基于W5100的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Design of the Network Remote Meter Reading System Based on W5100

林　濤　趙宏科　李　輝　郭　曉　陳　恩

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津　300130)

基于W5100的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Design of the Network Remote Meter Reading System Based on W5100

林濤趙宏科李輝郭曉陳恩

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130)

摘要：針對(duì)目前國內(nèi)人工抄表效率低、實(shí)時(shí)性差，現(xiàn)有GPRS等無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可靠性差、成本高等問題，提出了基于硬件協(xié)議棧的以太網(wǎng)通信模塊W5100的遠(yuǎn)程抄表方案。介紹了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的組成和工作原理，闡述了軟硬件設(shè)計(jì)。用于水表數(shù)據(jù)采集的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠方便快捷地接入網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定可靠地抄取水表數(shù)據(jù)，在水表等智能儀表抄表領(lǐng)域可高效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表W5100網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)議棧單片機(jī)M_Bus

Abstract：At present, the manual meter reading method features low efficiency and poor real time performance, while the wireless remote meter reading systems using such as GPRS technology features low reliability and high cost, thus the remote meter reading strategy based on Ethernet communication module W5100 with hardware protocol stack is proposed. The composition and working principle of such system are introduced, and the design of hardware and software is described. The test results of using it in water meter data acquisition indicate that the system can be easily connected into the network and fetches the data from water meters reliably and stably, it can effectively implement remote automatic meter reading in intelligent instrument meter reading areas including water meter.

Keywords：Remote meter readingW5100NetworkHardware protocol stackSingle chip machineM_Bus

0引言

由于儀表數(shù)量多、地理位置分散，傳統(tǒng)人工抄表容易造成漏抄、錯(cuò)抄，已無法勝任抄表任務(wù)[1]。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表成為社會(huì)發(fā)展的需要。

現(xiàn)存遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的區(qū)別主要在于通信方式的不同[2]，其組成形式主要采取GPRS直接遠(yuǎn)傳和短距離無線通信加GPRS遠(yuǎn)傳的方式。短距離無線通信模塊主要有ZigBee、WiFi、無線射頻模塊等[3-6]。直接GPRS遠(yuǎn)傳適合通信頻繁、數(shù)據(jù)量大的復(fù)雜系統(tǒng)[7]。新興的自組織網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。但是自組網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜，加上無線模塊的通信距離有限，隨著組網(wǎng)層數(shù)增加，管理中心和數(shù)據(jù)采集終端通信時(shí)間增長；為提高通信可靠性，需要花費(fèi)很大精力制定通信協(xié)議。以太網(wǎng)兼有傳輸速率高和傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的高速通信[8]。因此本文提出了一種基于W5100的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表解決方案，可廣泛應(yīng)用于水表遠(yuǎn)程抄表。

1W5100網(wǎng)絡(luò)接口模塊介紹

W5100是WIZnet公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器的多功能固件網(wǎng)絡(luò)芯片,內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)，兼容IEEE 802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[9]。硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是一款真正的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片。

W5100提供3種總線接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線，內(nèi)置16 kB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，最高可兼容100 MB以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信[10]。該芯片主要由4部分組成: 硬件TCP/IP核、MCU接口單元、以太網(wǎng)物理層單元和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)[11]。

2系統(tǒng)的組成與工作原理

2.1　系統(tǒng)組成

基于W5100的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層由終端儀表和集中器組成，網(wǎng)絡(luò)傳輸層由單片機(jī)控制W5100模塊，應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)管理中心。

選用TI公司的16位Flash型MSP430F5438系列單片機(jī)作為遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)各部分的主控芯片。MSP430系列單片機(jī)可快速響應(yīng)外設(shè)中斷，是為超低功耗的應(yīng)用而設(shè)計(jì);外設(shè)電流消耗小、處理速度高、數(shù)據(jù)的吞吐量大，特別適合應(yīng)用于手持或電池設(shè)備[12]。該單片機(jī)用于表端控制數(shù)據(jù)采集、集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總以及控制W5100模塊工作，完全能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)的需求。

圖1　遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)組成框圖

M_BUS總線是專為計(jì)量儀表的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的新型總線結(jié)構(gòu)儀表總線，可滿足電池供電或遠(yuǎn)傳供電的計(jì)量儀表的特殊要求。國家建設(shè)部于2004年6月頒布了《戶用計(jì)量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》(CJ/T 188—2004)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了將MSP430單片機(jī)作為計(jì)量儀表電路中的主控芯片，將M_BUS作為數(shù)據(jù)傳輸方式的首選[11]。RJ_45作為以太網(wǎng)通信的接口，是實(shí)現(xiàn)集中器接入Internet的樞紐。

2.2　系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)采集層由終端檢測儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)M_BUS總線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總?？偩€上主站向從站、從站向主站傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，分別采用電壓和電流的變化來表示邏輯“0”和“1”。數(shù)據(jù)在各層之間傳輸時(shí)，幀格式的定義以188協(xié)議的規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)層集中器通過W5100模塊接入Internet網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢等操作。

