（控制理论与控制工程专业论文）无线智能抄表系统的集中器研究和开发.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的发展、人民生活水平的提高和房地产业的迅速发展， 居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、物业管理水平、数 字信息化水平的要求也日益提高。对供水、供电、供气部门和用户来说， 传统的人工抄表方式己远不能满足当今社会需求。这种落后的方式，消 耗大量的入力、物力，给居民和供应部门带来极大的不便，因此圈内很 多城镇逐步出现了以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄 表。 自动抄表系统集电子技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术 及计量技术于一体，具有抄表速度快、计算精度高、抄收方便等突出的 优点。目前市场上涌现了各种各样的抄表系统，但是都无法满足真正意 义上的自动抄表的需求。基于综合考虑，本文提出了一种理想的无线智 能抄表系统，下层采用i s m 频道的无线通信方式，上层采用g p r s 无线 通信方式。由于本论文研究的是无线智能抄表系统的集中器部分，这里 分别从硬件和软件阐述了其实现过程。 论文第一章从总体上介绍了自动抄表系统的现状及主要方式，进而 提出了本课题的无线智能抄表方案，这里针对水表。第二章在简要介绍 整个系统原理和结构的基础上，分析了集中器的结构功能和实现机制， 这也是本论文的研究重点。第三章详细介绍了集中器整个硬件电路的没 计及具体实现，包括m c u 控制电路、n r f 通信电路、g p r s 无线通信电 路、存储器电路、r s 2 3 2 串口电路等。第四章重点解决了n r f 9 0 3 下层无 线通信的实现过程，从物理层、数据链路层和应用层分别用软件的方法 来实现，其中通信协议的设计也是至关重要的。第五章则介绍了上层 g p r s 无线通信的原理及实现过程，研究了p p p 链路层、i p 网络层、u d p 传输层的软件实现方法，并重点提出了自己设计的应用层通信协议。第 六章主要针对在软硬件开发调试过程中出现的一些问题进行分析，进而 提出相应的解决方法。最后对全文进行总结，并提出展望。 关键词：自动抄表系统；无线通信：n r f ：g p r s ；通信协议 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p sa n dt h ec o u n t r y sl i v i n gs t a n d a r d b e c o m es h i g h e r ，t h e r e a le s t a t e i n d u s t r yd e v e l o p sr a p i d l y w i t h t h e d e v e l o p m e n to ft h eq u a l i t ya n dc l a s so ft h e i rh o u s e s ，t h er e s i d e n t sh o l d h i g h e rr e q u i r e m e n to fh o u s e s i n a s p e c t so fe n v i r o n m e n t ，s a f e t yc o n t r 0 1 s e r v i c eo ft h ee s t a t ea n dl e v e lo fn u m e r a lc o m m u n i c a t i o n t ot h er e s i d e n t s a sw e l la st ot h ed e p a r t m e n t sw h i c hp r o v i d ew a t e r ，e l e c t r i c i t ya n dg a s ，t h e t r a d i t i o n a lw a yo fm e t e rr e a d i n gb yh a n d sc a nn ol o n g e rm e e tt h e i rd e m a n d s b e c a u s et h et r a d i t i o n a lw a yi sab e h i n d h a n dw a yw h i c hc o s t sal o to fw o r k a n dm o n e y ，t h et r a d i t i o n a lm e t e rr e a d i n ga r es u b s t i t u t eb yt h ea u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e mo fc o m p u t e r b a s e dg r a d u a l l yi np l e n t yo ft o w n s t h ea m r sc o m b i n e se l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a t e d t e c h n o l o g y ，a u t o m a t i ct