基于STM32的智能抄表采集系統(tǒng)設(shè)計

葉碩

(武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000)

佘新平

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

智能抄表采集是指通過嵌入式技術(shù)、無線通訊以及計算機(jī)，對用戶電能使用信息進(jìn)行采集處理的過程。隨著通信技術(shù)、微處理器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的共同發(fā)展[1]，智能電網(wǎng)的建設(shè)克服了傳統(tǒng)抄表對人力資源造成浪費的缺陷，有效降低了抄表的成本，并提高了電表信息采集的準(zhǔn)確性。筆者設(shè)計了一種基于STM32處理器、運(yùn)用循環(huán)冗余校驗手段的智能抄表采集系統(tǒng)，旨在方便用電管理部門對用電信息的采集，提高工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 智能抄表采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能抄表采集系統(tǒng)(采集器)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采集系統(tǒng)以STM32處理器為核心，RS485通信模塊和紅外發(fā)射模塊為主要結(jié)構(gòu)，使用液晶屏和LED指示燈顯示采集信息和狀態(tài)。電能表通過RS485通信模塊與處理器相連，將表征著用戶用電狀況的信息發(fā)送給STM32處理器；電表信息經(jīng)過STM32處理后，再通過紅外通信模塊發(fā)送給上位機(jī)做進(jìn)一步分析；同時，液晶屏顯示當(dāng)前采集到的用電數(shù)據(jù)，指示燈提示采集是否成功。上位機(jī)為基于MCU(微控制單元，Microcontroller Unit)組成的控制系統(tǒng)，具有對紅外上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析篩選的能力。

目前市面上STM32處理器主要存在F4、F1兩種型號[1]。相比STM32F1，STM32F4運(yùn)算速度更快、功能更為完善。該系統(tǒng)在算法上對速度有一定要求，且為考慮到以后升級擴(kuò)展，故選用STM32F4作為處理器。

RS232與RS485是2種常用的有線數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)。與RS232相比，RS485接口電平降低且兼容于TTL電平，即使在無法確保斷電的情況下插拔，也能降低對接口電路芯片的損壞概率。其數(shù)據(jù)傳輸采用差分信號負(fù)邏輯，因而能有效抑制共模干擾，保證傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。此外，RS485在近距離時速率可達(dá)到35Mbps，并支持遠(yuǎn)距離傳輸，還可以通過多種校驗的手段進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，適合作為智能抄表采集系統(tǒng)的底層通信方式。

圖2 MAX3485芯片與DB9連接電路

MAX3485是一種差分信號到電平信號轉(zhuǎn)換的芯片，適用于半雙工通信，其通信電壓3.3V，可實現(xiàn)最高10Mbps的傳輸速率。該系統(tǒng)設(shè)計選用該芯片(見圖2)，MAX3485芯片A、B引腳與DB9的2、3腳相連，將接收到的差分信號轉(zhuǎn)換為電平信號后，傳送至STM32的USART1中，通過算法完成對采集數(shù)據(jù)的處理。

紅外通信主要通過數(shù)據(jù)電脈沖與紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)，可用來取代點對點的線纜連接[2]。紅外線接收頭CHQ1838D具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能實現(xiàn)寬角度、長距離接收，且能正常工作于2.7V的低電壓條件，因此系統(tǒng)紅外模塊的設(shè)計選用其作為接收裝置。

采集器在整個抄表系統(tǒng)中承擔(dān)中轉(zhuǎn)作用，對電能表而言，采集器將表中表征著用戶電能使用情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；對上位機(jī)而言，采集器給整個智能電網(wǎng)系統(tǒng)提供基本用電數(shù)據(jù)。因此，采集系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性就顯得很重要，為保證數(shù)據(jù)的可靠，必須對所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(CRC)。

2 CRC校驗原理

數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性往往不可兼得，采用信道編碼的方式可以有效解決二者之間的矛盾。信道編碼又稱差錯控制編碼，其常用的方法包括前向糾錯方式(FEC)、混合糾錯(HEC)方式以及循環(huán)冗余校驗(CRC)方式。其中，前2種方式都有各自的缺陷[3]，適用場合受局限，而循環(huán)冗余校驗(CRC)方式，不僅編碼、解碼方式簡單，在不增加過多冗余位的條件下，也能保持較低的誤判率，因此，CRC校驗方式被廣泛應(yīng)用。

