劉淑杰 田 野

（深圳市興源鼎新科技有限公司，廣東 深圳 518000）

一、GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的意義及前景

現(xiàn)今政府也已經(jīng)提出建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)目標(biāo)，在可持續(xù)用水發(fā)展道路上要促進(jìn)用水模式的轉(zhuǎn)變，來提高用水效率和效益，成為規(guī)劃考慮未來用水發(fā)展和水資源開發(fā)利用問題的一個(gè)重要基點(diǎn)，在這種大環(huán)境下，如何有效、經(jīng)濟(jì)地降低水損也是國(guó)內(nèi)供水企業(yè)面臨的嚴(yán)峻而又急需解決的問題。GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用對(duì)這一問題的解決有其現(xiàn)實(shí)的意義。

從遠(yuǎn)傳水表的發(fā)展趨勢(shì)來看，小口徑水表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)以計(jì)量收費(fèi)為主要功能發(fā)展，在大口徑水表遠(yuǎn)傳功能上使用單位則更關(guān)注于水表運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)。在小口徑遠(yuǎn)傳方面，已有不少成熟產(chǎn)品規(guī)模應(yīng)用；大口徑遠(yuǎn)傳方面，因受安裝、供電、距離等限制，以無線傳輸為主要發(fā)展方向，在這方面的研究與實(shí)際應(yīng)用卻因多種原因進(jìn)展遲緩。

二、GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施方案和目標(biāo)

1、GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案：

GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將安裝分散的大口徑水表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過發(fā)射機(jī)以GSM短信方式傳輸給營(yíng)業(yè)收費(fèi)中心（或監(jiān)控中心）。監(jiān)控中心對(duì)收到的信息進(jìn)行判斷、分析處理，計(jì)算用戶的用水量，監(jiān)測(cè)水表的運(yùn)行是否處于正常的狀態(tài)，口徑的選擇是否合適及中途有無水的漏耗做出判斷。其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，作為供水企業(yè)進(jìn)行管道維護(hù)、水表選型及收費(fèi)的依據(jù)。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案圖

1.1 無線發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)：

該設(shè)計(jì)電路由傳感器、存儲(chǔ)器、處理器、外部時(shí)鐘芯片、485通信電路、無線發(fā)射模塊及電源供應(yīng)電路組成。無線發(fā)射模塊作為GSM無線網(wǎng)絡(luò)的物理層射頻前端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。為了實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，命令微控制器進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)并切斷無線通信單元的部分電源。存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為24次/小時(shí)。無線發(fā)射機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，其電源供電采用電池方式。

1.2 無線接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)：

該設(shè)計(jì)由無線接收模塊、存儲(chǔ)器、處理器及電源供應(yīng)模塊組成。無線接收通信模塊處于實(shí)時(shí)接收狀態(tài)并進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)聽，若檢測(cè)到PC機(jī)發(fā)來的命令則上報(bào)數(shù)據(jù)，若沒有（或者有干擾信號(hào)）則轉(zhuǎn)入休眠模式，等待一段時(shí)間重新處于監(jiān)聽狀態(tài)，整個(gè)監(jiān)聽+休眠狀態(tài)不超過一分鐘，若仍無有效信號(hào)，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

1.3 電源

無線發(fā)射機(jī)采用的器件為低壓器件，電壓要求為5V，采用雙高性能鋰電池供電，也可采用外界電壓供電，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到3.3V電源。該系統(tǒng)選定防自泄漏電池，可以保證在水表的使用周期（2-4年）內(nèi)無需更換電池。

1.4 監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理

從各發(fā)射機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)匯集到中心接收機(jī)并存入接收機(jī)的存儲(chǔ)器中，協(xié)調(diào)器通過RS-232與上位機(jī)相連，通過串行口通信程序向上位機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后放到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中并進(jìn)行處理分析。

