何璋函 周金治

摘 要目前國(guó)內(nèi)為解決上門(mén)抄表與收費(fèi)難、工作量大的問(wèn)題，最適宜采用的水表應(yīng)該是預(yù)付費(fèi)的智能水表。該系統(tǒng)采用MSP430F169單片機(jī)作為主芯片，處理采集到的數(shù)據(jù)及發(fā)送關(guān)斷與開(kāi)啟水閥信號(hào)，并用到網(wǎng)絡(luò)芯片CS8900A與服務(wù)器通信，共同實(shí)現(xiàn)預(yù)先收費(fèi)-欠費(fèi)斷水的功能。其包含網(wǎng)絡(luò)通信模塊、串口通信模塊、本地顯示模塊和流量檢測(cè)模塊等，具有網(wǎng)絡(luò)充值、余額不足及斷水短信提示、自動(dòng)供水?dāng)嗨?、按鍵查詢、本地顯示等功能。

【關(guān)鍵詞】智能水表系統(tǒng) 以太網(wǎng) GSM MSP430F169 TCP/IP

智能水表是近年來(lái)以自動(dòng)控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，以信息化管理需求為依托而發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)品，占有很大的市場(chǎng)量。但是發(fā)展近20年，在應(yīng)用方面，故障率偏高，嚴(yán)重影響水費(fèi)回收，處于尷尬局面。而造成這種被動(dòng)局面主要因素是產(chǎn)品技術(shù)不過(guò)關(guān)、性能不穩(wěn)定。

從目前的國(guó)情來(lái)看，智能卡水表仍將在未來(lái)幾十年中，占智能水表行業(yè)的主流。然而智能卡水表存在抗攻擊干擾難題。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟發(fā)展，遠(yuǎn)傳水表將成為今后水表發(fā)展的主要方向，是抄表方式向信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化方向發(fā)展的重要手段。

本文做的是有線遠(yuǎn)傳，采用總線方式，將各戶的遠(yuǎn)傳線路并接在一起，通過(guò)地址掃描，實(shí)現(xiàn)抄表。做到了網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)傳水表和集中管理模式且具有短信報(bào)警功能，為用戶提供方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括兩部分，用戶水表和用水管理中心。用戶水表利用德州儀器（TI）公司超低耗單片機(jī)MSP430F169作為主控芯片，其包括電源、時(shí)鐘、按鍵、顯示、水閥控制、短信報(bào)警、以太網(wǎng)控制、模擬水流采樣等部分，實(shí)現(xiàn)了水流量采集以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理功能，另外在MSP430單片機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，用以太網(wǎng)控制芯片CS8900實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，使嵌入式系統(tǒng)接入因特網(wǎng)與用戶管理中心通信，接收用水單價(jià)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)時(shí)間，發(fā)送用戶用水量及余額等。水表主芯片通過(guò)串口MAX232向GSM模塊傳送AT指令，實(shí)現(xiàn)短消息業(yè)務(wù)，向用戶發(fā)出提示短信。用水管理中心是基于Delphi技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，通過(guò)以太網(wǎng)與水表建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與集中管理。

2 硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1 模擬水流采樣設(shè)計(jì)

模擬水流采樣電路主要由51單片機(jī)控制，通過(guò)其內(nèi)部定時(shí)器使某一個(gè)端口交替地出現(xiàn)高低電平，產(chǎn)生模擬水流脈沖，由51單片機(jī)計(jì)數(shù)，用段式LED顯示脈沖頻率和累計(jì)脈沖數(shù)，檢測(cè)水表計(jì)量。

2.2 MSP430 F169單片機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)

MSP430F169是16位的超低功耗單片機(jī)，工作電壓為1.8～3.6V，內(nèi)部有64KB的FLASH存儲(chǔ)器和2KB的RAM，有足夠的空間存儲(chǔ)程序和用戶數(shù)據(jù)信息，外接8MHz的主頻時(shí)鐘以及32KHz的低速時(shí)鐘以滿足不同的功耗應(yīng)用?？傮w流程圖如圖2。

各部分設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 水流采集部分

選擇開(kāi)啟MSP430F169單片機(jī)具有捕獲功能的端口采集51單片機(jī)發(fā)出的模擬水流脈沖。

2.2.2 液晶顯示部分

選用的是JDL12864G，內(nèi)置128個(gè)16×8點(diǎn)陣字符，顯示漢字，方便用戶閱讀。利用MSP430F169單片機(jī)中具有中斷功能的4個(gè)端口作為按鍵查詢接口，下降沿觸發(fā)，進(jìn)入中斷后，對(duì)用戶數(shù)據(jù)更新再顯示，四個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)顯示日用水量、月用水量、剩余水量及系統(tǒng)時(shí)間。

2.2.3 水閥控制部分

當(dāng)檢測(cè)到余額已不足最小計(jì)價(jià)單位時(shí)，將MEP430F169單片機(jī)的一個(gè)引腳置低控制51不產(chǎn)生脈沖信號(hào)，用戶充值后再將其置高。

