林 濤，郭 曉，陳 恩，李 輝，趙宏科

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

傳統(tǒng)人工抄表收費(fèi)方式在實(shí)際工作中有許多不利因素。例如：對(duì)抄表人員來講，首先進(jìn)門入戶困難，有時(shí)候?yàn)榱顺粔K表需要等人拿鑰匙開門，不僅耽誤了抄表人員的時(shí)間，也耽誤了別人的時(shí)間。有些小區(qū)還需要登記才能入門抄表，嚴(yán)重影響了人們正常的生活。其次傳統(tǒng)人工抄表勞動(dòng)強(qiáng)度大，抄表周期長(zhǎng)，使得儀表管理單位無法快速準(zhǔn)確掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不利于資源的統(tǒng)一管理和合理的調(diào)用[3]。最后人工抄表、手工計(jì)費(fèi)方式效率低下，容易出現(xiàn)差錯(cuò)和糾紛，造成抄表工作人員錢財(cái)損失，同時(shí)易造成人們對(duì)儀表計(jì)量管理單位工作的不滿。傳統(tǒng)的人工抄表方式已經(jīng)不能適應(yīng)今后儀表管理的發(fā)展要求，遠(yuǎn)程無線抄表的需求被逐漸提到日程上來。對(duì)此，本文將Si4432技術(shù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)。Si4432網(wǎng)絡(luò)是短距離無線通信，具有低成本、低功耗、組網(wǎng)自由、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，GPRS網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)程無線通信，具有實(shí)時(shí)在線、傳輸率大、頻率利用率高、數(shù)據(jù)傳輸可靠性好的特點(diǎn)[1-2]。兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿足了新型抄表系統(tǒng)的迫切需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由表單元、鏈路單元、計(jì)算機(jī)主機(jī)和系統(tǒng)管理軟件4部分組成。表單元包括直讀遠(yuǎn)傳水表、光電直讀水表等；鏈路單元包括：集中器、采集器；計(jì)算機(jī)主機(jī)：服務(wù)器；系統(tǒng)管理軟件：智能抄表管理系統(tǒng)軟件。直讀水表與采集器之間為MBus總線連接，鏈路單元的設(shè)備之間通過Si4432無線通訊，集中器與計(jì)算機(jī)主機(jī)之間采用GPRS進(jìn)行通訊。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Remote smart meter reading system structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 集中器的設(shè)計(jì)

集中器主要由GPRS模塊、Si4432無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、微處理器、電源模塊、復(fù)位模塊、JTAG下載電路以及時(shí)鐘模塊組成，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。一個(gè)遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)集中器，集中器匯聚整個(gè)Si4432網(wǎng)絡(luò)中所有水表的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器，集中器屬于不休眠節(jié)點(diǎn)，能夠負(fù)責(zé)整個(gè)Si4432網(wǎng)絡(luò)的建立，同時(shí)具備路由能力，在網(wǎng)絡(luò)建立成功之后，集中器是外界與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)關(guān)，為外界訪問Si4432網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了雙向接口。

圖2 集中器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Concentrator structure

集中器主控芯片選用TI的主流芯片MSP430F5438，它是一款16位超低功耗微控制器，具有256 KB閃存、16 KB RAM、12 位 ADC、4 個(gè) USCI、32 位 HW乘法器[4]。

GPRS模塊選用華為MG323模塊，它是一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議、支持多鏈接，支持GSM/GPRS雙頻，短消息模式支持TEXT和PDU，支持GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最大下行傳輸速率：85.6 kb/s，最大上行傳輸速率：42.8 kb/s[5]。該模塊體積小巧、功能齊全、性能穩(wěn)定，能滿足該系統(tǒng)的需求。

Si4432無線通訊模塊是由美國(guó)Silicon Labs公司研制的高性能、高穩(wěn)定性無線模塊。該模塊體積小、發(fā)射功率大、接收靈敏度高、穩(wěn)定性好。通訊距離遠(yuǎn)超同行產(chǎn)品，最遠(yuǎn)距離可達(dá)1800 m以上[6]。已經(jīng)被廣泛用于無線抄表、無線數(shù)據(jù)采集、無線遙控、智能家居、無線工業(yè)控制等領(lǐng)域。

存儲(chǔ)器采用25LC256模塊，它是由Microchip Technology公司推出SPI串行E2PROM系列，含有256K存儲(chǔ)區(qū)域，速率可達(dá)10MHz。25LC256基于SPI串行方式與微處理器MCU進(jìn)行通信以交換信息[7]。

2.2 采集器的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要由主控芯片MSP430F5438、Si4432無線通信模塊、MBus主站通信電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、復(fù)位模塊以及時(shí)鐘模塊組成，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集器主要完成多塊表數(shù)據(jù)采集的工作。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集器一方面跟集中器通信，向上行的服務(wù)器傳送抄來的數(shù)據(jù)，另一方面跟表節(jié)點(diǎn)通信，從下行的表節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)或定時(shí)的收集表數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。采集器使用電池進(jìn)行供電，屬于低功耗模塊，是Si4432網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜功能節(jié)點(diǎn)。

圖3 采集器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Collector structure

為了方便、有效采集到儀表的數(shù)據(jù)，采集器上采用MBus總線技術(shù)對(duì)表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。MBus是一種新型總線結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是兩條無極性傳輸線來同時(shí)供電和傳輸串行數(shù)據(jù)，而各個(gè)子站（以不同的ID確認(rèn)）并聯(lián)在MBus總線上。MBus總線電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮由采集器向終端儀表終端傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化來表示即用+36 V表示邏輯“1”，用+24 V表示邏輯“0”。從終端儀表終端向采集器傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化來表示，即由終端儀表終端向采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列，通常用1.5 mA的電流值表示邏輯“1”，當(dāng)傳輸“0”時(shí)，由儀表終端控制可使電流值增加11～20 mA，電流調(diào)制如下：