循環(huán)冗余校驗原理如下：將待傳送的k位碼序列視為多項M(x)式的系數(shù)，則M(x)的最高次冪為k-1次冪，選擇最高次冪為r的多項式G(x)作為生成多項式，則由：

生成多項式G(x)應(yīng)滿足3個要求：任何一位發(fā)生錯誤都應(yīng)使余數(shù)不為0；不同位發(fā)生錯誤時應(yīng)當(dāng)使余數(shù)不同；余數(shù)應(yīng)滿足循環(huán)規(guī)律[4]。幾種典型的生成多項式如表1所示。

表1 幾種典型的生成多項式

圖3 CRC-16編碼發(fā)送流程圖

CRC校驗可以檢測出所有奇數(shù)個隨機(jī)錯誤和長度不超過多項式G(x)最高階的突發(fā)錯誤[4]，但若出現(xiàn)錯誤碼元恰好能被多項式G(x)整除的情況，則CRC校驗無法發(fā)揮作用，但通過增加CRC的生成多項式G(x)的階數(shù)，使余式R(x)位數(shù)增加，可有效降低誤判概率。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 CRC-16編碼計算模塊

CRC-16校驗算法分為查表法和計算法2種，其中查表法節(jié)省了CPU運(yùn)算時間，因此具有更高的運(yùn)算速度；而計算法嚴(yán)格遵照CRC校驗原理進(jìn)行運(yùn)算，因此代碼相對較少，具有靈活的移植性。設(shè)計之初筆者考慮了處理器的運(yùn)算速度，因此采用計算法。

CRC-16校驗碼計算方法是將16位的CRC寄存器所有位全部賦值為1(1111 1111 1111 1111，化為十六進(jìn)制為0xFFFF)，取發(fā)送數(shù)據(jù)的一個字節(jié)，與CRC寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，再將CRC寄存器的內(nèi)容右移一位，用0填補(bǔ)最高位，并檢查右移后的移出位：若移除數(shù)據(jù)為1，則將當(dāng)前CRC寄存器的數(shù)據(jù)與多項式0xA001(1010 0000 0000 0001)進(jìn)行異或；若移除數(shù)據(jù)為0，則CRC寄存器的內(nèi)容繼續(xù)右移一位，用0填補(bǔ)最高位，并檢查右移后的移出位。

重復(fù)上述步驟直至右移8次完成，這樣整個8位數(shù)據(jù)全部進(jìn)行了處理；將發(fā)送所有字節(jié)數(shù)據(jù)都按上述步驟計算完成后，得到的16位CRC寄存器的檢驗碼；追加在發(fā)送數(shù)據(jù)后，構(gòu)成循環(huán)冗余校驗。CRC-16編碼發(fā)送流程圖如圖3所示，對應(yīng)的校驗程序如下：

unsigned short CRC_CHECK(unsigned char *USART_RX_BUF, unsigned char size)

{

unsigned short CRC_Temp;

unsigned char i,j;

CRC_Temp = 0xffff;

for (i=0;i

{

CRC_Temp^= USART_RX_BUF[i];

//取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算

for (j=0;j<8;j++)

{

if (CRC_Temp & 0x01)

//移除數(shù)據(jù)為1，則與0xA001進(jìn)行異或

CRC_Temp = (CRC_Temp ?1 ) ^ 0xa001;

else //移除數(shù)據(jù)為0，寄存器內(nèi)容右移0補(bǔ)最高位

CRC_Temp = CRC_Temp ?1;

}

}

return(CRC_Temp);

}

圖4 CRC-16解碼流程圖

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)射程序框圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)將電表中的信息采集到STM32中，如果數(shù)據(jù)采集無誤，則閃爍綠燈2s用于提示采集成功。如果數(shù)據(jù)采集失敗，則持續(xù)閃爍紅燈，提示數(shù)據(jù)重新采集。

