基于Si4432和GPRS遠程智能抄表系統的研究

林 濤，郭 曉，陳 恩，李 輝，趙宏科

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

傳統人工抄表收費方式在實際工作中有許多不利因素。例如：對抄表人員來講，首先進門入戶困難，有時候為了抄一塊表需要等人拿鑰匙開門，不僅耽誤了抄表人員的時間，也耽誤了別人的時間。有些小區還需要登記才能入門抄表，嚴重影響了人們正常的生活。其次傳統人工抄表勞動強度大，抄表周期長，使得儀表管理單位無法快速準確掌握實時數據，不利于資源的統一管理和合理的調用[3]。最后人工抄表、手工計費方式效率低下，容易出現差錯和糾紛，造成抄表工作人員錢財損失，同時易造成人們對儀表計量管理單位工作的不滿。傳統的人工抄表方式已經不能適應今后儀表管理的發展要求，遠程無線抄表的需求被逐漸提到日程上來。對此，本文將Si4432技術與GPRS網絡相結合，設計了一套遠程智能抄表系統。Si4432網絡是短距離無線通信，具有低成本、低功耗、組網自由、抗干擾能力強的特點，GPRS網絡是遠程無線通信，具有實時在線、傳輸率大、頻率利用率高、數據傳輸可靠性好的特點[1-2]。兩者優勢互補，滿足了新型抄表系統的迫切需求。

1 系統總體設計

該系統由表單元、鏈路單元、計算機主機和系統管理軟件4部分組成。表單元包括直讀遠傳水表、光電直讀水表等；鏈路單元包括：集中器、采集器；計算機主機：服務器；系統管理軟件：智能抄表管理系統軟件。直讀水表與采集器之間為MBus總線連接，鏈路單元的設備之間通過Si4432無線通訊，集中器與計算機主機之間采用GPRS進行通訊。具體結構如圖1所示。

圖1 遠程智能抄表系統結構圖Fig.1 Remote smart meter reading system structure

2 系統硬件設計

2.1 集中器的設計

集中器主要由GPRS模塊、Si4432無線通信模塊、數據存儲器、微處理器、電源模塊、復位模塊、JTAG下載電路以及時鐘模塊組成，結構圖如圖2所示。一個遠程無線自動抄表網絡只有一個集中器，集中器匯聚整個Si4432網絡中所有水表的數據，并將這些數據通過GPRS遠程傳輸到服務器，集中器屬于不休眠節點，能夠負責整個Si4432網絡的建立，同時具備路由能力，在網絡建立成功之后，集中器是外界與整個網絡通信的網關，為外界訪問Si4432網絡節點提供了雙向接口。

圖2 集中器結構圖Fig.2 Concentrator structure

集中器主控芯片選用TI的主流芯片MSP430F5438，它是一款16位超低功耗微控制器，具有256 KB閃存、16 KB RAM、12 位 ADC、4 個 USCI、32 位 HW乘法器[4]。

GPRS模塊選用華為MG323模塊，它是一款內嵌TCP/IP協議、支持多鏈接，支持GSM/GPRS雙頻，短消息模式支持TEXT和PDU，支持GPRS數據業務，最大下行傳輸速率：85.6 kb/s，最大上行傳輸速率：42.8 kb/s[5]。該模塊體積小巧、功能齊全、性能穩定，能滿足該系統的需求。

Si4432無線通訊模塊是由美國Silicon Labs公司研制的高性能、高穩定性無線模塊。該模塊體積小、發射功率大、接收靈敏度高、穩定性好。通訊距離遠超同行產品，最遠距離可達1800 m以上[6]。已經被廣泛用于無線抄表、無線數據采集、無線遙控、智能家居、無線工業控制等領域。

存儲器采用25LC256模塊，它是由Microchip Technology公司推出SPI串行E2PROM系列，含有256K存儲區域，速率可達10MHz。25LC256基于SPI串行方式與微處理器MCU進行通信以交換信息[7]。

2.2 采集器的設計

數據采集模塊主要由主控芯片MSP430F5438、Si4432無線通信模塊、MBus主站通信電路、數據存儲模塊、電源模塊、復位模塊以及時鐘模塊組成，結構圖如圖3所示。數據采集器主要完成多塊表數據采集的工作。在系統中，數據采集器一方面跟集中器通信，向上行的服務器傳送抄來的數據，另一方面跟表節點通信，從下行的表節點實時或定時的收集表數據，并對這些數據進行存儲和管理。采集器使用電池進行供電，屬于低功耗模塊，是Si4432網絡中的復雜功能節點。

圖3 采集器結構圖Fig.3 Collector structure

為了方便、有效采集到儀表的數據，采集器上采用MBus總線技術對表進行數據采集。MBus是一種新型總線結構，它的特點是兩條無極性傳輸線來同時供電和傳輸串行數據，而各個子站（以不同的ID確認）并聯在MBus總線上。MBus總線電路設計時要考慮由采集器向終端儀表終端傳輸的信號采用電壓值的變化來表示即用+36 V表示邏輯“1”，用+24 V表示邏輯“0”。從終端儀表終端向采集器傳輸的信號采用電流值的變化來表示，即由終端儀表終端向采集器發送的數據碼流是一種電流脈沖序列，通常用1.5 mA的電流值表示邏輯“1”，當傳輸“0”時，由儀表終端控制可使電流值增加11～20 mA，電流調制如下：

