吳衛(wèi)軍，瑚 琦，鄭 遂，張祥安

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，目前常用的自動(dòng)抄表系統(tǒng)按照通信方式可分為有線和無線兩種。有線傳輸抄表方式適用于集中的計(jì)量終端和距離較近的場(chǎng)所，常見的有公用電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、RS485雙絞線和電力線載波；無線傳輸抄表方式應(yīng)用比較靈活，常用的有車載自動(dòng)抄表系統(tǒng)和GSM／GPRS抄表系統(tǒng)。

目前，在智能電網(wǎng)的改造和建設(shè)過程中，常用的辦法是用智能一體化電表直接替換原來的電網(wǎng)設(shè)備。這種方式不僅資金投入量大，而且浪費(fèi)資源。為此，現(xiàn)設(shè)計(jì)了無線攝像式智能抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，安裝簡單的具有圖像處理和識(shí)別能力的抄表終端，就能實(shí)現(xiàn)無線智能抄表，尤其適合在廣大的農(nóng)村地區(qū)使用［1－2］。

1 無線攝像抄表系統(tǒng)的工作原理

無線攝像抄表系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由無線攝像式抄表器［3］、數(shù)據(jù)處理中繼器［4－5］、數(shù)據(jù)集中器［6－7］和控制中心服務(wù)器構(gòu)成。首先抄表器對(duì)電能表計(jì)數(shù)表頭拍照，然后通過SI4432無線模塊把圖像數(shù)據(jù)傳輸給中繼器，如果數(shù)據(jù)接收無誤，中繼器再把圖像數(shù)據(jù)通過ZigBee轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器對(duì)接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字識(shí)別后再通過GPRS把識(shí)別出的電能表讀數(shù)發(fā)給控制中心，從而完成遠(yuǎn)程無線抄表。

圖1 無線智能攝像抄表系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Operating principle of camera－based wireless meter reading system

2 無線攝像抄表系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要由無線攝像式抄表器、數(shù)據(jù)處理中繼器、數(shù)據(jù)集中器和控制中心服務(wù)器4個(gè)部分組成。抄表器直接安裝在原有電度表的表盤上采用定時(shí)攝像的方式采集電能表讀數(shù)區(qū)域的圖片；中繼器安裝在電度表比較集中區(qū)域的電桿頂端，用來延長數(shù)據(jù)傳輸距離和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性；集中器主要用來處理圖像數(shù)據(jù)和管理下級(jí)節(jié)點(diǎn)；控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心終端，用來控制系統(tǒng)和收集用戶數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的各部分組成具體如下：

2.1 無線攝像式抄表器

無線攝像式抄表器的硬件框圖如圖2所示，它由微處理器MSP430F447、圖像傳感器OV7670、FIFO存儲(chǔ)器芯片AL422B和SI4432無線模塊組成。在抄表器中，微處理器既要滿足電池供電能力有限引起的功耗要求，又要有一定的數(shù)據(jù)處理能力和相關(guān)的外設(shè)接口。MSP430F447有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和超低功耗的特點(diǎn)，自帶32k的FLASH和1k的RAM，有I2C，UART等豐富的外設(shè)接口，能很好地滿足抄表器低功耗的要求；圖像傳感器采用Ommivision生產(chǎn)的CMOS芯片OV7670，該芯片體積小，工作電壓低，支持VGA，GIF等各種格式，主芯片通過標(biāo)準(zhǔn)的SCCB總線來配置其寄存器，通過FIFO芯片來存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中為了降低無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，微處理器通過SCCB總線配置其輸出黑白圖像數(shù)據(jù)；SI4432是Silicon Labs生產(chǎn)的一款遠(yuǎn)距離無線芯片，接收靈敏度為－117dBm，發(fā)射功率為11～20dBm，有效通信距離為1.7km，在系統(tǒng)中SI4432無線模塊工作在470MHz頻率，發(fā)射功率設(shè)置為最大；AL422B是一款容量為393216字節(jié)的FIFO存儲(chǔ)芯片，其所有的尋址，刷新等操作都是在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)內(nèi)完成的，具有獨(dú)立的讀寫操作能力。

圖2 無線攝像抄表器的硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of camera－based wireless meter reading machine

抄表器直接安裝在原有電度表的表盤上，攝像頭正對(duì)電能表的讀數(shù)區(qū)域。當(dāng)抄表器定時(shí)喚醒后，LED被點(diǎn)亮，CMOS開始拍照，拍照后的數(shù)據(jù)先通過8位數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)在FIFO芯片中，然后MSP430通過8位數(shù)據(jù)總線從FIFO芯片中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)一幀圖像采集完成后，關(guān)閉LED和CMOS，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過SI4432無線模塊發(fā)送給中繼器，一次采集完成后抄表器進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下次定時(shí)喚醒。由于SI4432無線模塊的傳輸距離有限，因此實(shí)際安裝時(shí)采集器與中繼器距離不超過300m。

