王建強，許 鵬，謝正光，楊永杰

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通226019）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，各行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的依賴性在不斷增強。對目前新興起來的無線抄表系統(tǒng)而言，其作用是非常重要的。由于傳統(tǒng)全機械式燃氣表在快速城市化的進程中，存在著諸多的不足，正在被新式自動化抄表系統(tǒng)所取代。而在整個自動抄表的方式中，無線抄表技術(shù)是目前最被看好的抄表技術(shù)之一，它不光克服了傳統(tǒng)抄表的許多弊端，同時還提高了各大燃氣公司的管理效率?？梢?，無線抄表系統(tǒng)將會有很大的發(fā)展空間。

目前無線遠傳抄表系統(tǒng)中的集中器一般采用單一網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式，即將從采集器匯聚到的數(shù)據(jù)通過單一的移動網(wǎng)絡(luò)［1，2］或互聯(lián)網(wǎng)傳至監(jiān)控中心［3］，這種單一方式容易受網(wǎng)絡(luò)諸多因素的限制，如移動信號很容易因通訊業(yè)務(wù)量的劇增而導(dǎo)致?lián)矶碌南拗?，而實際數(shù)據(jù)的傳輸速度難以滿足應(yīng)用的需求。本文的創(chuàng)新點就是將 “三網(wǎng)”（即無線傳感網(wǎng) （WSN）﹑移動網(wǎng)絡(luò) （3G網(wǎng)絡(luò)、2G網(wǎng)絡(luò)）和互聯(lián)網(wǎng)（Internet））完美的整合，即保證3種網(wǎng)絡(luò)之間可無縫切換，真正做到數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠，實現(xiàn)大范圍的實時抄表，做到數(shù)據(jù)傳輸無盲點。這不光完全吻合物聯(lián)網(wǎng)的整體設(shè)計要求，同時該款集中器也可用于水、電、熱等無線遠傳抄表系統(tǒng)中。

1 無線燃氣表抄表系統(tǒng)

無線燃氣表抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作分兩種模式：第一為自動模式，第二為人工模式。自動模式下數(shù)據(jù)傳輸過程：無線抄表區(qū)域內(nèi)燃氣表數(shù)據(jù)采集節(jié)點以無線傳感網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，將區(qū)域內(nèi)的各表數(shù)據(jù)傳至某匯聚節(jié)點，系統(tǒng)在預(yù)先設(shè)定的時間或通過監(jiān)控中心下達抄表指令，將表數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心。人工模式：用手持式抄表器無線抄取節(jié)點、采集器或集中器上的數(shù)據(jù)后同步到監(jiān)控中心客戶端。監(jiān)控中心將抄取的數(shù)據(jù)處理后，向用戶發(fā)送收費短信。本系統(tǒng)主要以自動模式工作為主，人工模式為輔。

燃氣表數(shù)據(jù)采集節(jié)點在整個系統(tǒng)中的主要作用是：①可靠、準確地采集用戶的燃氣表數(shù)據(jù)；②在預(yù)先設(shè)定的時間或接收抄表指令時傳輸數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)傳輸完成后進入低功耗模式；③檢測燃氣表節(jié)點的電池情況，當(dāng)電池欠壓時，提醒更換電池。

采集器相當(dāng)于一個 “搜集者”。它的主要任務(wù)是采集無線抄表區(qū)域內(nèi)燃氣表節(jié)點的數(shù)據(jù)并加以存儲，根據(jù)集中器或抄表器的指令進行對應(yīng)的操作，與抄表區(qū)域節(jié)點、集中器之間以無線方式傳輸。

