基于GPRS的水表遠程集中抄表系統(tǒng)的設(shè)計

陳白寧，趙 明，任亞軍

（沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110168）

0 引言

當前水表自動抄表系統(tǒng)主要有四大類型：智能卡式水表、分線制集中式水表、總線制智能式水表、無線發(fā)射式水表?？偩€制水表的采集計量工作單元均裝配在水表內(nèi)并密封，數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等工作全由智能水表本身完成，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進行通訊聯(lián)系，而通訊方式又多種多樣。本系統(tǒng)采用GPRS通訊和USB通訊，系統(tǒng)正常工作時以GPRS通訊為主，當GPRS通訊出現(xiàn)故障時，工作人員可從集中器中通過USB通訊讀出數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性都比較高。

1 系統(tǒng)組成及功能

水表遠程集中抄表系統(tǒng)主要由脈沖水表、采集器、集中器和管理機組成。脈沖水表主要完成用水量數(shù)據(jù)的采集，將水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成脈沖信號；采集器對脈沖信號進行處理、存儲,并通過485總線與集中器進行通訊，當接收到上層指令后，可通過控制電動閥來控制用戶用水；集中器的作用為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和總線隔離，它的主要任務(wù)有兩項：一是通過485總線與智能水表通訊，根據(jù)管理機的要求查詢某個水表的數(shù)據(jù)；二是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與管理機通訊，將采集器的數(shù)據(jù)信息傳輸給管理機；為避免GPRS網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致無法抄表，在集中器中設(shè)置USB接口，工作人員可用電腦或手抄器通過集中器抄讀數(shù)據(jù)；管理機對用戶的購水量和用水量信息進行管理，并可通過發(fā)送特定指令遠程控制用戶用水。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 采集器的硬件設(shè)計

采集器主要由CPU、閥門控制電路、低電壓檢測電路、485通訊接口電路、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、故障報警電路組成，其硬件框圖如圖2所示。

由于采集器通過電池供電，CPU選擇TI公司MSP430系列超低功耗的混合信號控制器，MSP430系列單片機，在1.8～3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，工作電流在0.1～400μA之間，并且外設(shè)資源豐富。

閥門是系統(tǒng)工作的重要器件，本系統(tǒng)中采用的是電動球閥，它對工作電壓要求不高，在3V電壓下也能正常工作，而且工作電流低，可以直接驅(qū)動。正常供水情況下，電動閥處于常開狀態(tài)，驅(qū)動機構(gòu)不消耗電能；當預(yù)購水量用完時，電磁閥關(guān)閉并自鎖于常閉狀態(tài)。為防止閥門生銹出現(xiàn)不能關(guān)閉的情況，在程序上應(yīng)設(shè)定每運行一定時間，控制閥門開閉一次。

圖2 采集器硬件框圖

采集器采用專用協(xié)議與集中器通信，RS-485的傳輸距離最大可達1200m。RS-485標準中沒有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定了最大總線為32個單位負載，可以通過增大收發(fā)器輸入電阻擴展總線節(jié)點數(shù)。

采集器通過LCD模塊顯示的信息包括總用水量、當月用水量、開關(guān)閥狀態(tài)、電池狀態(tài)和故障等。為滿足低功耗的要求，LCD平時處于休眠狀態(tài)，可用中斷喚醒的方式使其顯示。

2.2 集中器的硬件設(shè)計

集中器主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與管理機通訊。集中器的電源采用市電，為保證系統(tǒng)的可靠運行，配有備用電源。其硬件框圖如圖3所示。

圖3 集中器硬件框圖

由于系統(tǒng)采用外部電源供電，低功耗不再是系統(tǒng)設(shè)計的主要目標。為實現(xiàn)集中器的功能，選擇C8051F340作為集中器的CPU，C8051F340是Silicon Laboratories公司推出的可提供USB功能的混合信號微控制器，其USB功能控制器具有完整的USB2.0認證,支持全速與低速操作,可用于大多數(shù)USB外設(shè)設(shè)計。Silicon Laboratories公司還為USB驅(qū)動程序開發(fā)提供了USBXpress開發(fā)套件,使USB主機和從機驅(qū)動程序開發(fā)可以快捷、高效地完成。

目前，用于工業(yè)系統(tǒng)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊比較多，本系統(tǒng)選擇M32模塊。其主要特點是：內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，免除了編寫上網(wǎng)通信協(xié)議的繁雜過程，縮短了開發(fā)周期；內(nèi)部使用通用AT命令集控制數(shù)據(jù)的收發(fā)；支持所有的通信方式。