2.主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 電特性：

a.水表存儲(chǔ)與GSM無線發(fā)送的信息包括水表出廠編號(hào)、水表示值、電子單元工作狀態(tài)、抄表時(shí)長(zhǎng)；b.通信方式：GSM短消息發(fā)送（雙向）；c.供電電源：3.6V/4Ah和3.9V/16Ah能量型鋰電池各一節(jié)；d.工作電流：待機(jī)電流＜20uA，發(fā)送消息時(shí)工作電流＜350mA；e.抄表間隔時(shí)間：默認(rèn)為1小時(shí)（可按用戶抄表需求設(shè)定）；f.發(fā)送間隔時(shí)間：默認(rèn)為24小時(shí)（可按用戶抄表需求設(shè)定）；g.數(shù)據(jù)信息接收方式：GSM中心接收機(jī)接收抄表短信（接收機(jī)號(hào)碼和編碼方式可按用戶需求設(shè)定；中心接收機(jī)用HEX方式，信息量大）。h.電池壽命：2年-4年（根據(jù)設(shè)置的采樣及發(fā)送頻率定）i.工作環(huán)境：溫度：水表5℃～+55℃，電子單元部分-25℃～+55℃；濕度：0～97%RH；

2.2 系統(tǒng)功能：

●發(fā)射機(jī)配有485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)出廠后參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)提取，也可采集譯碼表數(shù)據(jù)（根據(jù)客戶要求)?！馛PU定時(shí)定量存儲(chǔ)表讀數(shù)，默認(rèn)每天發(fā)送一組數(shù)據(jù)（包括多個(gè)時(shí)段的用水?dāng)?shù)量），為水司更好的節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用?！窆芾硐到y(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位各個(gè)終端（無線大表）的安裝位置?！窆芾硐到y(tǒng)可以自動(dòng)抄讀每個(gè)表的數(shù)據(jù)。并生成數(shù)據(jù)報(bào)表及分析曲線?！窆芾硐到y(tǒng)能夠分析所有大口徑水表的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)故障及流量異常提出報(bào)警提示。●電子部分防水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到IP68。

3、關(guān)鍵技術(shù)和解決關(guān)鍵技術(shù)途徑：

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

[1]嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。[2]M2M技術(shù)。[3]防水技術(shù)。[4]數(shù)據(jù)信息壓縮技術(shù)。[5]信息加密技術(shù)。[6]信息同步技術(shù)。

3.2 解決關(guān)鍵技術(shù)的途徑

[1]發(fā)射機(jī)只有采用低功耗設(shè)計(jì)，才能保證電池的使用壽命。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

①處理器的選擇。對(duì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的選型是從其CPU和操作系統(tǒng)（OS）開始，選擇CPU的時(shí)候，除了性能的優(yōu)劣（比如時(shí)鐘頻率等）及所提供的接口和功能，還要重視其功耗特性。因?yàn)镃PU是嵌入式系統(tǒng)功率消耗的主要來源---對(duì)于發(fā)射機(jī)來講，它幾乎占據(jù)了除無線模塊以外的整個(gè)系統(tǒng)功耗的一半以上（視系統(tǒng)具體情況而定）。CPU的性能（Performance）和功耗（PowerConsumption）進(jìn)行比較和選擇，采用每執(zhí)行1M次指令所消耗的能量來進(jìn)行衡量。

②接口驅(qū)動(dòng)電路的低功耗設(shè)計(jì)。接口電路的低功耗設(shè)計(jì)，在這個(gè)環(huán)節(jié)里，除了考慮選用靜態(tài)電流較低的外圍芯片外，還考慮以下幾個(gè)因素：◆上拉電阻/下拉電阻的選??；◆對(duì)懸空腳的處理；◆Buffer的必要性

上拉電阻值在能夠正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)的情況下（即考慮IC的VIH或VIL）,盡可能選取更大的阻值。此外當(dāng)一個(gè)信號(hào)在多數(shù)情況下時(shí)為低的時(shí)候，也可以考慮用下拉電阻以節(jié)省功率。將CMOS器件的未使用的輸入端接到VCC或地，來避免無法進(jìn)入休眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。檢查芯片的最大輸出電流IOH和IOL是否足以驅(qū)動(dòng)下級(jí)IC，并通過選取合適的前后級(jí)芯片來避免Buffer的使用來節(jié)約能量。

③動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）。動(dòng)態(tài)的電源管理就是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘或電壓的動(dòng)態(tài)控制來達(dá)到節(jié)省功率的目的，這種動(dòng)態(tài)控制是與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)的，這個(gè)工作往往通過軟件來實(shí)現(xiàn)。

a、選取不同工作模式：CPU內(nèi)部的各種頻率都是通過外部晶振頻率經(jīng)由內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）倍頻式后產(chǎn)生的?？梢酝ㄟ^內(nèi)部寄存器設(shè)置各種工作頻率的高低控制功耗。

b、關(guān)閉不需要的外設(shè)控制器：在盡可能節(jié)省功耗的情況下將其關(guān)閉，否則會(huì)消耗電流。

④電源供給電路。在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，我們采用線性穩(wěn)壓（LinearRegulator）的方式供電。因?yàn)槠潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大。在適當(dāng)?shù)那闆r下使用DC-DC的電壓轉(zhuǎn)換線路，可以有效地節(jié)約能量，降低整機(jī)功耗。

