無線攝像式智能抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)＊

吳衛(wèi)軍，瑚 琦，鄭 遂，張祥安

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

自動抄表技術的發(fā)展經歷了多個階段，目前常用的自動抄表系統(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量終端和距離較近的場所，常見的有公用電話網、有線電視網、RS485雙絞線和電力線載波；無線傳輸抄表方式應用比較靈活，常用的有車載自動抄表系統(tǒng)和GSM／GPRS抄表系統(tǒng)。

目前，在智能電網的改造和建設過程中，常用的辦法是用智能一體化電表直接替換原來的電網設備。這種方式不僅資金投入量大，而且浪費資源。為此，現(xiàn)設計了無線攝像式智能抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需在現(xiàn)有網絡基礎上，安裝簡單的具有圖像處理和識別能力的抄表終端，就能實現(xiàn)無線智能抄表，尤其適合在廣大的農村地區(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)據處理中繼器［4－5］、數(shù)據集中器［6－7］和控制中心服務器構成。首先抄表器對電能表計數(shù)表頭拍照，然后通過SI4432無線模塊把圖像數(shù)據傳輸給中繼器，如果數(shù)據接收無誤，中繼器再把圖像數(shù)據通過ZigBee轉發(fā)給數(shù)據集中器，數(shù)據集中器對接收到的圖像數(shù)據進行數(shù)字識別后再通過GPRS把識別出的電能表讀數(shù)發(fā)給控制中心，從而完成遠程無線抄表。

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)的硬件結構

如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要由無線攝像式抄表器、數(shù)據處理中繼器、數(shù)據集中器和控制中心服務器4個部分組成。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)據傳輸距離和驗證數(shù)據的完整性；集中器主要用來處理圖像數(shù)據和管理下級節(jié)點；控制中心是整個系統(tǒng)的核心終端，用來控制系統(tǒng)和收集用戶數(shù)據。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)據處理能力和相關的外設接口。MSP430F447有著強大的數(shù)據處理能力和超低功耗的特點，自帶32k的FLASH和1k的RAM，有I2C，UART等豐富的外設接口，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，主芯片通過標準的SCCB總線來配置其寄存器，通過FIFO芯片來存儲圖像數(shù)據。在系統(tǒng)中為了降低無線傳輸?shù)臄?shù)據量，微處理器通過SCCB總線配置其輸出黑白圖像數(shù)據；SI4432是Silicon Labs生產的一款遠距離無線芯片，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)射功率設置為最大；AL422B是一款容量為393216字節(jié)的FIFO存儲芯片，其所有的尋址，刷新等操作都是在芯片內部的控制系統(tǒng)內完成的，具有獨立的讀寫操作能力。

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，攝像頭正對電能表的讀數(shù)區(qū)域。當抄表器定時喚醒后，LED被點亮，CMOS開始拍照，拍照后的數(shù)據先通過8位數(shù)據總線存儲在FIFO芯片中，然后MSP430通過8位數(shù)據總線從FIFO芯片中讀取數(shù)據。當一幀圖像采集完成后，關閉LED和CMOS，同時將數(shù)據通過SI4432無線模塊發(fā)送給中繼器，一次采集完成后抄表器進入休眠狀態(tài)，直到下次定時喚醒。由于SI4432無線模塊的傳輸距離有限，因此實際安裝時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)據傳輸距離和驗證數(shù)據的完整性，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采用意法半導體公司生產的STM32F103ZET6處理器，它基于ARM的Cortex－M3內核，最高工作頻率可達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存儲器，內部集成了RTC，多種外設接口模式以及DMA控制器等；SRAM選擇256×16kB容量大小的存儲器，以保證圖像數(shù)據的完全存儲；SI4432無線傳輸模塊支持遠距離通信，ZigBee無線模塊具有自動組網功能，且工作在2.4GHz的開放頻帶。

中繼器的工作原理是：當接收到抄表器的請求指令后，主芯片控制SI4432開始接收圖像數(shù)據，并將圖像數(shù)據保存在外接SRAM存儲器中，當驗證圖像數(shù)據完整無誤后再把數(shù)據通過ZigBee轉發(fā)給集中器處理，中繼器是太陽能和蓄電池供電，故可以長時間連續(xù)工作而不用維護。

2.3 數(shù)據集中器

集中器主要用來處理圖像數(shù)據和管理下級節(jié)點，硬件結構框圖如圖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存儲器，以保證足夠的存儲空間和處理速度；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，只需內置SIM卡即可實現(xiàn)遠距離數(shù)據傳輸；電源由220V轉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求后，按照分配的地址順序，接收并判斷各個終端的圖像數(shù)據并在內部進行圖像處理，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)據采集；另外控制中心也可以通過給GPRS指令來控制下級節(jié)點，大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

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

2.4 控制中心

控制中心是一臺有獨立外網IP地址的服務器，GPRS把數(shù)據上傳至網絡后，服務器聯(lián)網后即可接收集中器通過GPRS發(fā)送過來的數(shù)據，同時還能給其發(fā)送指令來控制整個系統(tǒng)的運行，在控制中心可以實時地查看智能電網區(qū)域內的用戶電表讀數(shù)。

3 無線攝像抄表系統(tǒng)的數(shù)據處理流程

在無線抄表系統(tǒng)中，1個控制中心理論上可以控制上萬個采集器，不過在實際工作中，為了充分考慮采集時間，現(xiàn)設定的閾值是1個控制器最多控制500個采集器。由于采集器數(shù)量比較多，因此在軟件設計時需充分考慮數(shù)據傳輸協(xié)議，以此來保證數(shù)據的完整性和準確性。采集器是數(shù)據最原始的來源，是系統(tǒng)與用戶的橋梁，它的設計決定著系統(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)點之間的橋梁，配有高性能的ARM內核處理器，它把抄表器傳輸過來的圖片進行處理得到電能表的數(shù)值。集中器的軟件設計決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，其數(shù)據處理流程如圖5所示。

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

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

4 結束語

無線攝像抄表系統(tǒng)安裝簡單、維護成本低，用戶無需更換已有的常規(guī)電度表，系統(tǒng)通過自動定時攝像得到電能表讀數(shù)區(qū)的圖片信息，進行圖像數(shù)字識別后將數(shù)據傳送到控制中心，從而完成遠程自動抄表，在廣大農村電網改造過程中，具有很好的推廣價值。

［1］ 陳擁軍，姜 憲.農村電力需求評價和電網規(guī)劃［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2］ 王義輝，陸豐勤，陳慶偉.現(xiàn)代電能質量監(jiān)測裝置的數(shù)據采集系統(tǒng)設計［J］.淮陰工學院學報，2006，15（5）：51－54.

［3］ 張 岐.基于 MSP430的遠程無線監(jiān)控模塊設計［J］.牡丹江大學學報，2007，16（6）：110－111.

［4］ 謝慧鵬，王建明，張晶晶.基于ZigBee技術的低功耗無線抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.北京師范大學學報（自然科學版），2008，44（2）：174－176.

［5］ 任秀麗.ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術的研究［J］.計算機工程與應用，2007，43（6）：143－144.

［6］ 韓曉萍，邵宏強，李佰國.GPRS技術在電力遠程抄表系統(tǒng)中的應用［J］.電子測量與儀器學報，2005，19（4）：81－84.

［7］ 栗玉霞，徐建政，劉愛兵.GPRS技術在自動抄表系統(tǒng)中的應用［J］.電力自動化設備，2003，23（12）：52－54.