基于GPRS技術的遠程智能抄表系統設計與研究

吳 雙， 徐 琦， 趙 珂， 熊 艷

（南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063）

現代家庭中水、電、氣表俗稱“三表”。傳統的入戶抄表不僅給用戶帶來了不便，而且占用大量的人力資源，造成收費難的問題；新興的IC卡技術，較為徹底地解決了以上問題，但對用戶買“水、電、氣”來說還不甚便利，同時與用戶的使用信息也無法得到實時溝通，因此智能抄表和安全監控成為行業發展的方向[1]。要進行智能抄表和安全監控就必須建造傳輸數據的網絡[2]。傳統的數據傳輸主要有數傳電臺、電話撥號、衛星通訊輔設專線等，這些傳輸方式存在覆蓋范圍小、實時性差、投資及運行費用高等問題[2]。GPRS技術及互聯網Internet技術的發展，為工業監控、遙測遙控領域的數據傳輸及數據網絡化管理提供了廣闊的平臺。器和采集器等5部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1 基于GPRS技術的遠程智能抄表系統結構圖Fig.1 System structure diagram of intelligent remote meter reading based on GPRS technology

1 系統構建

系統需要一個與互聯網Internet相連的數據中心、與“三表”或需要監控的設備相連的數據采集器和內置GPRS模塊的微處理器。采集器獲取的數據傳輸給微處理器，微處理器通過GPRS模塊登陸到GPRS網絡上經過CGSN網關將數據傳輸到Internet上的數據中心，從而完成數據傳輸。

該系統由數據庫服務器、數據服務中心、操作終端、集中采集器位于居民小區的信息中心，客戶的“三表”使用數據首先通過ZigBee技術將數據傳輸到位于小區信息中心的集中器，集中器再通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連。通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GSM網絡，通過GPRS網絡傳送至數據庫服務器，實現“三表”數據和數據中心系統的實時在線連接。

2 技術路線

根據系統功能要求，本硬件系統應包括：用戶三表數據采集顯示模塊、樓座單元數據集中模塊、ZigBee組成的無線數據傳輸網絡、無線數據收發模塊構成的“客戶端”與無線數據收發模塊、RS-232串口電路、上位管理計算機構成的“數據中心”兩部分。“客戶端”與“數據中心”通過無線收發模塊構成的無線網絡實現數據交換。

2.1 數據采集顯示模塊

數據采集顯示模塊包括：用戶用電量采集與顯示電路、用戶用水量采集與顯示電路、用戶燃氣用量采集與顯示電路3種形式。本系統采用 ADI公司推出的單片電能計量專用芯片ADE7751與 微處理器設計成的全電子式多費率電能表來實現用戶用電量數據采集；采用南京迪泰爾儀表機電設備有限公司生產的脈沖式智能渦街流量計傳感器與微處理器設計成的數字式水表及脈沖式智能渦街流量計傳感器與微處理器設計成的數字式燃氣表實現數據的采集、存儲、計算、顯示、傳輸等要求。

2.2 單元集中器模塊

為了便于實現無線集抄功能，本設計在每個樓座的每個單元中加入一個單元集中器。單元集中器與每個數據采集部件通過ZigBee組成的無線數據傳輸網絡，用來實現每個客戶“三表”數據的定時接收與存儲，它是“三表”與無線收發模塊的一個核心部分。單元集中器的使用大大簡化無線數傳網絡的復雜性，降低了系統設備成本。

系統主要由主控制器、GPRS模塊和ZigBee射頻通信模塊3部分組成，其結構框圖如圖2所示。主控制器采用三星公司的ARM9微處理器S3C24-10X，它具有外圍擴展功能模塊，能夠實現高速處理。GPRS模塊采用Siemens公司的TC35終端，通過串口與CPU相連，實現與Internet的連接。ZigBee射頻收發模塊采用Chipcon AS公司的CC2420芯片，控制采集器內具備ZigBee標準接口的檢測設備。

圖2 單元集中器結構框圖Fig.2 Block diagram of concentrator cells

2.3 數據通信方案

本系統中，“客戶端”的“單元集中器”與“數據中心”的“PC機”之間數據傳輸是通過GPRS通信方式實現無線數據傳輸的。

單元集中器與客戶“三表”的通信屬于多機通信。基于系統的特點及功能要求，選用主從式通信方式。單元集中器為主機，各客戶的數字式“三表”是從機，主、從機之間通過無線數據傳輸網絡實現數據的交互。主機發送的信息可以傳送到所有的從機，也可以指定單一的從機接收，而從機發送的信息只能被主機接收，各從機之間不能進行通信。

3 系統軟件設計

軟件系統主要包括：三表計量系統軟件、單元集中器通信集存軟件、上位PC機數據通信及人機交互接口軟件3部分。

3.1 “三表”計量系統軟件

軟件由初始化、數據處理、信號顯示、數據通信、鍵盤處理及數據存儲幾部分構成。初始化完成對單片機各功能部件初始狀態及中斷的設置和DS1302控制寄存器的初始化配置并開啟芯片軟件看門狗功能；數據處理主要完成采集數據計算；數據通信完成計量系統與單元集中器間的協議化通信，按照通訊協議的要求實現與單元集中器的可靠通訊，以便單元集中器來讀取客戶的數據以及設置時間、費率和地址等參數；信號顯示通過 LCD實時顯示時間、“三表”數據等；鍵盤處理是按預定鍵值對 ADE7751的相關引腳進行配置，設置系統的工作狀態，完成時間的校正、查詢及顯示等功能。系統軟件流程如圖3所示。

圖3 “三表”計量系統程序流程圖Fig.3 Flow chart of the measurement of“three”

3.2 上位管理PC機人機接口軟件

數據庫服務器是采用SQL server 2000，負責存儲所有的用戶資料數據、“三表”運行數據和各個監控終端的歷史運行數據，并向數據服務中心和操作終端提供數據服務。操作終端通過局域網與數據庫服務器、數據服務中心連接，完成開戶、傳遞參數、充值、監測、控制、查詢、統計報表等各種操作；遠程操作終端通過GPRS模塊與數據服務中心進行數據通信，由數據服務中心進行數據庫的操作。

4 結束語

本系統是將非電量檢測技術、無線數字傳輸技術、計算機網絡技術、信息安全技術和軟件技術融于一體的高新技術產品，應用且獨立于水、電、煤氣主干網上計量器具計量數據信息的提取和數據管理，提高了該行業的信息化管理水平，改變水、電、煤氣的管理現狀；解決目前抄表難度大、勞動強度高等問題，特別是解決管理系統中一直難以解決的高可靠性、高準確性和低功耗問題。通過擴展煤氣泄漏監控報警、水電煤氣故障緊急求助等涉及家庭安全方面的功能來全方位的滿足居民的實際需求。

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