一種基于NGB的無線自動抄表系統

劉猛，遲紹翠，曹三省

(中國傳媒大學，北京 100024)

一種基于NGB的無線自動抄表系統

劉猛，遲紹翠，曹三省

(中國傳媒大學，北京 100024)

本文提出了一種基于NGB(下一代廣播電視網)的無線自動抄表系統及其控制方法。該系統包括信息采集、信息收發和信息處理三個模塊。信息采集模塊用于采集三表(水表，電表，燃氣表)信息，并將采集的三表信息發送給信息收發模塊，信息收發模塊將接收到的三表信息通過廣電有線雙向網絡傳輸給信息處理模塊，信息處理模塊將接收到的三表信息傳送給網絡中的信息處理中心，信息處理中心通過廣電有線雙向網絡與信息收發模塊進行雙向通信并控制三表的數據采集和發送等操作。該系統采用機頂盒或數字電視的現有接口接入無線收發模塊，用戶操作界面將沿用現有的電視互動平臺，用戶可通過電視機查詢三表、繳費和賬單等信息。

NGB;無線抄表;交互電視

1 引言

隨著住宅小區向智能化方向的演進，人們對于居住環境的要求日益的提高，建設智能化小區已經成為當前重要的任務。而自動抄表系統是智能化小區建設不可或缺的重要組成部分。自動抄表系統主要有掌上、有線和無線抄表系統，相比于有線抄表系統的系統復雜性和掌上抄表系統的低自動化，無線抄表系統減少了人力和物力的消耗而且系統構造簡單，易于實現［1］。我們所熟知的國內現有的無線抄表系統多是基于電信的移動網絡，需要在手機端開發數據模塊進行數據的接收和處理，功耗大而且成本高。另一種基于小范圍的無線抄表系統，需要開發表端無線模塊，與小區屋頂無線收發系統通信，并有專門人員進行抄表，浪費人力而且可靠性差［2］。

基于此，我們提出一種基于NGB的無線自動抄表系統，通過stm32f103和NordicRF24L01設計無線通道，可以在低功耗的情況下完全實現自動抄表、自動收費，并且消費者可利用遙控器和電視機實現對三表數據、以往繳費和賬單等的查詢。

2 系統的總體設計

2.1 系統概述

基于NGB的無線抄表系統創新性地利用下一代廣播電視網的回傳功能，采用智能機頂盒、通用計算機系統、雙向數字電視網絡和數據庫技術等，克服了傳統的無線抄表系統的高成本、高功耗和資源浪費問題，實現了對三表數據的收集、處理、傳輸以及存儲。

圖1 無線自動抄表系統的總體框架圖

基于NGB的無線自動抄表系統主要由三表信息采集裝置、信息收發裝置和信息處理裝置組成。其中信息采集裝置包括三表、采集模塊和無線模塊，信息收發裝置包括無線模塊和數字電視機頂盒，信息處理裝置為數字電視用戶信息和業務管理系統。基于NGB的無線自動抄表系統的總體結構如圖1所示。該系統使用兩種抄表方式:主動抄表方式和被動抄表方式。主動抄表方式，即下層模塊定時的采集三表的流量和異常信息，并通過無線模塊將信息傳遞給上層模塊，上層模塊對信息進行處理，并通過數字電視信息和業務管理系統計費和管理。系統也使用被動的抄表模式。被動抄表方式，即當上層模塊收到用戶發送的抄表指令時，通過無線模塊間的通信向下層模塊發送指令。下層模塊根據收到的指令對三表進行數據的采集并回傳給上層模塊。上層模塊將收到的數據通過數字電視機頂盒傳遞給信息處理裝置［3］。

2.2 系統的工作原理

基于NGB的無線自動抄表系統由信息采集裝置、信息收發裝置和信息處理裝置構成，其中信息采集裝置和信息收發裝置間通過短距離無線傳感網進行數據傳輸，信息收發裝置和信息處理裝置間通過廣電有線雙向傳輸網絡進行數據的傳輸。信息采集裝置，用于采集三表端信息，向信息收發裝置無線發送三表流量信息和異常信息;信息收發裝置無線接收三表端信息，并將三表信息通過廣電有線雙向網絡傳輸給信息處理裝置;信息處理裝置對接收到的三表信息進行處理，并通過廣電有線雙向網絡與信息的收發裝置進行雙向通信。

信息采集裝置利用三表端安裝的采集模塊進行三表流量信息和三表端異常信息的采集;信息收發裝置由無線模塊和數字電視機頂盒構成，用于傳輸信息采集裝置端采集的數據;信息處理裝置，即網絡中的信息處理中心，計算得到三表費用信息，并將其傳送給信息收發裝置中的數字電視機頂盒，用戶可以通過顯示器查詢實時信息。

3 系統抄表端硬件設計

系統的短距離無線傳輸系統主要由兩個無線模塊構成，一塊處于信息采集裝置，接收上層模塊發送的抄表指令，用于傳輸采集端采集的三表信息;一塊處于信息收發裝置，將上層發送的抄表指令傳遞給下層模塊，并接收下層模塊回傳來的三表信息。

本系統采用一種低功耗而且高性能的微處理器stm32f103和無線芯片NordicRF24L01來設計短距離無線傳輸系統。

其中微處理器stm32f103，帶有Cortex-M3內核，具有低功耗、低電壓和高性能等特性，同時具有高集成度和易于開發的優勢［4］。

無線芯片NordicRF24L01，是一種新款的單片機射頻收發器，可以工作在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出頻率和通信頻道可通過程序進行配置。該收發器功耗低，在以-6dbM的功率發射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功耗工作模塊(掉電模式和空閑模式)使得節能設計更加方便［5］。