e c h n o l o g ya n dm e t r i ct e c h n o l o g y t o g e t h e r i th a v eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e sl i k e f a s ti nr e a d i n g ，a c c u r a t e l yi n c o m p u t i n g ，a n dc o n v e n i e n t l yi nr e a d i n g t h ev a r i o u sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ， w h i c hs w a r mi n t om a r k e ta tp r e s e n t ，a c t u a l l yc a nn o ts a r i s f yt h ed e m a n do f a m r s b a s e do n ai n t e g r a t ec o n s i d e r a t i o n ，t h i sa r t i c l eb r i n gf o r w a r da n i d e a li n t e l l e c t u a l i z e dm e t e rr e a d i u gs y s t e m ，w h i c ha d o p t4 3 3 m h zc h a n n e l w i r e l e s s ，a n dg p r si nc h i n am o b i l e a st h i sa r t i c l es t u d i e so nc e n t r a l i z e d c o n t r o l l e ri na m r s ，i te x p a t i a t es e p a r a t e l yh o wi tr e a l i z e sb ys o f t w a r ea n d h a r d w a r e t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e si naw h o l ea b o u tp r e s e n ts i t u a t i o na n d m a i nm a n n e r so fa m r s ，a n dt h e n b r i n gf o r w a r dap r o j e c to fw i r e l e s s i n t e l l i g e n tm e t e rr e a d i n g ，a i m i n ga tt h ew a t e rm e t e r t h es e c o n dc h a p t e r ， b a s i n go ni n t r o d u c i n gt h ew h o l es y s t e mp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e s ，a n a l y s e s i t ss t r u c t u r ef u n c t i o na n dr e a l i z e dw a y ，w h i c hi sa l s ot h ek e yr e s e a r c ho f t h i sa r t i c l e t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e si nd e t a i l sa b o u td e s i g na n dr e a l i z e h a r d w a r ec i r c u i to fc e n t r a l i z e dc o n t r o l l e r ，i n c l u d i n gm c uc o n t r o l l e dc ir c u i t ， n r fc o m m u n i c a t e dc i r c u i t ，g p r sc o m m u n i c a t e dc i r c u i t ，m e m o r i z e r ，r s 2 3 2 i i a b s t r a c t c i r c u i t ，a n de t c t h ef o u r t hc h a p t e rm a i n l ys o l v et h ep r o b l e mo fr e a l i z a t i o n p r o c e s so fn r f 9 0 3w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t os a ye x a c t l y ，i ti n t r o d u c e s s e p a r a t e l ya b o u tt h ed e t a i l so ft h er e a l i z a t i o np r o c e s sb yu s i n gs o f t w a r ei n p h y s i c a ll a y e r ，d a t al i n kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r ，a m o n gw h i c ht h e d e s i g n o fc o m m u n i c a t e d p r o t o c o l i s q u i t e c r u c i a l t h ef i f t h c h a p t e r i n t r o d u c e sa b o u tt h ep r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o np r o c e s so fg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i tm a i n l ys t u d yo nt h er e a l i z a t i o np r o c e s so fd i f f e r e n tl a y e r i n c l u d i n gp p pl i n kp r o t o c o l ，i pn e t w o r kp r o t o c o l ，a n du d pt r a n s m i t t e d p r o t o c 0 1 t h e ni tb r i n gf o r w a r di nd e t a i l st h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l d e s i g n e db ym y s e l f t h es i x t hc h a p t e rm a i n l ya i m sa ta n a l y z i n gt h e p r o b l e m sw h i c ha p p e a r si n t h ep r o c e s so f d e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n g s o f t w a r ea sw e l la sh a r d w a r e ，a n dt h e np u tf o r w a r dr e s o l v e n ta c c o r d i n g l y t h el a s tp a r to ft h ea r t i c l em a k e sac o n c l u s i o no ft h ew h o l ea r t i c l ea n d b r i n g sf o r w a r dt h ee x p e c t a t i o n s k e y w o r d s ：m r s ， w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，b l u e - t o o t h ，g p r s ， c o m m u n i c a t e dp r o t o c o l 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：哺辗库日期：西年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 磁籀康 舄 日期：，对年r 月1 日 e l 期：厶卯阵g 月7 曰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 目前，我国城乡居民用户抄水表的方式基本上都是人工抄表，即由 抄表人员每月逐户查抄水表。这种传统的方式给管理部门和用户带来极 大的不便，误差大、时效性差、统计计算工作量大、带有人为随意性， 消耗了大量的人力、物力和财力。而且，随着人民生活水平的提高和住 宅商品化的发展，居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、 物业管理水平的要求也日益提高。对供水、供电、供气部门和用户来说， 抄表收费难也成了水、电、气部门经营管理上的问题，同时也是物业管 理部门面临的一个较为迫切的难题。现代化高档住宅小区，如何合理解 决楼内的水、电、煤气的收费是一个十分重要的问题。顺应大楼智能化 的建设，实现三表( 水、电、煤气) 自动计费，减少人为行动而带来的 一系列误差，从而达到计量准确、节约管理费用，已成为新型智能住宅 小区的特点之一。因此国内很多城镇逐步出现了以计算机为基础的自动 抄表系统取代传统的人工抄表。 自动抄表系统，简称a m r s ( a u t o m a t icm e te rr e a d i n gs y s te m ) ， 是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户用水量的智能化管理系 统。它集计算机技术、通信技术、用水及计量技术于一体，具有抄收速 度侠，计算精度商，抄表同时性好，可直接与营业厅联网等突出的优点。 近年来，这一技术在国内外应运而生，而且发展非常迅速。