2.2 圖像傳輸處理中繼器

中繼器主要用來延長數(shù)據(jù)傳輸距離和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，它由MCU處理器、外部SRAM、SI4432無線傳輸模塊和ZigBee無線模塊組成，外置天線并配有鋰電池、太陽能極板和防水外殼。其中MCU采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6處理器，它基于ARM的Cortex－M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)72MHz，具有單周期的乘法和除法器件，具有512k的FLASH，支持SRAM、NOR和NAND存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成了RTC，多種外設(shè)接口模式以及DMA控制器等；SRAM選擇256×16kB容量大小的存儲(chǔ)器，以保證圖像數(shù)據(jù)的完全存儲(chǔ)；SI4432無線傳輸模塊支持遠(yuǎn)距離通信，ZigBee無線模塊具有自動(dòng)組網(wǎng)功能，且工作在2.4GHz的開放頻帶。

中繼器的工作原理是：當(dāng)接收到抄表器的請(qǐng)求指令后，主芯片控制SI4432開始接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)保存在外接SRAM存儲(chǔ)器中，當(dāng)驗(yàn)證圖像數(shù)據(jù)完整無誤后再把數(shù)據(jù)通過ZigBee轉(zhuǎn)發(fā)給集中器處理，中繼器是太陽能和蓄電池供電，故可以長時(shí)間連續(xù)工作而不用維護(hù)。

2.3 數(shù)據(jù)集中器

集中器主要用來處理圖像數(shù)據(jù)和管理下級(jí)節(jié)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：它由ARM 處理器、NAND FLASH、ZigBee無線傳輸模塊、GPRS收發(fā)模塊和SD卡等組成，其處理器仍然采用STM32F103ZET6處理器，帶2GB的Nand FLASH和SD存儲(chǔ)器，以保證足夠的存儲(chǔ)空間和處理速度；無線傳輸模塊仍然選擇支持ZigBee的CC2530模塊；GPRS選用西門子的GPRS模塊，通過串口與MCU連接，只需內(nèi)置SIM卡即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸；電源由220V轉(zhuǎn)5V的AC－DC模塊組成，整體外部配有防水功能的合金屏蔽盒，兩個(gè)吸盤式天線從模塊引出并外置。

集中器的工作原理是：在接到中繼的傳輸請(qǐng)求后，按照分配的地址順序，接收并判斷各個(gè)終端的圖像數(shù)據(jù)并在內(nèi)部進(jìn)行圖像處理，處理完畢后通過GPRS把數(shù)值上傳到控制中心，從而完成用戶電表的數(shù)據(jù)采集；另外控制中心也可以通過給GPRS指令來控制下級(jí)節(jié)點(diǎn)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

圖3 數(shù)據(jù)集中器的硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of Concentrator

2.4 控制中心

控制中心是一臺(tái)有獨(dú)立外網(wǎng)IP地址的服務(wù)器，GPRS把數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)后，服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)后即可接收集中器通過GPRS發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，同時(shí)還能給其發(fā)送指令來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，在控制中心可以實(shí)時(shí)地查看智能電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的用戶電表讀數(shù)。

3 無線攝像抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程

在無線抄表系統(tǒng)中，1個(gè)控制中心理論上可以控制上萬個(gè)采集器，不過在實(shí)際工作中，為了充分考慮采集時(shí)間，現(xiàn)設(shè)定的閾值是1個(gè)控制器最多控制500個(gè)采集器。由于采集器數(shù)量比較多，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以此來保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。采集器是數(shù)據(jù)最原始的來源，是系統(tǒng)與用戶的橋梁，它的設(shè)計(jì)決定著系統(tǒng)后續(xù)處理的穩(wěn)定性，其工作流程圖如圖4所示。

集中器是控制中心和下面節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，配有高性能的ARM內(nèi)核處理器，它把抄表器傳輸過來的圖片進(jìn)行處理得到電能表的數(shù)值。集中器的軟件設(shè)計(jì)決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，其數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖4 采集器的數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow chart of of the collector

圖5 數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Data processing flow chart of the concentrator

4 結(jié)束語

無線攝像抄表系統(tǒng)安裝簡單、維護(hù)成本低，用戶無需更換已有的常規(guī)電度表，系統(tǒng)通過自動(dòng)定時(shí)攝像得到電能表讀數(shù)區(qū)的圖片信息，進(jìn)行圖像數(shù)字識(shí)別后將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，從而完成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，在廣大農(nóng)村電網(wǎng)改造過程中，具有很好的推廣價(jià)值。

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