如圖2所示，為短距離無線傳輸系統，其中微控制器stm32f103與射頻收發器NordicRF24L01通過SPI串口鏈接。

圖2 短距離無線傳輸系統

其中左側與三表采集端相連接，用于采集三表信息;右側與數字電視機頂盒端相連接，接收來自上層模塊發送來的指令。右側模塊利用數字電視機頂盒的現有接口接入，用戶操作界面將沿用傳統的電視互動繳費系統，很好的利用了已有的資源。

4 系統的軟件設計

4.1 上層模塊軟件設計

上層模塊設計分兩個方面。一個方面需要對數字電視機頂盒的接口程序進行開發，為無線模塊直接同機頂盒的現有接口實現互聯互通提供了方便，并且需要對機頂盒的應用程序進行二次開發，對接收數據進行處理，通過廣播電視有線雙向傳輸網絡傳輸給信息處理裝置。同時需要后端結算平臺軟件的開發。另一方面，系統上電后初始配置NordicRF24L01狀態字，機頂盒接口端的微控制器收到信息處理裝置發送的抄表信息后，通過無線通訊的方式向信息采集裝置端發送指令。如果下層模塊不返回或返回錯誤的信息，上層NordicRF24L01重新發送指令［6］。

4.2 下層模塊軟件設計

首先激活下層模塊，當上層模塊發送抄表指令時，微控制器首先檢查地址是否相符。如果錯誤，則繼續等待新的指令。如果正確，則將上層模塊的指令發送給三表，采集端收集三表數據。接收后，下層模塊通過NordicRF24L01射頻收發器將數據回傳給上層，然后繼續等待上層模塊的指令。

4.3 無線通信協議

由于工作在室內無線環境，其無線環境較為復雜，因此可靠的無線通信將依賴于可靠性高的無線通信協議。在這里我們將根據測試的無線信道特性制定通信協議，包括幀結構、糾錯方法、接入方式、握手方式等［2］。

5 系統的優點

(1)三表端采用微型電池供電，這樣密封起來大大降低了危險性。而微型電池供電只需要電路工作非常低的電流，所以電池可以連續工作幾年不用換。

(2)利用現有的高質量、高傳輸可靠性的廣電有線雙向傳輸系統，大大降低了運營成本和對資源的浪費。

(3)三表端的無線收發模塊的功耗可以做的非常低，因為基于無線通信網絡的小區半徑有幾百米到幾公里，而基于廣電網絡所需的無線傳輸距離僅在一個家庭的范圍，所以發射功率大大降低。

(4)該系統為廣電NGB提供了一些實質性的應用，同時也為廣電服務家庭物聯網提供了研究基礎和可行性驗證，即為廣電網新業務的開發提供了切入點［2］。

6 結束語

本文面向NGB家庭物聯網應用環境，提出了一種無線自動抄表系統，包括信息采集、收發和處理裝置，通過短距離無線傳感網和廣電有線雙向傳輸網絡的結合，低功耗、低成本的完成了抄表功能。系統的設計具有創新性、可靠性和安全性等設計原則，可以使用戶更加放心的使用。該系統是在三網融合和物聯網的總體背景下提出的，為廣電NGB提供了一些實質性的應用，同時也為廣電進軍家庭物聯網提供了研究基礎和可行性驗證。

［1］鄭君剛，吳成東，陳彪，楚好.智能小區無線抄表系統集中器設計［J］.沈陽建筑大學學報，2009，25(4):808-811.

［2］呂新景，江琴寧，樸大志.家庭物聯網:廣電的必爭之地［J］.現代傳播，2011，(4).

［3］王海豐，曹長修，趙敏.基于CC2420的無線自動抄表系統［J］.2006，25(7):50-53.

［4］隋紹勇，鄭維廣，張振邦.基于 STM32F103和nRF24L01的近程無線數傳系統設計［J］.電子元器件應用，2010，12(12):15-17.

［5］李輝，宋詩，周建江.基于ARM和Nrf24L01的無線數據傳輸系統［J］.國外電子元器件，2008，16(12):44-46.

［6］劉立新，李國輝，郝云芳.基于nRF2401的無線自動抄表系統［J］.微計算機，2006，22:158-160.

A NGB-based Wireless Automatic Meter Reading System

LIU Meng，CHI Shao-cui，CAO San-xing
(Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper presents a NGB-based(Next Generation Broadcasting)wireless automatic meter reading system and its control method.The system includes information collection，transmission and processing modules.The information collection module is responsible for collecting the information of the meter of water，electricity or gas，and sending the collected information to information transmission module.Then the information transmission module will send the data information to the processing center through the short range wireless communication and two-way television cable network.The information processing module then sends the collected information to the network processing center.Information processing center can communicate with the information transmission module and control the data acquisition，transmission and other operations of the three meters over the two-way cable television network.The system uses the existing set-top box or digital TV interface to access the wireless transceiver module，the user interface can use the existing interactive TV platform，users can query the information of the three meters，the payment and bill through TV sets.

NGB;wireless meter reading;interactive TV

TN923

A

1673-4793(2012)02-0078-04

2011-07-22

中國傳媒大學工科規劃項目(XNG1015);十一五211工程重點項目(21103040104，21103050203);北京市文化創意產業專項(BJWZ1001-2)

劉猛(1989-)，男(回族)，山東省濟寧市人，中國傳媒大學碩士研究生.E-mail:liumengjiaojiao@126.com.

(責任編輯

:龍學鋒)