它的晟终目 的是：自动、集中、定时地抄录各用户的用水量，这对于提高水力部门 的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义：第一，进一步提高物 业管理水平，加快用户水、电、煤气费用的回收速度，使业主的各种表 汁得到有效的管理和控制；第二，可以缓解抄表人员的劳动强度，解决 了人工抄表不准确、不及时、费用高、不可控制的缺点，并能迅速统计 用户每个月的用水情况；第三，使物业管理智能化、信息化，远程抄表 系统能够有机地与监控系统等物业管理信息系统相结合；第四，解决了 业主不希望抄表人员经常上门抄表打扰的问题，这一点也给业主购房增 加了吸引力：第五，可以降低用水成本，同时对于加强用水管理、防止 国家水力资源的大量流失等都具有积极的意义。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 智能抄表系统的现状 在国外，如美国、加拿大、欧洲和同本等一些发达国家，许多地区 都广泛采用了自动抄表系统代替原来的煤气表、水表、电表的人工抄表。 尤其在美国，自动抄表的技术和设备已经形成了一种新兴的行业，有十 几家著名的厂商组成了行业协会，即“自动读表协会”，旨在进一步发 展和推广a m r s 技术。 据美国水电世界1 9 9 4 年1 0 月号摘要：在1 9 9 4 年初，北美地区 装设了3 1 4 0 6 3 块具有自动抄表功能的电能表，其中g e o r g i a 公司在1 9 9 3 年内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电自动抄表单元；b o s t o n e d is 0 n 公司 已经装设了1 7 0 0 0 个固定式和车载无线自动抄表单元；加拿大的q u e b e c 水电局也已经安装了6 4 0 0 0 个自动抄表单元。 我国远程自动抄表系统的起步比较晚，2 0 世纪8 0 年代才开始研究这 一课题。近年来，随着国家“康居工程”的推广，智能化小区的建设， 三表自动抄表系统已逐渐普及，并形成了多种自动化抄表方式并存的格 局。但由于种种因素，绝大多数自动抄表系统却都未能良好运行，投了 自动抄表系统的钱却仍用人工抄表的现象较为普遍。如果这种情况不能 得到有效改变，自动抄表行业必将受到严重影响，其负面影响将波及到 房地产行业、自来水等专业公司、智能化产业以及广大居民的日常生活。 我国的水表计量方式采取的是一户一表制，这就决定了抄表系统主 要具有如下两个特点：其一，系统数据采集点多，成千上万，数据量大； 其二，系统是一个覆盖面很广的通信网络( 采集点具有分散性) 。 1 ，3 现有自动抄表系统的结构及特点 一一般自动化程度高的、主站设置在行业主管单位的远程集抄系统， 都需要二级传输。因此，目前抄表系统一般都分为两层结构：上层( 计 算机中心与集中器之间) ，数据采集通常采用电话线m o d e m 、g s m 短消息、 g s m 数据通信、以太局域网、g p r si p 永远在线等集抄方式；下层( 集中 器与智能水表之间) ，数据采集通常采用4 8 5 总线、仪表总线、低压电 力线载波等传输方式。由于使用环境、传输技术以及经济性等因素，有 些集抄方式实践证明行不通或难以大规模推广，下面具体来介绍各种传 输方式的优缺点。 2 第一章绪论 1 3 1 上层通信方式 上层一般采用星型通信系统，以安装在供水局管理中心的系统工作 站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与集中器连接，形成1 对n 的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传 输速率和宽带。根据信道的介质可分为电话线、以太局域网、g s m 无线 网和g p r s 无线业务四种方式。 ( 1 )电话线网 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也 是一个经济有效的方案。利用p s t n 通信，只需在数据集中器和管理中心 主机各加装调制解调器( m o d e m ) 即可，其通信速率可达2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。主机对集中器的呼叫可通过拨号由交换机自动完成，也可 租用专线。优点：利用现有电话网，无需布线；通信速率高。缺点：通 信连接( 包括呼叫应答等待) 时间长。通常需要几秒到几十秒；当集中 器数目n 较多时，租用电话线路较多。其租用费用也很可观；而且主站 每次通信只能是一对一的方式，这样循环抄收耗费的时间太长。 ( 2 )以太局域网 随着公共有线宽带网络的普及、国内i p 地址资源的丰富和接入运行 费用的降低，给点多、面广和数据流量相对较小的集抄系统，带来了新 的应用前景和机遇。集中器根据后台主站网络访问命令，按t c p i p 协议 建立通信链路。向上发送数据包，由于是网络通信形式，主站根据相关 通信软件结合当地的网络结构，形成一点同时对多点的集抄方式。其集 抄点完后，随时等待再次被访问。优点：利用已有内网、减少投资和维 护；网速快、集抄实时性强、可靠安全。缺点：费用比电话网方式贵； 内网端口需离集抄点近，有很大的局限性。 ( 3 ) g s m 无线网 利用现有无线g s m 网进行通信，对于范围广、布局分散的集中器进 行数据通信，是一种比较好的选择。集中器根据主站命令按g s m 通信协 议进行数据打包，传输至远程的计算机中心，传输完毕后自动切断通道， 进行下一个的呼叫连接。