式中：Ide為直流電電流；Ipulse為脈沖電流；IM為調(diào)制中變化的電流，變化范圍為11～20 mA[8]。利用MBus可大大簡(jiǎn)化住宅小區(qū)、辦公場(chǎng)所等能耗智能化管理系統(tǒng)的布線和連接，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、可靠性高的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 集中器軟件設(shè)計(jì)

集中器作為采集器和服務(wù)器之間的橋梁，它在整個(gè)系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，圖4是集中器軟件流程圖。GPRS是服務(wù)器與集中器通訊的媒介，服務(wù)器下達(dá)指令通過GPRS傳到集中器中，單片機(jī)對(duì)上位機(jī)下達(dá)指令進(jìn)行解析處理。集中器開始工作時(shí)，首先GPRS模塊上電啟動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，然后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)、打開Internet服務(wù)，與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)GPRS上線后，單片機(jī)處理下達(dá)命令控制Si4432進(jìn)行組網(wǎng)，主站Si4432向從站下發(fā)帶地址的喚醒碼，當(dāng)從站Si4432收到的喚醒碼中的地址與自己地址相同時(shí)，從站被喚醒建立連接關(guān)系。這樣主站Si4432與從站成功建立連接，集中器把抄表命令下達(dá)給采集器。采集器收到指令之后進(jìn)行抄表，將抄表數(shù)據(jù)通過Si4432無線模塊傳到集中器中。當(dāng)抄表數(shù)據(jù)上傳完成后，為了保證GPRS實(shí)時(shí)在線，又保證盡可能少消耗流量，GPRS需要每隔3 min發(fā)送一次心跳包，這樣集中器始終占有一條網(wǎng)絡(luò)通道，保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線，服務(wù)器就可以監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)中每塊表的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)GPRS未登陸到服務(wù)器或者GPRS因某種原因?qū)е轮型镜艟€時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到未登陸狀態(tài)，GPRS重新上電啟動(dòng)，與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。

圖4 集中器軟件流程圖Fig.4 Concentrator software flow chart

3.2 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器是由電池進(jìn)行供電，所以采集器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮低功耗，節(jié)省電量延長(zhǎng)電池的使用壽命，圖5是采集器軟件流程圖。當(dāng)主站Si4432與從站建立連接時(shí)，集中器將服務(wù)器抄表指令下達(dá)給采集器，采集器中MCU單元對(duì)抄表命令進(jìn)行處理和解析，通過MBus總線讀取采集器通道下所連接的表數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在E2PROM中，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)通過Si4432無線模塊及時(shí)上傳給集中器。當(dāng)所有的表數(shù)據(jù)都讀取和存儲(chǔ)完成后，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，只有當(dāng)服務(wù)器下達(dá)喚醒指令或者定時(shí)器喚醒，采集器才能退出低功耗模式進(jìn)行正常的工作。當(dāng)主站Si4432給從站發(fā)起會(huì)話未成功時(shí)，從站節(jié)點(diǎn)需要等待30 min后，從站主動(dòng)給主站發(fā)起會(huì)話建立連接，當(dāng)建立連接成功后，同樣可以接受服務(wù)器下達(dá)抄表命令進(jìn)行正常的抄表。

3.3 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

圖5 采集器軟件流程圖Fig.5 Collector software flow chart

上位機(jī)主要功能是建立良好的人機(jī)界面方便抄表員發(fā)送抄表命令、遠(yuǎn)程設(shè)置集中器和采集器參數(shù)、抄表數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理、統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表、水量水費(fèi)查詢、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)下任意塊水表的運(yùn)行狀態(tài)等操作。上位機(jī)界面采用Visual Basic來設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL server 2008。上位機(jī)軟件主要分成登陸模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、綜合信息管理模塊、查詢與統(tǒng)計(jì)模塊、遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表管理模塊、應(yīng)用監(jiān)查模塊、系統(tǒng)安全管理模塊。上位機(jī)各個(gè)功能模塊相互配合，保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試部分主要包括對(duì)GPRS實(shí)時(shí)在線可靠性測(cè)試和抄表功能測(cè)試。對(duì)GPRS實(shí)時(shí)在線可靠性測(cè)試，經(jīng)過30天實(shí)時(shí)在線測(cè)試，GPRS沒有出現(xiàn)掉線現(xiàn)象，表明系統(tǒng)遠(yuǎn)傳可靠性較高。在某小區(qū)對(duì)抄表功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本完成了水表數(shù)據(jù)抄收的功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、抄送數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確上傳，有利于水資源的統(tǒng)一管理和合理的調(diào)用。

5 結(jié)語

本文提出的基于Si4432和GPRS的智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立了一個(gè)無線抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表信息的高效、快速和可靠傳輸和管理，給水、電、氣行業(yè)的管理自動(dòng)化帶來方便，已經(jīng)在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。并且智能遠(yuǎn)程抄表技術(shù)可以應(yīng)用多個(gè)領(lǐng)域，例如：車輛監(jiān)控、物資管理、溫度監(jiān)控、無線遙控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、煤礦井下人員跟蹤、醫(yī)療監(jiān)控、動(dòng)態(tài)車輛管理、消防安全、門禁系統(tǒng)、機(jī)房設(shè)備的無線監(jiān)控和管理，具有很好的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景。

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