集中器在整個系統(tǒng)中居于 “通信橋梁”的重要位置［4］，它工作狀況的穩(wěn)定與否會直接決定整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠焚|(zhì)。其主要功能是：①以點對點無線通信方式匯聚區(qū)域內(nèi)采集器的數(shù)據(jù)，并加以存儲；②按照預(yù)先設(shè)定的時間或接收監(jiān)控中心的抄表指令，對數(shù)據(jù)進行處理，選擇合適網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心；③自動模式網(wǎng)絡(luò)接入順序：3G移動網(wǎng)絡(luò)－＞2G移動網(wǎng)絡(luò)－＞互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。若上面網(wǎng)絡(luò)均失敗，自動切換至人工模式，等待人工抄取。

2 集中器軟硬件設(shè)計

2.1 集中器的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)集中器的設(shè)計是繁瑣的，涉及諸多的模塊，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等知識，是在整個無線燃氣表抄表系統(tǒng)的核心部分。集中器的硬件部分主要包括：LPC1768主控制單元模塊、射頻模塊、LCD模塊、鍵盤模塊、存儲模塊、電源模塊、3G模塊以及網(wǎng)絡(luò)模塊。具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。本硬件具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、性能穩(wěn)定、自動化程度高和傳輸模塊間可任意組合等優(yōu)點。

2.1.1 LPC1767主控制單元模塊

主控芯片是集中器控制的核心，該模塊選擇的是NXP公司生產(chǎn)的LPC1768FBD100，該MCU是基于ARM Cortex－M3內(nèi)核，有很高的性價比，是系統(tǒng)最佳選擇芯片。該芯片具有豐富的片上資源，如512KFLASH、64K SRAM、4個UART、3個IIC接口、USB主機／從機／OTG接口、2個SSP控制器、SPI接口，8通道的12位的ADC、10位DAC以及4個通用定時器等，最高操作頻率可達100MHz。其配置完全滿足集中器設(shè)計的硬件需求。該單元模塊電路包括3.3V的電源電路、JTAG仿真器下載接口電路、ISP串口下載電路、按鍵復(fù)位電路以及外部晶振電路。

2.1.2 以太網(wǎng)接口模塊

以太網(wǎng)接口模塊采用的是 Microchip Technology推出的符合IEEE 802.3協(xié)議的28引腳封裝的以太網(wǎng)控制器ENC28J60［5］。其為嵌入式遠程通信提供了可靠的簡化設(shè)計方案，并且小封裝減少了系統(tǒng)硬件空間。ENC28J60內(nèi)部集成了MAC和10BASE－T PHY，還需結(jié)合網(wǎng)絡(luò)變壓器及RJ45接口才能使用。采用行業(yè)標準的串行SPI接口與主控芯片LPC1768連接。具體接口硬件電路如圖3所示。

圖3 ENC28J60硬件電路

其中GND和 V3.3用于給模塊供電，MISO／MOSI／SCK用于SPI通信，CS為片選信號，INT為中斷輸出引腳，RST為模塊的復(fù)位引腳。這里采用通用I／O模擬SPI，已達到硬件自帶SPI接口的功能。

2.1.3 3G模塊

3G技術(shù)在國內(nèi)的快速發(fā)展，帶來了很多的優(yōu)點如無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^2.5G時代有了較大的提高，在流量費用上也有了較大的降低。該3G模塊采用華為公司生產(chǎn)的EM770W模塊，采用WCDMA標準，選擇該標準的原因是WCDMA具有頻譜利用率高、適應(yīng)范圍廣、技術(shù)成熟、速度快、向3G過度容易等優(yōu)點［6，7］。該模塊支持的工作頻段有 UMTS、HSUPA／HSDPA、GSM／GPRS／EDGE。基本工作原理是：通過USIM卡作為賬號通過EM770W模塊接入到移動網(wǎng)絡(luò)，可以通過自動收網(wǎng)來選擇3G還是2G網(wǎng)絡(luò)來進行可靠、高效地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。EM770W模塊的接口形態(tài)為通用的 Mini PCI Express接口，有主集，分集兩個天線，具體的接口硬件電路如圖4所示。

圖4 EM770W硬件電路

電路設(shè)計時，要對USIM卡接口的ESD（靜電放電）進行防護，具體方法是使用TVS（瞬態(tài)電壓抑制二極管）進行防護，同時在PCB板的繪制時，要盡量靠近USIM卡座放置。