优点：g s m 网络遍布全国各地，申请一张s i m 卡后即可开通使用，比较方便快捷；安装调试方便，免维护。缺点：只 能是一对一的通信方式，硬件成本和通信费用相对较高。 ( 4 ) g p r s 无线业务 g p r s 是在现有的g s m 网络上引入分组交换的功能，支持t c p i p 协 3 华南理l ：大学硕士学位论文 议，可以与分组数据网、i n t e r n e t 等直接互通，大大提高了数据传输率和 传输量。集中器根据主站命令把数据按t c p i p 或u d p i p 协议进行打包 上传，主站可按预定设置一点同时对多点进行网络访问，数据传输结束 后，主站可关闭当前连接或永远在线。优点：g p r si p 方式集中了g s m 力式和宽带城域网的方式；网络接入容易、面广、一点同时对多点的访 问形式、可永远在线、安全可靠免维护；按数据流量计费，相对g s m 网， 这是一个比较显著的经济优势。缺点：硬件成本相对较高；需要自己开 发g p r s 无线通信协议，开发厨期相对较长。 1 3 2 下层通信方式 下层通信信道的终端接点多，传输速率不是很高，传输距离短，一 般不超过2 0 0 0 m ，因此一般采用低压电力线载波、r s 一4 8 5 、仪表总线等方 式。 ( 1 ) 低压电力线载波 利用低压电力线作为a m r s 系统的底层数据通道运行成本低，无疑是 非常经济的方案。在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上， 再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。接收端将高频信号分 离出来，滤去干扰信号后，再经解调电路还原成二进制数字信号。缺点： 电力线上的干扰非常大，特别是在用户线路上，如家用电器、开关电源 等产生的高次谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰，各种大 功率开关器件产生的驻波干扰等；不同的线路特性可能完全不同，使用 线路的种类及线路上的负荷情况都会对高频信号在电力线上的传输特性 产生很大的影响，要求通信设备有很高的稳定性和适应不同线路的能力。 ( 2 ) r s 一4 8 5 网 r s 一4 8 5 是在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接收端用差分 接收器进行信号判决。它只需两根线便可双向通信，并可方便地构成一 点对多点或多点之间的相互通信。优点：抗干扰性能好，信号发送频率 最高可达1 0 m h z ；避免电力线干扰波，专用通道传输可靠。缺点：需专用 线路的铺设，工程量大，成本高，容易遭损坏。 ( 3 ) 仪表总线 这是一种新的总线方式，如美国德州仪器公司的t s s 7 2 l a ，采用的是 欧洲新型总线结构。优点：具有极性可互换、总线拓扑结构可任意、传 输距离远的特点。缺点：目前国内很少用，安装费用成本过高。 4 第一章绪论 1 4 无线智能抄表系统的提出 基于综合考虑，本文提出了一种理想的抄表系统，下层采用业余 4 3 3 m h z 频道的短距离无线通信方式，上层采用g s m g p r s 无线网通信 方式。本系统无需布线、工程量小、准确性高、数据传输量大、通信费 用低等特点，节省人力、物力，提高工作效率。此系统以集中器硬件为 核心。以数据库为信息处理中心，通过n r f 无线通信、g s m g p r s 无线 网络把水表终端与它们相连成一体化的结构，具有安全、稳定、各个部 件结合紧密、易于管理和使用的特点，同时还能对集中器进行远程监控 和参数设置，是一种理想的自动抄表解决方案。 相比传统的抄表方式，本系统具有以下几个突出的优点： ( 1 ) 下层采用4 3 3 m h z 频道的短距离无线通信，无需布线，芯片成 本低，而且是民用的i s m 业余频道，无需缴纳频段租用费用，即不计通 信费用成本。 ( 2 ) 上层采用g s m g p r s 的无线通信，具有网络覆盖面大、一点对 多点访问、拨号时间短、数据传输量大、准确性和实时性高、费用成本 低等特点。而且还可以结合短消息和g p r si p 业务，进行数据的可靠传 输。 1 。5 本论文研究的主要内容 1 进行无线智能抄表系统集中器的设计和开发，实现i s m 频道的无 线通信采集水表终端数据、通过g s m g p r s 无线通信把批量数据 传输到计算机中心的功能。 2 进行集中器系统的硬件设计和开发，包括m c u 控制电路、n r f 9 0 3 无线射频电路、g s m g p r s 无线通信电路、键盘显示电路、数据存 储电路、r s 2 3 2 接口电路、日历时钟电路和能源控制电路等，并完 成芯片的选购、电路图的绘制和电路开发板的焊接。 3 详细设计下层无线通信的协议，包括物理层的编码译码方式、链 路层的数据帧封装和解包、应用层的通信协议定义，保证抄表数 据的可靠性和准确性。 4 对上层g s m g p r s 无线通信进行深入研究，深刻理解p p p 协议、 i p 协议和u d p 协议的实现方法，并详细设计出进行g p r s 数据传 输的应用层协议。 华南理工大学硕士学何论文 5 进行应用系统的软件设计、开发和调试，实现上f 层无线通信各 协议层的数据封装和解包、l c d 双行字符显示、f l a s h 数据存储、 串口响应程序等。