2.2.4 短信提示部分

即串口通信部分，是MSP430F169單片機(jī)的串口接收引腳URXD和發(fā)送引腳UTXD通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與西門(mén)子TC3系列的TC35i的GSM[模塊連接。利用RS232協(xié)議向GSM模塊傳送標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，最終向用戶發(fā)送提示短信，方便用戶了解用水情況。

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換部分

硬件，采用16位的以太網(wǎng)控制器CS8900A。該控制器集成度高，與主控芯片接口簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)選擇8位I/O工作模式。其16個(gè)寄存器通過(guò)4根地址線和2根控制線對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)控制。在控制器與終端設(shè)備接口RJ45之間接入通信網(wǎng)絡(luò)變壓器20F-01R，起阻抗匹配和高電壓隔離等作用。軟件，主要是驅(qū)動(dòng)CS8900A，以函數(shù)的形式給其它模塊提供讀寫(xiě)其寄存器的接口、產(chǎn)生讀寫(xiě)時(shí)鐘等。系統(tǒng)上電后，先對(duì)CS8900A進(jìn)行初始化配置，接著MSP430F169單片機(jī)把本機(jī)的MAC地址以配置序列字的形式發(fā)給CS8900A，CS8900A把MAC地址存儲(chǔ)在寄存器中。完成配置后，MSP430F169單片機(jī)便可以對(duì)CS8900A進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

2.2.6 TCP/IP協(xié)議部分

16位的MSP430F169單片機(jī)構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)，處理能力和資源都十分有限，通常不能運(yùn)行操作系統(tǒng)。因此要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化，構(gòu)建一套通信可靠、功能相對(duì)完善的微型TCP/IP協(xié)議棧。根據(jù)TCP/IP協(xié)議不同層次特點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)的各層協(xié)議如表1。

TCP/IP模塊定義了網(wǎng)絡(luò)用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)的各種協(xié)議，使用CS8900A所提供的各種讀寫(xiě)函數(shù)來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)為上層應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)單易用的API接口函數(shù)。其中，最重要的函數(shù)是DoNetworkStuff（），該函數(shù)主要是處理網(wǎng)絡(luò)和TCP事件，周期性地被用戶程序調(diào)用，而且調(diào)用越頻繁越好。另外調(diào)用函數(shù)TCPPassiveOpen（）或TCPActiveOpen（）建立網(wǎng)絡(luò)通信連接。當(dāng)接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，返回一個(gè)接收正確信號(hào)。當(dāng)發(fā)送機(jī)在超過(guò)設(shè)定時(shí)間后仍未收到接收正確信號(hào)時(shí)，TCP/IP模塊自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包重發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，可以通過(guò)函數(shù)TCPClose（）關(guān)閉連接。

2.3 用水管理中心服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)

用水管理中心服務(wù)器是基于Delphi7和Access數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作。在服務(wù)器端及水表客戶端，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器IP地址及通訊端口的設(shè)置。服務(wù)器端設(shè)定計(jì)算機(jī)的4025端口作為通信端口，ServerSocket組件是通信的響應(yīng)方，監(jiān)聽(tīng)及被動(dòng)接收水表客服端的請(qǐng)求，并進(jìn)行回復(fù)。后臺(tái)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)用戶基本信息和充值信息。

根據(jù)用水管理中心管理用戶的需要，分為四大功能模塊，其功能模塊示意圖如圖3。

3 結(jié)論

水表中MSP430F169主芯片采集51單片機(jī)發(fā)出的脈沖并存儲(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)按鍵查詢，LCD顯示用戶當(dāng)日、當(dāng)月、剩余用水量及時(shí)間。當(dāng)用戶余額不足系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，向用戶發(fā)送報(bào)警短信，提示充值。當(dāng)用戶余額用完，水表自動(dòng)發(fā)送關(guān)斷水閥的信號(hào)，同時(shí)也會(huì)發(fā)送報(bào)警短信，提示已停水。用水管中心服務(wù)器，通過(guò)Internet建立用戶和水廠的信息交互，并存儲(chǔ)用戶一年的用水信息，可對(duì)用戶進(jìn)行集中管理。

本文在MSP430F169單片機(jī)中嵌入了精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議，采用C/S模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、集中管理用戶信息等功能。其功耗低、實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)用戶水表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還實(shí)現(xiàn)了水流量測(cè)試和對(duì)歷史數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ)功能。

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作者簡(jiǎn)介

何璋函（1993-），男，現(xiàn)為成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院大學(xué)本科在讀學(xué)生。主要研究方向?yàn)樾畔⑴c控制技術(shù)。

通訊作者簡(jiǎn)介

周金治（1971-），男，碩士學(xué)位?，F(xiàn)在供職于西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

作者單位

1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院 四川省成都市 610225

2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川省綿陽(yáng)市 621010