基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

吳 雙， 徐 琦， 趙 珂， 熊 艷

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

現(xiàn)代家庭中水、電、氣表俗稱“三表”。傳統(tǒng)的入戶抄表不僅給用戶帶來(lái)了不便，而且占用大量的人力資源，造成收費(fèi)難的問(wèn)題；新興的IC卡技術(shù)，較為徹底地解決了以上問(wèn)題，但對(duì)用戶買“水、電、氣”來(lái)說(shuō)還不甚便利，同時(shí)與用戶的使用信息也無(wú)法得到實(shí)時(shí)溝通，因此智能抄表和安全監(jiān)控成為行業(yè)發(fā)展的方向[1]。要進(jìn)行智能抄表和安全監(jiān)控就必須建造傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)[2]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要有數(shù)傳電臺(tái)、電話撥號(hào)、衛(wèi)星通訊輔設(shè)專線等，這些傳輸方式存在覆蓋范圍小、實(shí)時(shí)性差、投資及運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題[2]。GPRS技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)Internet技術(shù)的發(fā)展，為工業(yè)監(jiān)控、遙測(cè)遙控領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化管理提供了廣闊的平臺(tái)。器和采集器等5部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of intelligent remote meter reading based on GPRS technology

1 系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)需要一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)Internet相連的數(shù)據(jù)中心、與“三表”或需要監(jiān)控的設(shè)備相連的數(shù)據(jù)采集器和內(nèi)置GPRS模塊的微處理器。采集器獲取的數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，微處理器通過(guò)GPRS模塊登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)過(guò)CGSN網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet上的數(shù)據(jù)中心，從而完成數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、操作終端、集中采集器位于居民小區(qū)的信息中心，客戶的“三表”使用數(shù)據(jù)首先通過(guò)ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥谛^(qū)信息中心的集中器，集中器再通過(guò)RS232接口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連。通過(guò)GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)“三表”數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接。

2 技術(shù)路線

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本硬件系統(tǒng)應(yīng)包括：用戶三表數(shù)據(jù)采集顯示模塊、樓座單元數(shù)據(jù)集中模塊、ZigBee組成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構(gòu)成的“客戶端”與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、RS-232串口電路、上位管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成的“數(shù)據(jù)中心”兩部分?！翱蛻舳恕迸c“數(shù)據(jù)中心”通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.1 數(shù)據(jù)采集顯示模塊

數(shù)據(jù)采集顯示模塊包括：用戶用電量采集與顯示電路、用戶用水量采集與顯示電路、用戶燃?xì)庥昧坎杉c顯示電路3種形式。本系統(tǒng)采用 ADI公司推出的單片電能計(jì)量專用芯片ADE7751與 微處理器設(shè)計(jì)成的全電子式多費(fèi)率電能表來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶用電量數(shù)據(jù)采集；采用南京迪泰爾儀表機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的脈沖式智能渦街流量計(jì)傳感器與微處理器設(shè)計(jì)成的數(shù)字式水表及脈沖式智能渦街流量計(jì)傳感器與微處理器設(shè)計(jì)成的數(shù)字式燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、顯示、傳輸?shù)纫蟆?/p>

2.2 單元集中器模塊

為了便于實(shí)現(xiàn)無(wú)線集抄功能，本設(shè)計(jì)在每個(gè)樓座的每個(gè)單元中加入一個(gè)單元集中器。單元集中器與每個(gè)數(shù)據(jù)采集部件通過(guò)ZigBee組成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)客戶“三表”數(shù)據(jù)的定時(shí)接收與存儲(chǔ)，它是“三表”與無(wú)線收發(fā)模塊的一個(gè)核心部分。單元集中器的使用大大簡(jiǎn)化無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)設(shè)備成本。

系統(tǒng)主要由主控制器、GPRS模塊和ZigBee射頻通信模塊3部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主控制器采用三星公司的ARM9微處理器S3C24-10X，它具有外圍擴(kuò)展功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)高速處理。GPRS模塊采用Siemens公司的TC35終端，通過(guò)串口與CPU相連，實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。ZigBee射頻收發(fā)模塊采用Chipcon AS公司的CC2420芯片，控制采集器內(nèi)具備ZigBee標(biāo)準(zhǔn)接口的檢測(cè)設(shè)備。

圖2 單元集中器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of concentrator cells

2.3 數(shù)據(jù)通信方案

本系統(tǒng)中，“客戶端”的“單元集中器”與“數(shù)據(jù)中心”的“PC機(jī)”之間數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

單元集中器與客戶“三表”的通信屬于多機(jī)通信。基于系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能要求，選用主從式通信方式。單元集中器為主機(jī)，各客戶的數(shù)字式“三表”是從機(jī)，主、從機(jī)之間通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。主機(jī)發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機(jī)，也可以指定單一的從機(jī)接收，而從機(jī)發(fā)送的信息只能被主機(jī)接收，各從機(jī)之間不能進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括：三表計(jì)量系統(tǒng)軟件、單元集中器通信集存軟件、上位PC機(jī)數(shù)據(jù)通信及人機(jī)交互接口軟件3部分。

3.1 “三表”計(jì)量系統(tǒng)軟件

軟件由初始化、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)顯示、數(shù)據(jù)通信、鍵盤處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)幾部分構(gòu)成。初始化完成對(duì)單片機(jī)各功能部件初始狀態(tài)及中斷的設(shè)置和DS1302控制寄存器的初始化配置并開啟芯片軟件看門狗功能；數(shù)據(jù)處理主要完成采集數(shù)據(jù)計(jì)算；數(shù)據(jù)通信完成計(jì)量系統(tǒng)與單元集中器間的協(xié)議化通信，按照通訊協(xié)議的要求實(shí)現(xiàn)與單元集中器的可靠通訊，以便單元集中器來(lái)讀取客戶的數(shù)據(jù)以及設(shè)置時(shí)間、費(fèi)率和地址等參數(shù)；信號(hào)顯示通過(guò) LCD實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、“三表”數(shù)據(jù)等；鍵盤處理是按預(yù)定鍵值對(duì) ADE7751的相關(guān)引腳進(jìn)行配置，設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，完成時(shí)間的校正、查詢及顯示等功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 “三表”計(jì)量系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of the measurement of“three”

3.2 上位管理PC機(jī)人機(jī)接口軟件

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是采用SQL server 2000，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所有的用戶資料數(shù)據(jù)、“三表”運(yùn)行數(shù)據(jù)和各個(gè)監(jiān)控終端的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)服務(wù)中心和操作終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。操作終端通過(guò)局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)中心連接，完成開戶、傳遞參數(shù)、充值、監(jiān)測(cè)、控制、查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等各種操作；遠(yuǎn)程操作終端通過(guò)GPRS模塊與數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是將非電量檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息安全技術(shù)和軟件技術(shù)融于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，應(yīng)用且獨(dú)立于水、電、煤氣主干網(wǎng)上計(jì)量器具計(jì)量數(shù)據(jù)信息的提取和數(shù)據(jù)管理，提高了該行業(yè)的信息化管理水平，改變水、電、煤氣的管理現(xiàn)狀；解決目前抄表難度大、勞動(dòng)強(qiáng)度高等問(wèn)題，特別是解決管理系統(tǒng)中一直難以解決的高可靠性、高準(zhǔn)確性和低功耗問(wèn)題。通過(guò)擴(kuò)展煤氣泄漏監(jiān)控報(bào)警、水電煤氣故障緊急求助等涉及家庭安全方面的功能來(lái)全方位的滿足居民的實(shí)際需求。

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