2.1.4 射頻模塊

考慮集中器安裝地點的特殊性，對射頻芯片的傳輸距離和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性有很高的要求。最終采用了素有“距離之王，穿墻之王”之稱的Si4432芯片。Si4432［8］是Silicon Labs公司推出的一款具有高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片。內(nèi)部集成可分集天線，功率放大器，喚醒定時器，數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、以及可配置的GPIO等，可以工作的頻率范圍為240～930MHz；在空曠地通信距離可達2000m；接收靈敏度達到－118dBm，同時最大發(fā)射功率達到＋20dBm；與MCU是以SPI接口連接，可根據(jù)設(shè)計需要來配置相關(guān)的寄存器，使其達到最佳收發(fā)狀態(tài)。在本設(shè)計中，SPI接口功能也是采用通用I／O模擬得到的。

2.1.5 電源模塊

電源模塊好壞直接影響到集中器系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與性能的可靠性，因此電源設(shè)計要充分考慮集中器各模塊間供電電壓，工作電流以及功耗等問題。在EM770W模塊的電源設(shè)計時，最好使用1.6A以上的LDO （低壓差線性穩(wěn)壓器）或開關(guān)電源進行供電，因為該模塊的瞬態(tài)最大工作電流會達到1.6A。在電路板布線時，電源走線要遠離天線部分。

2.2 集中器的軟件設(shè)計

該集中器實現(xiàn)的功能較多，各模塊數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系復(fù)雜，為了實現(xiàn) “三網(wǎng)”之間，數(shù)據(jù)傳輸方式的任意切換。這給程序設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。同時，軟件中會涉及諸多的網(wǎng)絡(luò)知識，如TCP／IP協(xié)議、UDP協(xié)議以及ARP協(xié)議等相關(guān)移植問題。

該集中器軟件設(shè)計中涉及的驅(qū)動主要包括時鐘模塊驅(qū)動、LCD模塊驅(qū)動、存儲模塊驅(qū)動、3G模塊驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動以及射頻模塊SI4432驅(qū)動。具體的集中器的軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。主程序可直接調(diào)用相關(guān)的子程序來達到系統(tǒng)設(shè)計的功能。

圖5 集中器軟件模塊結(jié)構(gòu)框架

2.2.1 與監(jiān)控中心通信部分

與監(jiān)控中心通信部分主要功能是通過合適的網(wǎng)絡(luò)將從采集器匯聚得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心，同時，可接收來自監(jiān)控中心的相關(guān)指令，完成相應(yīng)操作。對自動模式而言，上傳數(shù)據(jù)的方式有2種，①根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間，定期上傳；②根據(jù)監(jiān)控中心的指令實時上傳數(shù)據(jù)。該部分上傳數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)選擇的順序：3G移動網(wǎng)絡(luò)－＞2.5G移動網(wǎng)絡(luò)－＞Internet－＞切換至人工模式，等待人工抄取。與此同時，在硬件電路方面可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)情況進行任意組合，達到降低成本之目的。

2.2.2 與采集器通信部分

與采集器通信部分主要負責(zé)集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸。無線抄表系統(tǒng)啟動后，處理采集器的網(wǎng)絡(luò)注冊請求，待注冊成功后回送確認信息；接著周期性的發(fā)送心跳包，對采集器的狀態(tài)進行不間斷的巡檢；預(yù)先設(shè)定時間到來時或者收到抄表指令時，進行相關(guān)的動作。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析處理部分

對匯聚得到的采集器數(shù)據(jù)先進行存儲處理，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況選擇合適的傳輸模塊，將存儲的數(shù)據(jù)封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式，同時，數(shù)據(jù)包中記錄了各采集器與集中器的相關(guān)信息，供相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心。