其中开发环境为c 语言编译器g c ca v r ，调试 仿真环境为a v rs t u d i o 。 1 6 本章小节 本章首先从行业背景提出自动抄表的现实意义，根据国内外发展的 现状介绍了目前几种自动抄表的方式，结合各自的优缺点提出了一种比 较理想的自动抄表系统的方案，即下层采用4 3 3 m h z 无线业务频道、上 层采用g p r s 无线网络传输数据的系统，这也是本课题所研究的主要内 容。 6 第二章无线智能抄表系统的整体设计方案 第二章无线智能抄表系统的整体设计方案 2 1 总体设计原则 智能抄表系统设计时应该遵循数据准确、安全可靠、实用性强、价 格合理、智能化、可扩展性和易维护性等原则。只有满足了上述条件的 抄表系统，才能更好地应用于社会，解决自动抄表的真正意义。 1 数据准确 数据准确性是抄表系统首要考虑的条件，这必需从数据传送方式的 选择、信道传输技术的抗干扰、软件的可靠处理和性能优化等方面考虑。 如果系统的技术很先进，智能化程度很高，但是抄收数据不准确就不能 很好地投放市场。 2 安全可靠 安全可靠是智能抄表的基本要求。在实际使用中要求系统具有抗恶 劣工作环境和无故障工作时间长的能力。具体包括电源系统的可靠性设 计，电路硬件的可靠性设计，软件的抗干扰和可靠设计，系统故障的自 保护、自检、自诊断设计等。 3 实用性强 实用性是至关重要的，包括了产品的设计开发、生产销售和应用现 场等诸多环节。对于一个民用产品，实用性是首先必须考虑的，否则设 计得最好，也没有市场。主要包括系统生产的可行性，性价比高，国内 外同行具有竞争力，能适应现场各种工作条件等。 4 价格合理 价格也是要考虑的一个重要要素，毕竟推出的产品是面向市场，给 消费者使用的。所以设计时应考虑成本不能太高，注重经济地原则，以 利于产品的推广。 5 ，智能化原则 智能化是抄表系统最大的特色之一。由于采用了微机系统，使系统 具有数据处理的逻辑判断和信息自动存储的功能。在设计时，不但要提 供良好的硬件环境，还要发挥软件的作用，包括数据定时采集、数据处 理、逻辑判断、数据自动存储和故障检测报警等都由软件来实现。 6 可扩展性和易维护性 7 华南理_ 丁大学硕十学位论文 为了适应系统变化的要求，必须充分考虑以最简便的方法、最低的 投资，实现系统的扩展和维护。 2 2 系统的功能和结构 无线智能抄表系统的结构如图2 一l 所示，它主要有三部分组成：水 表采集终端、集中控制器和远程计算机中心。它是一种智能化的远程集 中抄表装置，其原理是将测量水表的数据通过i s m 频段无线传输至集中 控制器，在其进行累计保存等处理，并通过g s m g p r s 无线信道远传到 计算机中心。该系统的应用可将大量住宅小区的水表集中统一管理，而 管理机构只需投入少量人员即可实现远程集中抄表，并完成设备监控、 数据的采集、累计、费用计算、费用收取，实现适合社会需求的自动抄 表系统。 图2 1 智能抄表系统结构图 f i g2 1t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 8 第二章无线智能抄表系统的整体设计方案 抄表终端 抄表终端都是在现有的水表上外加一个采集模块，内有测量检测电 路、微控制器电路、电源电路和无线通信电路等，每次采集的数据保存 在非易失e 2 p r o m 里面。每个抄表终端都有唯一的地址码，集中器根据 不同的地址码与抄表终端进行数据通讯。 集中器 集中器具有唯一的装置编号，可连接多至上千台水表终端，这主要 取决于它们的采样周期和水表分散的程度。一般集中器与水表终端有效 通信距离在直径2 0 0 米之内，环境恶劣的地方可缩短其传输距离。每个 水表终端与集中器完成一次通信的时间为几毫秒到1 秒不等，则采样周 期为l 小时的集中器可以连续采集至少3 6 0 0 个水表。集中器具有独立时 钟，可根据要求定时采集水表终端上保存的数值，通信方式为4 33 m h z 的业余i s m 频道。 计算机中心 计算机中心则有抄表工作站、查询工作站、数据库管理服务器、信 息发表服务器、防火墙工作站等组成，是一个多功能的大型服务器。计 算机中心可对远程的集中器进行自动数据采集，采集的方式可以分为定 时、即时和循环三种。集中器也可响应主站发布的命令，包括抄表命令、 参数配置命令、系统检测命令等，其通信方式为g s m g p r s 无线频道。 2 3 集中器的功能和结构设计 集中器是整个系统的通信桥梁，它的工作情况决定了系统的可靠性 和稳定性，其实现功能有：每个月按约定时间循环查询终端水表的数据， 并把采集到的数据进行累加保存起来；当接收到主站发布的采集命令后， 立即打包数据并传送；也可主动向主站发送数据、报告紧急情况等；响 应现场操作人员的键盘输入，同时显示数据在l c d 上；可利用手提电脑 直接对其进行操作和控制等功能。 集中器并不只是简单地实现数据采集和传送的功能，而在其内部集 成了两个无线通信模块，下层是采用i s m 频道的n r f 芯片，上层是采用 g s m g p r s 技术的无线模块，所以它必须实现两种无线数据的协议转换。 而且从物理层到最上面的应用层都必须通过软件的方法来实现，并能保 证采集的数据能按照g p r s 网络上数据传输的协议进行打包和解包。 