基于GPRS的水表遠程抄表系統設計

任亞軍，趙明，朱文革，王英

（1.遼寧裝備制造職業技術學院，沈陽 110161；2.北方重工集團 盾構機分公司，沈陽 110027)

0 引言

目前中國居民用戶的水表抄表、收費方式多采用人工入戶抄表，隨著高層、高檔住宅小區的興起，傳統的手工抄表方式暴露出日益嚴重的質量和效率問題。該方式給用戶和抄表工作人員帶來很多的困難，且不利于管理。近年來，隨著計算機和通訊技術不斷提高，采用先進的抄表技術和抄表方法是解決這一問題的關鍵。采用水表數據戶外計量的自動化抄表方式，在節約人力資源、利于管理部門及時掌握確切的數據信息、綜合統計分析等方面有諸多優勢[1]。本文介紹了一種水表遠程自動抄表系統。該系統具備GPRS網絡抄表功能和USB集中抄表功能。

1 系統總體方案設計

遠程集中抄表系統主要由3大部分組成，分別是脈沖水表裝置、樓宇抄表裝置和后臺抄表管理裝置。其系統框圖如圖1所示。其中，樓宇抄表裝置由數據采集器和數據集中器組成，數據采集器的功能是接收脈沖水表的信號，并進行處理、存儲；數據集中器是自動抄表系統中的關鍵設備，它通過RS-485總線抄收采集器的用水量數據，并通過GPRS網絡與后臺抄表管理裝置進行通信，可根據后臺抄表管理裝置的指令要求查詢任意一個水表的相關數據，此外還可以定時將采集器的數據傳送至后臺抄表管理系統。

2 樓宇抄表裝置硬件電路設計

樓宇抄表裝置由數據采集器和數據集中器兩部分組成。其中，CPU處理器選擇Silicon Laboratories公司的C8051F340，該處理器具備USB功能，并提供USBXpress開發套件。

數據采集器的硬件電路設計主要包括CPU及其外圍電路的設計、脈沖信號采集電路及數據存儲模塊電路的設計。

圖1 遠程集中抄表系統框圖Fig.1 Remote concentrated meter reading system block diagram

圖2 樓宇抄表裝置硬件電路框圖Fig.2 Building meter reading device for hardware circuit diagram

數據集中器的硬件電路主要由CPU電路、RS-485電路、時鐘接口電路、GPRS/GSM電路、數據顯示電路、鍵盤等組成。其中，GPRS/GSM模塊選用BENQ M23，在控制數據收發方式上。該模塊內部采用了支持多種通信方式的通用AT指令方式，此外，該模塊內嵌TCP/IP協議，免除了復雜的上網通信協議編寫過程，減少了程序數量，縮短了程序編寫周期。在集中器上設置USB接口，可以在GPRS/GSM網絡故障的情況下由工作人員通過電腦或其他移動式抄表設備進行數據的抄讀。樓宇抄表裝置的硬件框圖如圖2所示。

3 水表遠程抄表系統軟件設計

水表遠程抄表系統軟件設計主要包括用于數據及狀態顯示的LCD液晶顯示程序、進行時間信息處理的實時時鐘程序、采集器的數據采集與處理程序、集中器的按鍵識別與防抖處理程序以及通信程序設計。本文重點介紹GPRS通訊程序設計和USB通訊程序設計。

3.1 GPRS通訊程序設計

3.1.1 AT指令

AT指令是指從終端設備向終端適配器或從數據終端設備向數據電路終端設備發送的指令。通過發送AT指令來控制移動臺的功能，與GSM網絡業務進行交互[2]。本系統中應用到的AT指令,如表1所示。需要注意的是，AT+CMGS指令需要知道目標終端的號碼，即接收端的手機號。

表1 系統應用的AT指令Table 1 System AT directive

表2 USB器件API函數Table 2 USB Device API functions

3.1.2 M23模塊TCP/IP協議

M23模塊內嵌TCP/IP協議，簡化了上網通信協議的程序編寫。在進行GPRS通訊時，只需要根據GPRS通訊流程圖（如圖3所示）按步驟逐條執行TCP/IP協議指令即可。首先進行APN的初始化，采用的指令是AT+CGDCONT=1，IP，CMNET；然后就可以登錄驗證信息了，指令格式為AT%CGPCO=1，PAP，1，PAP；接下來執行“XXXX.XXXX.XXXX.XXXX”，1，1234指令，進行IP地址與端口設置；當最后一條指令ATD*97#完成撥號后，在上述指令正確執行后M23模塊會通過串口通信方式向CPU返回OK字符，GPRS通訊的設置成功，這時就可以發送擬傳輸的數據內容了。

3.2 USB通訊程序設計

USB通訊程序主要介紹C8051F340單片機的USB通信。Silicon Laboratories公司提供的USBXpress開發套件提供了10個USB器件API函數[3]，其函數名稱及函數功能如表2所示。可以利用API函數來實現C8051F340單片機的USB通信。

圖3 GPRS通訊程序流程圖Fig.3 GPRS Traffi c fl ow chart

在設計C8051F340單片機的USB通訊程序時，首先進行單片機的初始化配置I/O及應用程序的調用，然后就可以方便地調用USB器件的API函數USB_Clock_Start()、USB_Init()，USB_Int_Enable()、Block_Write()、USB_Disable()，進行USB總線時鐘的初始化、USB數據的寫入及USB數據接口的打開和關閉等，最終實現USB通訊功能，其通訊流程圖如圖4所示。

4 結束語

圖4 單片機的USB通訊流程圖Fig.4 The USB communication fl owchart

本方案把GPRS網絡應用到水表抄表工作中，實現了遠程數據傳輸功能。文中分析了系統的組網方式，對樓宇抄表裝置的硬件組成、AT指令的實現及通訊程序的設計進行了較詳細地探討。該系統具有現場查詢顯示、利用USB接口進行數據傳輸，并能通過GPRS/GSM網絡實現按選定的地址進行讀取數據，按設定的時間自動讀取數據等功能，可以實現當前住宅小區的自動抄表及數據的網絡化管理。

[1]吳小所,郭存鴿.遠程智能監控系統的研究與設計[J].中國新技術新產品,2010,23:9-10.

[2]李高平.一種基于USB接口的IPC遠程控制模塊開發[J].科技資訊,2010,32:17-18.

[3]趙明.基于GPRS的水表遠程集中抄表系統研究[D].沈陽:沈陽理工大學,2008:27-39.