由于CRC編碼采用模2除法，因此每一位除或減的結(jié)果不影響其他位，這意味著運(yùn)算中不會向高位借位，因此本質(zhì)上等同于異或運(yùn)算[5]，所以在解碼過程中，將接收信息碼M(x)·xr+R(x)與事先選定的G(x)相除，若恰好整除，則視為傳輸無誤。

實際操作中，將CRC編碼發(fā)送的校驗位數(shù)據(jù)單獨存儲，取接收的信息位進(jìn)行CRC編碼，對比校驗位，若兩者一致，則認(rèn)為發(fā)送信息傳輸無誤，若不正確，則舍棄改組數(shù)據(jù)，并通過指示燈提示數(shù)據(jù)重新采集。CRC-16解碼流程如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊

數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將STM32中的信息整理后通過紅外通信的方式發(fā)送給上位機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)送過程中閃爍綠色指示燈。

紅外收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式，要求前2個字節(jié)為發(fā)送指令位：第1個字節(jié)為地址控制位，規(guī)定發(fā)射地址，其中A1為默認(rèn)地址；第2個字節(jié)為操作控制位，用于修改發(fā)射狀態(tài)，具有F1、F2、F3三種設(shè)置，分別對應(yīng)紅外發(fā)射狀態(tài)、修改串口通信地址狀態(tài)、修改波特率狀態(tài)；后3個字節(jié)為用戶自定義的發(fā)送信息，由于規(guī)定一次必須發(fā)送5個字節(jié)，因此，通過如圖5所示的算法將數(shù)據(jù)完整地傳給上位機(jī)。

發(fā)送中，將前兩位字符設(shè)置為A1、F1，因此發(fā)射程序算法如下：首先將所得數(shù)據(jù)分為3個字節(jié)一組，不足3個字節(jié)則補(bǔ)充添加特定字符FF。然后開辟新數(shù)組，并定義其前2個字節(jié)為所需的發(fā)送指令A(yù)1、F1，再將分組后的電表信息數(shù)據(jù)循環(huán)寫入并發(fā)送。

4 測試分析

試驗?zāi)M測試完整的數(shù)據(jù)采集過程，通過RS485對電表數(shù)據(jù)進(jìn)行抄收，再經(jīng)由紅外通信對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

首先完成抄收數(shù)據(jù)的檢查，將紅外模塊即將發(fā)送的數(shù)據(jù)打印到串口進(jìn)行對比，驗證CRC編碼程序與數(shù)據(jù)發(fā)送程序是否正確。測試結(jié)果如圖6所示。然后數(shù)據(jù)通過紅外模塊發(fā)送，上位機(jī)將接收的數(shù)據(jù)打印到串口，對比發(fā)送數(shù)據(jù)，驗證系統(tǒng)的功能能否實現(xiàn)。測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 自檢發(fā)送測試結(jié)果

圖7 紅外收發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)果

在晴朗天氣情況下于室外測試系統(tǒng)，并對不同距離條件下數(shù)據(jù)發(fā)送情況進(jìn)行匯總，試驗結(jié)果如表2所示。從試驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的通信在短距離內(nèi)較為可靠。

上位機(jī)需要接收來自各個采集器的電表數(shù)據(jù)，若使用硬件插拔方式進(jìn)行通信，上位機(jī)的使用壽命將因硬件磨損而縮短，設(shè)計紅外收發(fā)的目的在于克服這一問題，當(dāng)前的紅外收發(fā)距離，已經(jīng)可以較好勝任通信工作。

表2 數(shù)據(jù)抄收記錄

5 結(jié)語

智能抄表技術(shù)在我國經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)具有了一定規(guī)模，但智能電網(wǎng)的完善仍有很長的路要走，需要在以綠色節(jié)能為目標(biāo)的驅(qū)動下，完成配電網(wǎng)的更新?lián)Q代、輸電站的進(jìn)一步自動化等，提高電網(wǎng)整體的安全性與高效性。同時，這項惠及民生的工程，還需要在制度上、管理上做到同步的發(fā)展。

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