数据存储电路是集中器比较重要的部分，它不仅要暂时存储水表终 端采集过来的数据，而且还要存放每个水表地址和集中器的地址参数、 9 华南理工大学硕士学位论文 系统配置、采样时间等重要数据。为了响应现场人员的操作，必须提供 一个对外开放的接口，可以及时修改里面的参数和查看数据，采用键盘 显示电路是一个比较好的方式。如果工作人员需要到现场采集数据的话， 最简单方便的方法就是通过r s 一2 3 2 串口直接把数据采集到手提电脑或 p d a 手掌机。如果集中器每个电路模块一天2 4 小时不停运作的话，功率 消耗也是不容忽视的，而且这样容易缩短电子元器件的使用寿命。所以 应该采取适当的措施，在空余时间关掉部分电路的电源，等到需要工作 时再开启。 图2 2 集中器结构原理图 f i 9 2 2t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fs y s t e m 从上面分析可以看出，集中器的结构是以单片机m c u 控制单元为核 心，主要由电源供给电路、n r f 无线通信电路、g s m g p r s 无线通信电路、 键盘电路、液晶显示电路、数据存储器电路、日历时钟电路、r s 一2 3 2 计 算机接口电路和能源控制电路等部分组成，具体结构原理如图2 2 所示。 2 4 本章小节 本章着重介绍了无线智能抄表系统的整体设计方案，分析了系统设 计时应遵循的几个原则，从结构和功能上分别介绍了本抄表系统的三个 组成部分：水表采集终端、集中控制器和远程计算机中心。其中集中控 制器是本课题所要研究和开发的部分，这里先对它的原理和结构作了一 个介绍。 l o 第三章集中器硬件电路的设计和开发 第三章集中器硬件电路的设计和开发 3 1 集中器电路芯片的选择 考虑到集中器的低功耗、经济高效、性能稳定、接口电路简单和自 动化程度高等特点，因此选择合适的电路芯片是至关重要的，下面就本 系统中几个重要的芯片进行选择。 3 1 1 n r f 无线通信芯片 由于无线收发芯片的种类和数量比较多，下层通信芯片的选择在设 计中是至关重要的。正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降 低成本，更快地将产品推向市场。因此选择无线收发芯片时应考虑以下 几个因素：频道带宽、功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的 外围元件数量、芯片成本、数据传输准确率等。 本课题中采用n 0 r d ic 公司的n r f 9 0 3 作为下层无线收发的芯片，它 将很多功能和外围器件集成在芯片内部，使用时只需少量的外围器件， 无需使用变容管、声表滤波器等。它具有抗干扰能力强、频点多、传输 速率高、与单片机连接简单等特点，是一款非常优秀的无线收发芯片。 3 1 2g s m g p r s 无线模块 g s m g p r s 模块需考虑性价比、开发周期、与单片机的连接接口、产 品成熟度等因素，这里选用最常用的西门子m c 3 5 i 作为上层无线收发模 块。m c 3 5 i 在国内具有很广的市场应用，它集g s m 和g p r s 的功能，主要 为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口。它具有9 针串行接 口电路和a t 命令指令集，电路设计和控制比较简单。 3 1 ，3 单片机芯片 目前单片机已经进入广泛发展时代，种类很多，如何选择性价比最 优，开发容易，开发周期最短的产品，是工程师要考虑的主要问题之一。 华南理t 大学硕士学位论文 日前我国销售的主流m c u 产品有8 0 5 l 、p l c 、d s p 、a v r 、a r m 等系列单片 机。选购单片机总体应从两个方面考虑，其一是目标系统需要哪些功能； 其二是根据成本的控制选择价格低的产品。资源方面考虑的重要指标有： 速度、位数、电压、功耗、存储器容量、系统扩展与驱动能力、抗干扰 能力、是否嵌入a d c 、d a c 等其它的特殊要求。 本系统中单片机选择的参考标准是：性能稳定、价格便宜、集成度 高和功耗低等，还有一个重要的是能满足与周围芯片的连接并且电路连 线尽量简单。在这里，n r f 9 0 3 的3 个配置管脚c s 、c f g c l k 和c f g d a t a 均为s p i 接口，所以选择s p i 接口的m c u 是首要考虑的。由于n r f 9 0 3 和 g p r sm o d e m 都是通过u a r t 接口与单片机进行数据通信的，而且要求能并 行工作，即集中器在采集水表数据的同时也可响应主站的命令，所以m c u 必须带2 个u a r t 。从集中器需要实现的功能上可看出，存放程序代码的 f l a s h 也不能太小，l o k 以上即可满足要求。由于m c u 与p c 、m o d e m 通信 是基于r s 2 3 2 的，在此必需用到中断响应，所以2 个以上的外部中断口 也是必须考虑的。基于综合考虑，我选择m e g a 系列单片机，首先是因为 它功能强大。几乎在单片中包容了所有常用的功能。其次，价格相对便 宜。再者开发容易，开发装景便宜，而且支持c 语言源程序调试。在m e g a 系列中可选的单片机很多，从a t m e g a 8 到a t m e g a 2 5 6 ，这里我选择了 a t m e g a l6 2 作为集中器的m c u ，它有1 6 kf l a s h ，1 kr a m ，3 5 个i o 口， 2 个u a r t 、一个s p i 和3 个外部中断源，可以很好地满足系统要求。