一種基于NGB的無線自動抄表系統(tǒng)

劉猛，遲紹翠，曹三省

(中國傳媒大學(xué)，北京 100024)

一種基于NGB的無線自動抄表系統(tǒng)

劉猛，遲紹翠，曹三省

(中國傳媒大學(xué)，北京 100024)

本文提出了一種基于NGB(下一代廣播電視網(wǎng))的無線自動抄表系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)包括信息采集、信息收發(fā)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?xì)獗?信息，并將采集的三表信息發(fā)送給信息收發(fā)模塊，信息收發(fā)模塊將接收到的三表信息通過廣電有線雙向網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的信息處理中心，信息處理中心通過廣電有線雙向網(wǎng)絡(luò)與信息收發(fā)模塊進(jìn)行雙向通信并控制三表的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送等操作。該系統(tǒng)采用機(jī)頂盒或數(shù)字電視的現(xiàn)有接口接入無線收發(fā)模塊，用戶操作界面將沿用現(xiàn)有的電視互動平臺，用戶可通過電視機(jī)查詢?nèi)怼⒗U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(qū)向智能化方向的演進(jìn)，人們對于居住環(huán)境的要求日益的提高，建設(shè)智能化小區(qū)已經(jīng)成為當(dāng)前重要的任務(wù)。而自動抄表系統(tǒng)是智能化小區(qū)建設(shè)不可或缺的重要組成部分。自動抄表系統(tǒng)主要有掌上、有線和無線抄表系統(tǒng)，相比于有線抄表系統(tǒng)的系統(tǒng)復(fù)雜性和掌上抄表系統(tǒng)的低自動化，無線抄表系統(tǒng)減少了人力和物力的消耗而且系統(tǒng)構(gòu)造簡單，易于實現(xiàn)［1］。我們所熟知的國內(nèi)現(xiàn)有的無線抄表系統(tǒng)多是基于電信的移動網(wǎng)絡(luò)，需要在手機(jī)端開發(fā)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)，需要開發(fā)表端無線模塊，與小區(qū)屋頂無線收發(fā)系統(tǒng)通信，并有專門人員進(jìn)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(tǒng)，通過stm32f103和NordicRF24L01設(shè)計無線通道，可以在低功耗的情況下完全實現(xiàn)自動抄表、自動收費，并且消費者可利用遙控器和電視機(jī)實現(xiàn)對三表數(shù)據(jù)、以往繳費和賬單等的查詢。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

基于NGB的無線抄表系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用下一代廣播電視網(wǎng)的回傳功能，采用智能機(jī)頂盒、通用計算機(jī)系統(tǒng)、雙向數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，克服了傳統(tǒng)的無線抄表系統(tǒng)的高成本、高功耗和資源浪費問題，實現(xiàn)了對三表數(shù)據(jù)的收集、處理、傳輸以及存儲。

圖1 無線自動抄表系統(tǒng)的總體框架圖

基于NGB的無線自動抄表系統(tǒng)主要由三表信息采集裝置、信息收發(fā)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(fā)裝置包括無線模塊和數(shù)字電視機(jī)頂盒，信息處理裝置為數(shù)字電視用戶信息和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)?；贜GB的無線自動抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)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(jìn)行處理，并通過數(shù)字電視信息和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)計費和管理。系統(tǒng)也使用被動的抄表模式。被動抄表方式，即當(dāng)上層模塊收到用戶發(fā)送的抄表指令時，通過無線模塊間的通信向下層模塊發(fā)送指令。下層模塊根據(jù)收到的指令對三表進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并回傳給上層模塊。上層模塊將收到的數(shù)據(jù)通過數(shù)字電視機(jī)頂盒傳遞給信息處理裝置［3］。

2.2 系統(tǒng)的工作原理

基于NGB的無線自動抄表系統(tǒng)由信息采集裝置、信息收發(fā)裝置和信息處理裝置構(gòu)成，其中信息采集裝置和信息收發(fā)裝置間通過短距離無線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信息收發(fā)裝置和信息處理裝置間通過廣電有線雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。信息采集裝置，用于采集三表端信息，向信息收發(fā)裝置無線發(fā)送三表流量信息和異常信息;信息收發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行處理，并通過廣電有線雙向網(wǎng)絡(luò)與信息的收發(fā)裝置進(jìn)行雙向通信。

