具有遠程管理和報警功能的智能水表系統

何璋函 周金治

摘 要目前國內為解決上門抄表與收費難、工作量大的問題，最適宜采用的水表應該是預付費的智能水表。該系統采用MSP430F169單片機作為主芯片，處理采集到的數據及發送關斷與開啟水閥信號，并用到網絡芯片CS8900A與服務器通信，共同實現預先收費-欠費斷水的功能。其包含網絡通信模塊、串口通信模塊、本地顯示模塊和流量檢測模塊等，具有網絡充值、余額不足及斷水短信提示、自動供水斷水、按鍵查詢、本地顯示等功能。

【關鍵詞】智能水表系統 以太網 GSM MSP430F169 TCP/IP

智能水表是近年來以自動控制技術和信息網絡技術為支撐，以信息化管理需求為依托而發展起來的高新技術產品，占有很大的市場量。但是發展近20年，在應用方面，故障率偏高，嚴重影響水費回收，處于尷尬局面。而造成這種被動局面主要因素是產品技術不過關、性能不穩定。

從目前的國情來看，智能卡水表仍將在未來幾十年中，占智能水表行業的主流。然而智能卡水表存在抗攻擊干擾難題。隨著互聯網技術的成熟發展，遠傳水表將成為今后水表發展的主要方向，是抄表方式向信息化、數字化、自動化方向發展的重要手段。

本文做的是有線遠傳，采用總線方式，將各戶的遠傳線路并接在一起，通過地址掃描，實現抄表。做到了網絡化的遠傳水表和集中管理模式且具有短信報警功能，為用戶提供方便。

1 系統總體設計

本系統包括兩部分，用戶水表和用水管理中心。用戶水表利用德州儀器（TI）公司超低耗單片機MSP430F169作為主控芯片，其包括電源、時鐘、按鍵、顯示、水閥控制、短信報警、以太網控制、模擬水流采樣等部分，實現了水流量采集以及數據的存儲與處理功能，另外在MSP430單片機程序中實現TCP/IP協議，用以太網控制芯片CS8900實現網絡接口，使嵌入式系統接入因特網與用戶管理中心通信，接收用水單價數據及系統時間，發送用戶用水量及余額等。水表主芯片通過串口MAX232向GSM模塊傳送AT指令，實現短消息業務，向用戶發出提示短信。用水管理中心是基于Delphi技術和Access數據庫的設計，通過以太網與水表建立聯系，實現遠程抄表與集中管理。

2 硬件及軟件設計

2.1 模擬水流采樣設計

模擬水流采樣電路主要由51單片機控制，通過其內部定時器使某一個端口交替地出現高低電平，產生模擬水流脈沖，由51單片機計數，用段式LED顯示脈沖頻率和累計脈沖數，檢測水表計量。

2.2 MSP430 F169單片機的軟硬件設計

MSP430F169是16位的超低功耗單片機，工作電壓為1.8～3.6V，內部有64KB的FLASH存儲器和2KB的RAM，有足夠的空間存儲程序和用戶數據信息，外接8MHz的主頻時鐘以及32KHz的低速時鐘以滿足不同的功耗應用?？傮w流程圖如圖2。

各部分設計如下：

2.2.1 水流采集部分

選擇開啟MSP430F169單片機具有捕獲功能的端口采集51單片機發出的模擬水流脈沖。

2.2.2 液晶顯示部分

選用的是JDL12864G，內置128個16×8點陣字符，顯示漢字，方便用戶閱讀。利用MSP430F169單片機中具有中斷功能的4個端口作為按鍵查詢接口，下降沿觸發，進入中斷后，對用戶數據更新再顯示，四個按鍵對應顯示日用水量、月用水量、剩余水量及系統時間。