2.2.4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置部分

利用鍵盤輸入，LCD顯示，時鐘芯片提供時間信息，不僅方便的進行集中器參數(shù)的設(shè)置，而且可對各采集器進行時間同步，LCD可實時查看該集中器工作時的相關(guān)信息。

2.2.5 相關(guān)模塊驅(qū)動

硬件相關(guān)芯片的驅(qū)動設(shè)計是軟件設(shè)計重要的組成部分，好的驅(qū)動可以增加代碼的可移植性，同時可減少代碼維護的難度［9］。這里著重介紹網(wǎng)絡(luò)模塊與3G模塊。

網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動的編寫要結(jié)合其工作流程來進行程序設(shè)計，以太網(wǎng)控制器ENC28J60的具體工作流程如圖6所示。

圖6 ENC28J60的工作流程

ENC28J60通信接口為SPI接口，它與LPC1768的連接是利用普通I／O口進行軟件模擬達到硬件自帶的SPI接口功能，同時需注意ENC28J60是只支持SPI的模式0。要嚴格按照ENC28J60能夠可靠通信的要求來配置SPI。同時，驅(qū)動中還涉及IP、ARP、UDP、TCP等相關(guān)協(xié)議移植問題，因此該驅(qū)動的好壞對整個集中器的功能有很大的影響。

3G模塊EM770W與LPC1768的連接是通過UART1完成的。對于本系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用不到語音通話功能，因此程序中會去除掉這部分的功能。模塊EM770W是內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧的，可以利用標準的AT指令集和華為擴展AT指令集進行直接操作。具體工作流程如圖7所示。

圖7 EM770W工作流程

工作流程圖中發(fā)送心跳包的作用是為了保證EM770W模塊永久在線，因為3G模塊登入到移動網(wǎng)絡(luò)后，如果一段時間內(nèi)沒有流量的產(chǎn)生時，網(wǎng)絡(luò)運營商為了防止資源的浪費，則會強制的將鏈接斷開［10］。并且在工作中都設(shè)計了差錯控制，差錯記錄的次數(shù)定為5次，是經(jīng)過實驗統(tǒng)計出來的，鏈接次數(shù)較多會出現(xiàn)鏈接移動網(wǎng)絡(luò)緩慢，同時鏈接的效果也沒有得到明顯的提高。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果

該集中器已在南通市中南世紀花城小區(qū)進行了一系列的現(xiàn)場測試，測試中共利用無線燃氣表節(jié)點320個，10臺采集器 （每臺負責(zé)區(qū)域下的32個節(jié)點）以及1臺集中器。無線燃氣表節(jié)點到采集器，采集器到集中器均采用無線通信的方式。整個系統(tǒng)對其自動模式和人工模式進行了極端條件的測試，從現(xiàn)場測試的情況來看，一次抄表的成功率，實時性以及數(shù)據(jù)的安全性均達到了系統(tǒng)最初設(shè)計的要求。具體的客戶端抄表界面如圖8所示，抄取的數(shù)據(jù)與燃氣表節(jié)點字輪窗口上的數(shù)值是完全一致的。

4 結(jié)束語

本文給出了無線燃氣表抄表系統(tǒng)中 “通訊橋梁”集中器的軟硬件設(shè)計的具體方法；并且通過對集中器現(xiàn)場極端條件的測試和分析得出結(jié)論：該集中器的設(shè)計不僅具有數(shù)據(jù)傳輸可靠，更具有傳輸方式多，并且傳輸方式之間可以任意組合，做到傳輸方式之間的互補，真正做到在任何區(qū)域下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o盲點等特點，符合無線燃氣表抄表系統(tǒng)中集中器設(shè)計的具體要求，利用該款集中器為實現(xiàn)傳輸?shù)膶崟r性、低成本以及布置的靈活性等方面帶來了很大的優(yōu)勢。下一步的目標就是在此基礎(chǔ)上，在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芮闆r下，對程序進一步的優(yōu)化，使集中器的移動網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率達到最大。

圖8 客戶端抄表界面

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