信息采集裝置利用三表端安裝的采集模塊進(jìn)行三表流量信息和三表端異常信息的采集;信息收發(fā)裝置由無線模塊和數(shù)字電視機(jī)頂盒構(gòu)成，用于傳輸信息采集裝置端采集的數(shù)據(jù);信息處理裝置，即網(wǎng)絡(luò)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(fā)裝置中的數(shù)字電視機(jī)頂盒，用戶可以通過顯示器查詢實時信息。

3 系統(tǒng)抄表端硬件設(shè)計

系統(tǒng)的短距離無線傳輸系統(tǒng)主要由兩個無線模塊構(gòu)成，一塊處于信息采集裝置，接收上層模塊發(fā)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(fā)裝置，將上層發(fā)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(tǒng)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(shè)計短距離無線傳輸系統(tǒng)。

其中微處理器stm32f103，帶有Cortex-M3內(nèi)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(fā)的優(yōu)勢［4］。

無線芯片NordicRF24L01，是一種新款的單片機(jī)射頻收發(fā)器，可以工作在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出頻率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。該收發(fā)器功耗低，在以-6dbM的功率發(fā)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(jié)能設(shè)計更加方便［5］。

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

圖2 短距離無線傳輸系統(tǒng)

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

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 上層模塊軟件設(shè)計

上層模塊設(shè)計分兩個方面。一個方面需要對數(shù)字電視機(jī)頂盒的接口程序進(jìn)行開發(fā)，為無線模塊直接同機(jī)頂盒的現(xiàn)有接口實現(xiàn)互聯(lián)互通提供了方便，并且需要對機(jī)頂盒的應(yīng)用程序進(jìn)行二次開發(fā)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過廣播電視有線雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸給信息處理裝置。同時需要后端結(jié)算平臺軟件的開發(fā)。另一方面，系統(tǒng)上電后初始配置NordicRF24L01狀態(tài)字，機(jī)頂盒接口端的微控制器收到信息處理裝置發(fā)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(fā)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(fā)送指令［6］。

4.2 下層模塊軟件設(shè)計

首先激活下層模塊，當(dāng)上層模塊發(fā)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(xù)等待新的指令。如果正確，則將上層模塊的指令發(fā)送給三表，采集端收集三表數(shù)據(jù)。接收后，下層模塊通過NordicRF24L01射頻收發(fā)器將數(shù)據(jù)回傳給上層，然后繼續(xù)等待上層模塊的指令。

4.3 無線通信協(xié)議

由于工作在室內(nèi)無線環(huán)境，其無線環(huán)境較為復(fù)雜，因此可靠的無線通信將依賴于可靠性高的無線通信協(xié)議。在這里我們將根據(jù)測試的無線信道特性制定通信協(xié)議，包括幀結(jié)構(gòu)、糾錯方法、接入方式、握手方式等［2］。

5 系統(tǒng)的優(yōu)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(xù)工作幾年不用換。

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

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

(4)該系統(tǒng)為廣電NGB提供了一些實質(zhì)性的應(yīng)用，同時也為廣電服務(wù)家庭物聯(lián)網(wǎng)提供了研究基礎(chǔ)和可行性驗證，即為廣電網(wǎng)新業(yè)務(wù)的開發(fā)提供了切入點［2］。

6 結(jié)束語

本文面向NGB家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，提出了一種無線自動抄表系統(tǒng)，包括信息采集、收發(fā)和處理裝置，通過短距離無線傳感網(wǎng)和廣電有線雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，低功耗、低成本的完成了抄表功能。系統(tǒng)的設(shè)計具有創(chuàng)新性、可靠性和安全性等設(shè)計原則，可以使用戶更加放心的使用。該系統(tǒng)是在三網(wǎng)融合和物聯(lián)網(wǎng)的總體背景下提出的，為廣電NGB提供了一些實質(zhì)性的應(yīng)用，同時也為廣電進(jìn)軍家庭物聯(lián)網(wǎng)提供了研究基礎(chǔ)和可行性驗證。

［1］鄭君剛，吳成東，陳彪，楚好.智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)集中器設(shè)計［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2009，25(4):808-811.

［2］呂新景，江琴寧，樸大志.家庭物聯(lián)網(wǎng):廣電的必爭之地［J］.現(xiàn)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(tǒng)［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(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2010，12(12):15-17.

［5］李輝，宋詩，周建江.基于ARM和Nrf24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［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(tǒng)［J］.微計算機(jī)，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(xué)工科規(guī)劃項目(XNG1015);十一五211工程重點項目(21103040104，21103050203);北京市文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)專項(BJWZ1001-2)

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

(責(zé)任編輯

:龍學(xué)鋒)