2.2.3 水閥控制部分

當檢測到余額已不足最小計價單位時，將MEP430F169單片機的一個引腳置低控制51不產生脈沖信號，用戶充值后再將其置高。

2.2.4 短信提示部分

即串口通信部分，是MSP430F169單片機的串口接收引腳URXD和發送引腳UTXD通過MAX232進行電平轉換后與西門子TC3系列的TC35i的GSM[模塊連接。利用RS232協議向GSM模塊傳送標準的AT命令，最終向用戶發送提示短信，方便用戶了解用水情況。

2.2.5 網絡接口轉換部分

硬件，采用16位的以太網控制器CS8900A。該控制器集成度高，與主控芯片接口簡單。本系統選擇8位I/O工作模式。其16個寄存器通過4根地址線和2根控制線對其進行讀寫控制。在控制器與終端設備接口RJ45之間接入通信網絡變壓器20F-01R，起阻抗匹配和高電壓隔離等作用。軟件，主要是驅動CS8900A，以函數的形式給其它模塊提供讀寫其寄存器的接口、產生讀寫時鐘等。系統上電后，先對CS8900A進行初始化配置，接著MSP430F169單片機把本機的MAC地址以配置序列字的形式發給CS8900A，CS8900A把MAC地址存儲在寄存器中。完成配置后，MSP430F169單片機便可以對CS8900A進行數據讀寫。

2.2.6 TCP/IP協議部分

16位的MSP430F169單片機構建的嵌入式系統，處理能力和資源都十分有限，通常不能運行操作系統。因此要對標準的TCP/IP協議進行簡化，構建一套通信可靠、功能相對完善的微型TCP/IP協議棧。根據TCP/IP協議不同層次特點，需要實現的各層協議如表1。

TCP/IP模塊定義了網絡用來收發數據的各種協議，使用CS8900A所提供的各種讀寫函數來發送和接收數據，同時為上層應用程序提供簡單易用的API接口函數。其中，最重要的函數是DoNetworkStuff（），該函數主要是處理網絡和TCP事件，周期性地被用戶程序調用，而且調用越頻繁越好。另外調用函數TCPPassiveOpen（）或TCPActiveOpen（）建立網絡通信連接。當接收機接收到數據后，返回一個接收正確信號。當發送機在超過設定時間后仍未收到接收正確信號時，TCP/IP模塊自動進行數據包重發。當數據發送完畢，可以通過函數TCPClose（）關閉連接。

2.3 用水管理中心服務器模塊設計

用水管理中心服務器是基于Delphi7和Access數據庫設計的，結構簡單易操作。在服務器端及水表客戶端，可以實現服務器IP地址及通訊端口的設置。服務器端設定計算機的4025端口作為通信端口，ServerSocket組件是通信的響應方，監聽及被動接收水表客服端的請求，并進行回復。后臺采用Access數據庫，存儲用戶基本信息和充值信息。

根據用水管理中心管理用戶的需要，分為四大功能模塊，其功能模塊示意圖如圖3。

3 結論

水表中MSP430F169主芯片采集51單片機發出的脈沖并存儲，進行數據處理，通過按鍵查詢，LCD顯示用戶當日、當月、剩余用水量及時間。當用戶余額不足系統設定值時，向用戶發送報警短信，提示充值。當用戶余額用完，水表自動發送關斷水閥的信號，同時也會發送報警短信，提示已停水。用水管中心服務器，通過Internet建立用戶和水廠的信息交互，并存儲用戶一年的用水信息，可對用戶進行集中管理。

本文在MSP430F169單片機中嵌入了精簡的TCP/IP協議，采用C/S模式，實現遠程抄表、集中管理用戶信息等功能。其功耗低、實用性強，對用戶水表進行實時監控，還實現了水流量測試和對歷史數據的掉電存儲功能。

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作者簡介

何璋函（1993-），男，現為成都信息工程大學電子工程學院大學本科在讀學生。主要研究方向為信息與控制技術。

通訊作者簡介

周金治（1971-），男，碩士學位?，F在供職于西南科技大學信息工程學院。主要研究方向為計算機網絡與物聯網技術。

作者單位

1.成都信息工程大學電子工程學院 四川省成都市 610225

2.西南科技大學信息工程學院 四川省綿陽市 621010