原创 基于嵌入式系统的网络化自动抄表系统

1 引言

目前，全球都处于能源紧缺的状态，节约能源对于中国的可持续发展具有非常重要的意义。国务院令2003年9月1日提出，供水、电、气、热单位要抄表到户，实现抄表到户是必然趋势。同时电力、自来水、煤气、热力以及物业管理等部门出于对数据统计及收费管理的需要，也迫切要求对传统的人工上门抄表方式进行变革。

传统的抄表（水、电、气、热）需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据,结算出费用后,再到各家索取,这样的抄表方式误差大、工作量大,既不方便又不安全。将计算机技术、网络技术和微电子技术的最新研究成果应用于抄表系统，不需要人员到达现场就能完成数据自动采集、定时发送和实时监控,节省了时间、人力、物力,提高了工作效率。同时,实时的用户使用数据,有利于管理部门实现能源的监控管理,提高使用效益,是将来实现能源配送自动化的基础,并有助于提高管理部门管理现代化水平。

2系统结构和总体方案设计

目前我国已建成的小区基本上都采用的是一户一表制，这就决定了抄表系统具有如下主要特点：系统数据采集点多,数据量大,具有分散性；系统是一个覆盖面很广的通信网络。本文针对以上特点，采用分布式体系结构设计网络化自动抄表系统。图1为自动抄表系统总体结构，系统下层由用户计量仪表、智能数据采集器、监控中心和通信信道构成。基于嵌入式系统的智能数据采集器，用于数据采集和住户耗能设备的控制。监控中心实现对用户仪表的使用的监控、计量和计费，形成数据文件并定期以短信或邮件形式向用户发送缴费通知。本系统的通信信道主要包括监控中心与智能数据采集器之间的通信信道和智能数据采集器与用户计量仪表之间的通信信道。下层（智能数据采集器与用户计量仪表之间）采用短程无线通讯方式；上层（监控中心与智能数据采集器之间）采用GPRS无线通信方式。





3智能数据采集器设计

本系统基于嵌入式系统设计智能数据采集器，该数据采集器作为整个系统的核心起到桥梁作用。智能数据采集器采用SUMSUNG公司的S3C44B0X芯片作为硬件的核心，并配以简洁的外围电路实现“四表合一”的数据采集及住户耗能表设备的控制功能，即：①通过篮牙通讯模块与各计量仪表进行无线通信。采集调理过的脉冲输入信号和电流、电压模拟输入信号，整理保存仪表数据等待抄送。②数据采集器将数据打成IP包，再通过GPRS接口接入GPRS网络，将数据传送到监控中心。③接收来自监控中心的控制信号，同时通过各种传感器监视房间内是否有煤气泄漏、火灾或长时间家中无人等情况，当出现用户欠费或异常等情况时控制用户耗能设备关断。

基于嵌入式系统的智能数据采集器的硬件构成主要包括：中央处理单元、数据采集存储模块、无线通信模块、各类传感器监测单元、耗能设备控制模块和状态显示部分。智能数据采集器的外围电路与S3C44B0X芯片的连接方法如图2所示。

3.1数据采集存储模块

在综合考虑了产品性价比的基础上，本系统选取三星公司的 32 位微处理器S3C44B0X芯片。选择一片AMD公司的FLASH芯片 AM29V160作为数据存储部件，设定其地址从0x0000,0000到0x001f,ffff。扇区（sector）分布为：工作在双字节模式下，共36个扇区，除前8个扇区的大小为8KB外，剩余扇区的大小均为64KB。在数据采集器中要运行一个小型操作系统，因而比一般的单片机系统对内存的要求要高。本系统选用HYUNDAI公司的HY57V641620的SDRAM,容量16ⅹ4Mbit，数据宽度共8MB。设定其地址从0x0c00,0000到0x0c7f,ffff。只需要设置S3C44B0X的两个寄存器（BWSCON和BANKCON6）就可使其正常工作。  

S3C44B0X内部集成了一个10位CMOS数模转换器ADC，它包括一个8通道的模拟输入、自动过零比较器、时钟发生器、10位连续近似寄存器（SAR）和输出寄存器，并提供软件选择的运行模式。本系统充分利用 S3C44B0X片内所带ADC与仪表前端互感器的输出端相连，将采集到的标准模拟信号引入成为系统最重要的输入部分，为系统数据分析和传送的信息来源。需要注意的是，这个片内ADC并没有采样/保持电路，因此输入信号频率的范围规定在0-100HZ之间。如果实在需要采集更高频率的输入信号时，则可在外部增加一个采样/保持电路。

3.2无线通讯模块  

在智能数据采集器与用户计量仪表之间通过短程无线通讯方式进行数据传输，系统采用Nordic公司的收发芯片 nRf401。nRf401是工作在433MHZISM频段的单片UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术，最高工作速度可达20kbps，发射功率可调，最大为+10dBm.天线接口设计为差分天线，便于使用低成本的PCB天线。该芯片具有待机模式，可以更省电和高效。nRf401通过串口直接与S3C44B0X连接，其电路原理如图3所示。



图3  nRf401电路原理图

监控中心与智能数据采集器之间采用GPRS无线通信方式。考虑性价比，选用SIEMENS公司的TC45模块。TC45模块是一款基于GSM/GPRS引擎的无线通信模块。可工作于900MHz和1800MHz两种频率。带有九个通用接口、两个串口以及语音模块。该模块内嵌TCP/TP 协议，通过J2ME平台，用户可以直接对TC45模块进行软件开发。TC45通信模块硬件组成见图4。



图4  TC45通信模块硬件组成框图



图5  系统软件功能框图

3.3各类传感器监测单元   

采用等离子感烟探测器火灾信号, 采用一氧化碳探测器监测煤气泄露信号,采用红外探测器监测房间是否有人。将各类传感器监测信号通过S3C44B0X的通过无线传输方式送入智能数据采集终端,作为控制耗能设备的依据。

3.4 耗能设备控制模块   

通过S3C44B0X的通用I/O端口分别接水、电、气、热控制设备.根据住户交费情况和是否有意外发生.控制相应设备的通断.实现家庭能源自动管理.尤其是室内长时间无人时停水停电进行节能控制。

4 系统管理软件功能

该系统中，以 DELPHI为工具开发管理软件，通过无线通讯网络对仪表进行数据采集和参数设置，并将得到的数据进行处理和分析以对仪表进行检测和控制。

系统中管理计算机与数据采集器之间为一主多从的通信结构,管理计算机可与每个数据采集器通信。系统采用多点轮询的通信方式,即管理计算机按数据采集器地址呼叫, 数据采集器接收后,把按照通信规约存储的数据上传到管理计算机。系统软件功能框图如图5所示。系统管理软件主要由远程自动抄表、数据库管理、用户查询、联网收费、远程监控、缴费通知和报表打印等部分组成。

5 结论

本文所设计的网络化自动抄表系统，采用蓝牙短程无线通信技术、GPRS无线通讯技术和嵌入式系统等先进技术。该系统通过无线通讯网络实现数据信息的传输，具有无需布线、工作量小、传输数据量大、准确性高、通信费用低等特点，具有广泛的应用前景并能创造很高的社会效益和经济效益。

来源：

http://www.chuandong.com/publish/tech/thesis/2008/1/thesis_0_43_1984.html