[2]M2M技術(shù)實(shí)現(xiàn)：從數(shù)據(jù)流的角度考慮，在M2M技術(shù)中，信息總是以相同的順序流動(dòng)。但無論哪一種M2M技術(shù)與應(yīng)用，都涉及到5個(gè)重要的技術(shù)部分：機(jī)器、M2M硬件、通信網(wǎng)絡(luò)、中間件、應(yīng)用。

a、機(jī)器(Machines)：在無線大表抄表系統(tǒng)中，整個(gè)發(fā)射機(jī)就是一個(gè)機(jī)器。

b、M2M硬件：無線抄表系統(tǒng)發(fā)射機(jī)需要考慮功耗，使用的無線數(shù)傳模塊是GR64；接收機(jī)不需要考慮功耗，使用TC35i（此模塊的功耗要稍大一些）。

c、通信網(wǎng)絡(luò)：通信網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)M2M技術(shù)框架中處于核心地位，無線大表抄表系統(tǒng)使用的是無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

d、中間件(Middleware)：在無線抄表系統(tǒng)中，無線接收機(jī)定義為M2M系統(tǒng)的中間件用來接收數(shù)據(jù)終端的信息，并將信息傳輸?shù)綗o線抄表系統(tǒng)中。

e、應(yīng)用：無線抄表系統(tǒng)軟件是無線大表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用層。將收集的數(shù)據(jù)變成有價(jià)值的信息，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的加工和處理，并將結(jié)果呈現(xiàn)給需要信息的觀察者和決策者。

[3]對(duì)安裝電子單元部分的防水盒采用防凍材料，防水盒內(nèi)部獨(dú)特防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用密封膠對(duì)防水盒密封。防水盒采用一次性密封，防水等級(jí)可達(dá)IP68。

[4]數(shù)據(jù)信息壓縮技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。由于無線發(fā)射機(jī)采用的是電池供電的GSM短信傳輸，在一次發(fā)送的信息中，包含的數(shù)據(jù)量越大，對(duì)抄表系統(tǒng)軟件在流量監(jiān)控、分析就越詳細(xì)；同時(shí)能夠降低多次發(fā)送短信所消耗的能量，增加電池使用壽命。

[5]信息加密技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。無線大表抄表系統(tǒng)中的信息加密主要是為了實(shí)現(xiàn)防止垃圾短信息的干擾。利用計(jì)算機(jī)采用加密法，改變負(fù)載信息的數(shù)碼結(jié)構(gòu)。

[6]信息同步。信息同步到達(dá)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線檢測(cè)功能，應(yīng)用到水平衡測(cè)試系統(tǒng)中，可以大大減少水平衡測(cè)試的人力成本。即該系統(tǒng)可以監(jiān)控分析多只表在同一時(shí)間的流量數(shù)據(jù)。我們?cè)诮邮諜C(jī)部分設(shè)計(jì)硬件電路與軟件電路相配合來實(shí)現(xiàn)。

三、GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試生產(chǎn)完成后，在深圳煙草工業(yè)有限公司試用，共安裝了34只大口徑遠(yuǎn)傳水表，配置了34臺(tái)無線發(fā)射機(jī)，一臺(tái)中心接收機(jī)，一套監(jiān)測(cè)軟件。在試用過程中，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了流量監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等功能。

總結(jié)

GSM無線大表遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、計(jì)量裝置監(jiān)測(cè)、供水網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷監(jiān)測(cè)及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，是供水企業(yè)對(duì)工農(nóng)業(yè)用水，實(shí)行申請(qǐng)用水、定額供水、有償供水、超額停供或者加倍收費(fèi)的制度的科學(xué)手段。在最直接地產(chǎn)生企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也減少了社會(huì)水資源的浪費(fèi)。

[1]楊萬海.多傳感器數(shù)據(jù)融合及其應(yīng)用.

[2]郭淵博.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用——CC2430設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)踐.