过Meter BUS保护模块到达仪表端；Meter BUS接收模块接收的电流信号经过Meter BUS保护模块后获得；
保护模块在数据传输过程中，随时监测是否存在过电压或过电流现象，出现此类现象，保护模块会切断发送或接收通路，同时向网关CPU发出报警信号，以及时通知使用者进行故障检查和诊断。
8.根据权利要求6所述的数据采集方法，其特征在于，该方法还包括：
步骤5)，网关CPU将接收到的信息汇总后，将信息通过通讯模块输出至其他数据处理或存储平台。
9.根据权利要求6所述的数据采集方法，其特征在于，在信息发送之前，需要通过网关CPU检查总线是否被占用，如果总线未被占用，则根据发送的数字信息决定控制输出电压；完成一个字节的数据发送，然后判断是否发送完成，如果还有下一个数据，则再依照此方式进行发送。
10.根据权利要求6所述的数据采集方法，其特征在于，Meter BUS数据接收模块，在总线空闲的状态下，通过侦测总线上的电流信号大小，从而将Meter BUS模拟数据转换成数字数据；当输入电流侦测为>11mA时，此电流信号可以转换为数字量1，当电流侦测<11mA时，模拟信号可以转换为数字量0；完成此位数据转换后，再重新做电流侦测，以此往复。
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