式中：Ide為直流電電流；Ipulse為脈沖電流；IM為調制中變化的電流，變化范圍為11～20 mA[8]。利用MBus可大大簡化住宅小區、辦公場所等能耗智能化管理系統的布線和連接，且具有結構簡單、造價低廉、可靠性高的特點。

3 系統軟件設計

3.1 集中器軟件設計

集中器作為采集器和服務器之間的橋梁，它在整個系統中起到承上啟下的作用，圖4是集中器軟件流程圖。GPRS是服務器與集中器通訊的媒介，服務器下達指令通過GPRS傳到集中器中，單片機對上位機下達指令進行解析處理。集中器開始工作時，首先GPRS模塊上電啟動進行網絡注冊，然后設置網絡配置參數、打開Internet服務，與上位機建立網絡連接。當GPRS上線后，單片機處理下達命令控制Si4432進行組網，主站Si4432向從站下發帶地址的喚醒碼，當從站Si4432收到的喚醒碼中的地址與自己地址相同時，從站被喚醒建立連接關系。這樣主站Si4432與從站成功建立連接，集中器把抄表命令下達給采集器。采集器收到指令之后進行抄表，將抄表數據通過Si4432無線模塊傳到集中器中。當抄表數據上傳完成后，為了保證GPRS實時在線，又保證盡可能少消耗流量，GPRS需要每隔3 min發送一次心跳包，這樣集中器始終占有一條網絡通道，保證整個系統實時在線，服務器就可以監控整個系統中每塊表的運行狀態。當GPRS未登陸到服務器或者GPRS因某種原因導致中途掉線時，系統會自動檢測到未登陸狀態，GPRS重新上電啟動，與服務器建立網絡連接。

圖4 集中器軟件流程圖Fig.4 Concentrator software flow chart

3.2 采集器軟件設計

采集器是由電池進行供電，所以采集器系統軟件設計時考慮低功耗，節省電量延長電池的使用壽命，圖5是采集器軟件流程圖。當主站Si4432與從站建立連接時，集中器將服務器抄表指令下達給采集器，采集器中MCU單元對抄表命令進行處理和解析，通過MBus總線讀取采集器通道下所連接的表數據，并將這些數據存儲在E2PROM中，同時將這些數據通過Si4432無線模塊及時上傳給集中器。當所有的表數據都讀取和存儲完成后，整個系統進入低功耗模式，只有當服務器下達喚醒指令或者定時器喚醒，采集器才能退出低功耗模式進行正常的工作。當主站Si4432給從站發起會話未成功時，從站節點需要等待30 min后，從站主動給主站發起會話建立連接，當建立連接成功后，同樣可以接受服務器下達抄表命令進行正常的抄表。

3.3 服務器軟件設計

圖5 采集器軟件流程圖Fig.5 Collector software flow chart

上位機主要功能是建立良好的人機界面方便抄表員發送抄表命令、遠程設置集中器和采集器參數、抄表數據的存儲與處理、統計分析報表、水量水費查詢、遠程監控系統下任意塊水表的運行狀態等操作。上位機界面采用Visual Basic來設計，數據庫采用SQL server 2008。上位機軟件主要分成登陸模塊、系統設置模塊、綜合信息管理模塊、查詢與統計模塊、遠程自動抄表管理模塊、應用監查模塊、系統安全管理模塊。上位機各個功能模塊相互配合，保證整個系統正常運行。

4 系統測試

系統測試部分主要包括對GPRS實時在線可靠性測試和抄表功能測試。對GPRS實時在線可靠性測試，經過30天實時在線測試，GPRS沒有出現掉線現象，表明系統遠傳可靠性較高。在某小區對抄表功能測試，實驗測試基本完成了水表數據抄收的功能，實現了遠程抄表系統實時在線監控、抄送數據快速、準確上傳，有利于水資源的統一管理和合理的調用。

5 結語

本文提出的基于Si4432和GPRS的智能遠程抄表系統設計方案，建立了一個無線抄表網絡系統。該系統實現了對儀表信息的高效、快速和可靠傳輸和管理，給水、電、氣行業的管理自動化帶來方便，已經在市場上得到廣泛應用和認可。并且智能遠程抄表技術可以應用多個領域，例如：車輛監控、物資管理、溫度監控、無線遙控、工業數據采集、煤礦井下人員跟蹤、醫療監控、動態車輛管理、消防安全、門禁系統、機房設備的無線監控和管理，具有很好的市場價值和應用前景。

[1] 劉穎.基于ZigBee和GPRS的遠程無線抄表系統設計與實現[J].科學技術與工程，2012，30（12）：43-47.

[2] 王富斌.短距離無線通信技術在抄表系統中的應用[D].濟南：山東大學，2009.

[3] 謝若冰.基于無線通訊的遠程抄表系統[D].廣西：廣西大學，2006.

[4] Instruments T.MSP430F5438 Datasheet[Z].2008.

[5] 華為技術有限公司.HUAWEI MG323 GSM M2M模塊：硬件指南[Z]，2010.

[6] Yudong L.Si4432-based wireless heat-supply network monitering system[J].Microcontrollers and Embedded Systems，2012，12（1）：46-49.

[7] Microchip Technology.25AA256/25LC256 Device Data Sheet[M].Shanghai：Shanghai Microchip Technology Co.Ltd.April，2011.

[8] 閏德光，謝軍龍，戴汝平.M-BUS二線制總線[J].自動化儀表，2003，24（3）：33-36. ■