基于G S M的無線智能抄表系統(tǒng)

陳 饒，丁緒星，馮友宏

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

隨著電力市場的發(fā)展，尤其是小區(qū)﹑學(xué)校以及企事業(yè)等單位的不斷增加，人工抄表顯得十分繁瑣，而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的抄表系統(tǒng)又由于其昂貴的費(fèi)用而得不到廣泛的應(yīng)用[1]。為解決抄表的問題，本文設(shè)計(jì)的基于GSM的無線智能抄表系統(tǒng)，充分利用了GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣﹑抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，不但解決了人工抄表的效率低和實(shí)時性差的問題，而且大大降低了抄表過程中的通信費(fèi)用。

1 基于GSM的抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于GSM的抄表系統(tǒng)由上位機(jī)﹑下位機(jī)和智能表三部分組成[2]，如圖1所示。上位機(jī)通過MAX202控制G100短信模塊與各下位機(jī)進(jìn)行通信，下位機(jī)中的單片機(jī)STC12C2052AD通過RS-485與智能表模塊進(jìn)行通信，采集電表中存儲的數(shù)據(jù)，然后再通過G100短信模塊以短消息的形式將數(shù)據(jù)發(fā)回給上位機(jī)管理系統(tǒng)，最后在上位機(jī)管理軟件上顯示抄表數(shù)據(jù)[3]。

圖1 基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能抄表系統(tǒng)

2 上位機(jī)管理系統(tǒng)

上位機(jī)管理系統(tǒng)包括上位機(jī)和G100短信模塊。上位機(jī)通過采用VC++編程的上位機(jī)管理軟件發(fā)出控制指令，再利用G100短信通信模塊將指令以短消息的形式發(fā)送給指定的下位機(jī)，同時，G100短信模塊還可以接收下位機(jī)通信模塊回饋的抄表信息，將抄表數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上。上位機(jī)發(fā)出的控制指令包括抄表﹑購電﹑巡檢﹑報(bào)警設(shè)置﹑讀電表狀態(tài)﹑數(shù)據(jù)清零﹑送電和斷電，讓系統(tǒng)管理員可以有效控制每個電表的工作狀態(tài)[4]。上位機(jī)管理軟件監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)管理軟件監(jiān)控界面

3 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 下位機(jī)總體硬件結(jié)構(gòu)

下位機(jī)的硬件由 STC12C2052AD﹑G100﹑74HC4053D﹑VP3082和EL817等構(gòu)成[5]。當(dāng)管理中心發(fā)送一條控制指令給下位機(jī)的時候，下位機(jī)通信模塊的信號燈會出現(xiàn)閃爍，并將接收到的指令送入MCU，MCU再處理讀入的指令數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的指令通過RS-485接口讀取智能表的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)管理系統(tǒng)[6]。這樣，系統(tǒng)管理員無需出門，就可以在上位機(jī)管理中心得到所想要的數(shù)據(jù)，且整個過程耗時不足10 s，具有高效性和實(shí)時性。G100模塊和下位機(jī)之間通過EL817隔離，可以有效避免電路中的干擾。硬件電路原理如圖3所示。

3.2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)和性能

下位機(jī)系統(tǒng)選用的單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的STC12C2052AD，相比8051單片機(jī)，其速度要快12倍。使用低頻晶振，工作頻率35 MHz相當(dāng)于8051單片機(jī)420 MHz的工作頻率，可以大幅度降低 EMI，具有加密型強(qiáng)、無法解密、抗干擾性強(qiáng)和超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)采用全雙工異步串行口和先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，且兼容普通8051指令集。此外，它具有5 KB片內(nèi)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)在10萬次以上。

3.3 GSM模塊功能介紹

下位機(jī)和上位機(jī)通信用的GSM模塊為北京捷麥公司生產(chǎn)的G100短信模塊，相比其他通信模塊，G100模塊具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不必關(guān)心AT指令集，所有與 AT有關(guān)的操作均有模塊內(nèi)部完成；

（2）具有格式和透明傳輸兩種數(shù)據(jù)傳輸方式；

（3）完全獨(dú)立開發(fā)，在使用或客戶二次開發(fā)的過程中能提供良好的技術(shù)支持；

（4）支持總線式的被動傳輸數(shù)據(jù)方式；

（5）具有省電和正常兩種工作方式；

（6）具有4 B密碼，可使模塊免受廣告和通知等數(shù)據(jù)干擾。

圖3 下位機(jī)硬件原理圖

G100模塊自帶RS232﹑RS485和TTL3種接口，可以方便地與PC機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行連機(jī)通信，可以快速﹑安全﹑可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短消息服務(wù)。工作電壓范

4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試

在Eclipse編程環(huán)境下，結(jié)合MYSQL數(shù)據(jù)庫，利用JAVA程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)ZigBee溫濕度監(jiān)控終端。通過該監(jiān)控終端可以方便地觀察ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時狀態(tài)，包括節(jié)點(diǎn)的溫濕度值、發(fā)送成功率、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)的剩余電量以及信號強(qiáng)度（RSSI）等。

為了測試系統(tǒng)的性能，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：采用10個ZigBee節(jié)點(diǎn)，包括1個協(xié)調(diào)器、2個路由節(jié)點(diǎn)和7個帶傳感器的終端節(jié)點(diǎn)。將協(xié)調(diào)器放在監(jiān)控室，房間3和房間6放置路由節(jié)點(diǎn)，其他7個房間各放置一個終端節(jié)點(diǎn)以及一個數(shù)字溫濕度計(jì)。

在同一時刻將布設(shè)有終端節(jié)點(diǎn)的房間的溫濕度計(jì)實(shí)測值和監(jiān)控軟件所顯示的數(shù)據(jù)記錄在表2。

表2 數(shù)據(jù)記錄結(jié)果

由表2可以看出，基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的精確度，其溫度最大誤差不超過0.7℃，相對濕度最大誤差不超過 5%RH。

整個系統(tǒng)以CC2530無線收發(fā)芯片為核心，利用SHT10溫濕度傳感器現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控終端上實(shí)現(xiàn)了對溫濕度的實(shí)時顯示和控制。同時，以低成本、低功耗和易封裝為目的設(shè)計(jì)硬件節(jié)點(diǎn)。基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可長時間連續(xù)穩(wěn)定工作，精確度高且實(shí)時性好，適用于生產(chǎn)生活中各溫濕度監(jiān)控場合，具有很好的應(yīng)用價值。

[1]FLOWERS D， OTTEN K， RAIBHARTI N， et al.AN965 microchip sack for the ZigBeeTM protocol[EB/OL].http：//www.microchip.com.（2006-02-16） [2009-8-28].

[2]戴善溪，張效民.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)字式溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2010，29（2）：47-49.

[3]美國德州儀器半導(dǎo)體公司.CC2530技術(shù)手冊[Z].達(dá)拉斯城：TEXAS INSTRUMENTS，2010.

[4]瑞士盛世瑞恩傳感器公司.SHT10技術(shù)手冊[Z].蘇黎世：Sensirion Sensor Company，2009.

[5]美國德州儀器半導(dǎo)體公司.TPS 780300250DRVR技術(shù)手冊[Z].達(dá)拉斯城： TEXAS INSTRUMENTS，2010.

[6]李銀華，姬光鋒.基于ZigBee技術(shù)的煙葉倉庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（5）：113-114.

[7]李邦祥，王忠鋒，于海斌.ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（4）：41-42.

[8]劉世安，彭小娟.基于ZigBee協(xié)議的無線溫溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，7（1）：59-60.