3 水表遠程集中抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 集中器與采集器通訊協(xié)議

為確保通訊成功，通訊雙方必須在軟件上有一系列的約定，通常稱為通訊協(xié)議。本系統(tǒng)的通訊協(xié)議如下：

集中器發(fā)出的信息幀由前導(dǎo)字節(jié)、幀起始符、儀表類型、采集器地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、幀信息、縱向校驗碼及幀結(jié)束符等九個域組成，每個域由若干字節(jié)組成,信息幀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息幀的結(jié)構(gòu)

其中前導(dǎo)字節(jié)是由集中器或采集器發(fā)送的所有幀前面的一串規(guī)定數(shù)目的十六進制的字符，本系統(tǒng)采用3個字符；幀起始符為68H，表示一幀信息的開始；儀表類型是指參與通信的采集器屬于何種類型的計量儀表，水表抄表系統(tǒng)的儀表類型為10H-19H中任意一個數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選擇10H；采集器地址域由7個字節(jié)組成(A0A1A2A3A4A5A6)，每個字節(jié)為2位BCD碼格式，地址長度為14位十進制數(shù)，其中A6A5為廠商代碼，低地址在前，高地址在后。當某一字節(jié)以AAH尋址時，忽略該字節(jié)地址；當?shù)刂窞锳AAAAAAAAAAAAAH時，為廣播地址。控制碼的格式如圖5所示：其中D7為0時表示由集中器發(fā)出的控制幀，為1時表示由采集器發(fā)出的應(yīng)答幀。D6為0時表示采集器正確應(yīng)答，為1時表示采集器對異常信息的應(yīng)答。D5-DO為控制碼，部分控制碼及其功能如下：

圖5 控制格式

數(shù)據(jù)長度字段包含一個表示字節(jié)數(shù)的整數(shù)，用十六進制表示，是數(shù)據(jù)長度字段和校驗字段之間(不包括該兩個字段)的數(shù)據(jù)字節(jié)的計數(shù)值。讀數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)長度小于或等于64H。寫數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)長度小于或等于32H。數(shù)據(jù)長度等于0，表示無數(shù)據(jù)域。校驗碼采用累加和校驗，一個字節(jié)從幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節(jié)進行二進制算術(shù)累加，不計超過FFH的溢出值。

3.2 采集器的軟件設(shè)計

采集器的軟件功能主要包括脈沖數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)顯示、閥門控制和485通訊等部分組成。主程序主要負責(zé)初始化，初始化完成后即進入低功耗模式，等待中斷，由各個中斷服務(wù)程序完成采集器的全部功能。中斷服務(wù)程序包括計數(shù)脈沖信號中斷、通訊中斷、顯示中斷、低電量中斷、防拆信號中斷。采集器的中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。

3.3 集中器的軟件設(shè)計

3.3.1 接入GPRS網(wǎng)絡(luò)

集中器主程序的主要任務(wù)是通過AT指令控制M32模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)和USB功能的初始化。其登入GPRS網(wǎng)絡(luò)的AT指令為

AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；這條指令指使用中國移動的APN。

AT%CGPCO=1 “PAP，，”，1；這條指令完成PAP驗證。

圖6 采集器中斷服務(wù)程序流程圖

AT$DESTINFO=“XXXX.XXXX.XXXX.XXXX”,1,1234；這條指令中XXXX.XXXX.XXXX.XXXX為管理機的公網(wǎng)IP地址，1234為管理機中管理軟件接收/發(fā)送數(shù)據(jù)所用端口。

ATD*97#；這條指令直接用于撥號。

完成上述AT指令后，集中器與管理機建立了透明傳輸連接。

3.3.2 USB通訊API程序設(shè)計

借助USBXpress提供的USB器件API,可以簡便地實現(xiàn)C8051F340單片機作為USB器件的USB通信。USBXpress提供了10個USB器件API函數(shù)。在對C8051F340單片機進行編程時,只需將USBXpress提供的API函數(shù)的封裝庫USBX_F34X.LIB調(diào)入編譯軟件的鏈接器中,并在主程序中用“include”命令包含USB_API.h頭文件，就可以調(diào)用USBXpress提供的10個USB器件API函數(shù),從而實現(xiàn)對USB數(shù)據(jù)包的讀寫，其程序流程圖如圖7所示，圖7a為USB器件的初始化，圖7b為中斷服務(wù)程序。

4 結(jié)束語

圖7 USB通訊API程序流程圖

實現(xiàn)水表的遠程集中抄表，可以有效地解決入戶抄表效率低的問題，提高自來水公司的用水管理水平和管理效率，使管理部門隨時了解居民的用水情況，并且抄表工作不受時間限制，杜絕拖欠水費，避免干擾居民生活，減少安全隱患。

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