而 且这款单片机具有j t a g 接口，可以很方便地实现程序的在线调试和仿真， 这不仅大大降低了单片机开发成本，而且对于集中器产品化后的程序升 级和维护也提供了极大的方便。 3 1 4 数据存储器芯片 在本系统中数据存储器用于接收来自用户水表的数据，然后暂时保 存至集中器中，等到主站来抄收的时候再从存储器取出来，起着一个蓄 水池的作用。 f 1 a s h 存储器作为一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、 成本低、掉电数据不丢失等一系列优点。目前已经逐步取代其它半导体 存储元件，成为各类电子产品和工业测控系统中主要的数据和程序载体。 串行f 1 a s h 存储器大多采用1 2 c 接口或s p i 接1 ：3 进行读写；与并行 fja s h 存储器相比，具有所需引脚少、体积小、易于扩展、与单片机或控 制器连接简单、工作可靠等优点。因为a t m e g a l 6 2 有标准s p i 接口，但 1 2 第三章集中器硬件电路的设计和开发 是没有1 2 c 接口，故在这里选用s p i 串行接口的f l a s h 较为合适。因为 集中器管理的水表数量很多，可能达到一台集中器抄收几百到几千个水 表，而且保存的数据可能是1 年或2 年，所以尽量选择大容量的f l a s h 。 这里选用a t 4 5 d b l 6 1 b 作为本系统的存储器，它采用s p i 接口进行 读写，硬件连线少；内部集成了两个与主存页面相同大小的s r a m 缓存， 极大地提高了整个系统的灵活性，简化了数据的读写过程。此外，整个 芯片的功耗也较小，所有这些特点使得此存储器非常适合于集中器的数 据存储器。 3 15 日历时钟电路 l ：! l 历时钟电路主要是校准系统时间和定时唤醒单片机的程序，是一 个比较重要的部分，所以要求有独立的晶体振荡器，这样不会受到其它 因素的干扰。因为m c u 的i o 资源有限，所以尽量选用1 2 c 或者s p i 接 口的时钟芯片。但a t m e g a l 6 2 没有1 2 c 的接口，只有s p i 接口，其实满 足这样的芯片很多，这里选用了3 线制s d 2 1 0 0 a 作为时钟芯片，可以很 好地满足系统要求。 3 ，2 集中器硬件电路的原理 集中器整个电路的设计原理是这样的：出于本抄表系统的集中器所 要完成的功能很多，而且又要考虑到今后的功能扩展和设计，因此预留 一定数量的i i o 管脚是必需的。考虑到a t m e g a l 6 2 的3 5 个i o 口远不能 满足设计的要求，故增加2 片8 2 c 5 5 a 来扩展并行接口。a t m e g a l6 2 有 一个s p i 接口，尽量使周边芯片与m c u 的通信设计为s p i 串口通信方式， 这样有利于统一管理和编程方便。在这里有4 个元件使用此种接法： n r f 9 0 3 、a t 4 5 d b l 6 1 b 、s d 2 1 0 0 a 和m a x 3 1 1 1 e ，其中m a x 3 l l l e 是串 行异步收发器，无需任何其它外围芯片即可实现s p i 到r s 2 3 2 的转换， 实现m c u 与p c 机的通信。a t m e g a l 6 2 有2 个u a r t ，除一个被n r f 9 0 3 使用之外，另一个与g p r sm o d e m 连接，实现两个通信模块可以独立f 作而不相互干扰。在m o d e m 与m c u 连接之前必需加一个t t l 2 3 2 电平 转换电路，这里用到l 片m a x 3 2 4 3 来实现。l c d 显示模块有8 根数据线， 可以直接跟a t m e g a l6 2 的p a 口连接，还有键盘设计为8 个独立式按键。 由于2 片8 2 c 5 5 a 扩展的并行口很多，为了便于管理，把它分为6 个组， 分别是键盘输入组、m o d e m 控制组、能源控制组、s p i 片选组、n r f 9 0 3 1 3 华南理工大学硕士学位论文 控制组和功能扩展组，其中功能扩展组以便今后做系统升级用，具体的 电路原理如图3 1 所示。 图3 1 集中器硬件原理图 f i g3 1t h ep r i n c i p l eo fs y s t e m sh a r d w a r e 3 3m o u 与8 2 c 5 5 a 组成的控制电路 3 3 1 8 2 c 5 5 a 并行扩展电路 i n t e l 8 2 c 5 5 a 是一个与i n t e l 系列完全兼容的可编程并行接口芯 片。它有3 个8 位的i o 端v i ，3 种可编程工作方式，实现c p u 与外设之 间的并行接口，与c p u 的接口信号为： d 7 d o 一一数据线、双向，接a t m e g a l6 2 的数据总线p a 口。 c s 一一片选信号、输入、低电平有效。只有当c s 为“0 ”时，芯片才 工作a 其中一片8 2 c 5 5 a 接a t m e g a l 6 2 的p c i ，另一片接a t m e g a l 6 2 的 1 4 第三章集中器硬件电路的设计和开发 p c o 。