該網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)有兩種工作模式：定時(shí)上報(bào)模式和即時(shí)抄表模式。工作于定時(shí)上報(bào)模式時(shí)，數(shù)據(jù)采集層將所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)。到達(dá)抄表時(shí)刻，集中器將各個(gè)終端儀表喚醒，并通過串口連接至M_BUS總線獲取儀表數(shù)據(jù)。通過W5100模塊接入到以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)在指定時(shí)間自動(dòng)上報(bào)給服務(wù)器，由服務(wù)器將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，供用戶和相關(guān)部門進(jìn)行查閱。該系統(tǒng)工作在即時(shí)抄表模式時(shí)，服務(wù)器向集中器發(fā)抄表指令，集中器接收到指令后進(jìn)行將指令解析并下發(fā)給指定地址的水表進(jìn)行相關(guān)操作。

3遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

與系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成相對(duì)應(yīng)，該網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括終端數(shù)據(jù)采集模塊、W5100網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)管理中心三部分。

3.1　W5100網(wǎng)絡(luò)通信模塊軟件設(shè)計(jì)

W5100網(wǎng)絡(luò)接口模塊是本網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。由于W5100內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議，所以只需要對(duì)其寄存器進(jìn)行正確的配置，即可接入以太網(wǎng)；在創(chuàng)建套接字之后，即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。單片機(jī)通過SPI總線與W5100模塊進(jìn)行通信。對(duì)W5100的寄存器設(shè)置包括基本寄存器的設(shè)置和套接字寄存器的設(shè)置。

W5100通信流程如圖2所示。

圖2　W5100通信流程圖

TCP是以連接為基礎(chǔ)的通信方式，通信有保障，不會(huì)出現(xiàn)中間的丟包、亂序等問題，應(yīng)用層只需關(guān)注業(yè)務(wù)即可。由于抄表系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求較高，因此采用TCP通信協(xié)議。它必須首先建立連接，然后利用連接的IP地址和端口號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TCP有兩種連接方式：一種是服務(wù)器模式(被動(dòng)開啟)，另一種是客戶端模式(主動(dòng)開啟)。系統(tǒng)工作于定時(shí)上報(bào)模式時(shí)，集中器上的W5100工作于客戶端模式，向系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送連接請求。連接成功后將抄表數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)服務(wù)器；系統(tǒng)工作于即時(shí)抄表模式時(shí)，集中器上的W5100工作于服務(wù)器模式，等待系統(tǒng)服務(wù)器的連接請求和指令。網(wǎng)絡(luò)連接成功后，W5100利用套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3.2　終端數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

終端數(shù)據(jù)采集模塊軟件主要包括以下幾個(gè)部分：初始化、指令處理模塊、抄表模塊、通信管理模塊。

初始化部分包括單片機(jī)的初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O端口的配置、串口的初始化。初始化完畢后，采集終端MCU進(jìn)入低功耗模式以節(jié)省電能，直到自動(dòng)抄表時(shí)刻到達(dá)或者收到數(shù)據(jù)管理中心即時(shí)抄表指令，才會(huì)執(zhí)行相關(guān)的操作。

指令處理模塊包括指令的接收和發(fā)送、校驗(yàn)、解析與封裝。當(dāng)采集終端接收到指令時(shí)，對(duì)指令進(jìn)行校驗(yàn)，判斷內(nèi)容，決定對(duì)其重新封裝或者直接轉(zhuǎn)發(fā)給表；若校驗(yàn)錯(cuò)誤則置位相應(yīng)錯(cuò)誤標(biāo)志，回復(fù)校驗(yàn)錯(cuò)誤應(yīng)答。

抄表模塊完成對(duì)水表的操作，即向表發(fā)送抄表指令,收到抄表數(shù)據(jù)以后進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確則進(jìn)行存儲(chǔ)；校驗(yàn)錯(cuò)誤則重新發(fā)送3遍抄表指令，直到收到正確的抄表數(shù)據(jù)。收不到抄表數(shù)據(jù)，則放棄本次操作，并向管理中心上報(bào)，然后繼續(xù)執(zhí)行下一塊表的抄表操作。

通信模塊負(fù)責(zé)管理中心和終端數(shù)據(jù)采集部分的上行和下行數(shù)據(jù)傳輸。下行將封裝好的管理中心的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，上行將收到的抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并通過W5100返回給管理中心。其軟件流程圖如圖3所示。

圖3　通信模塊軟件流程圖

3.3　數(shù)據(jù)管理中心軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理中心主要包括以下功能模塊：系統(tǒng)設(shè)置模塊、抄表管理模塊、用戶管理數(shù)據(jù)管理模塊、打印管理模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊可以設(shè)置系統(tǒng)工作模式、系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)，主要是集中器時(shí)間的設(shè)置，用于定時(shí)自動(dòng)抄表。儀表管理模塊用于設(shè)置定時(shí)抄表時(shí)間、所要抄表地址、對(duì)表進(jìn)行操作(增加、刪除表等)。用戶管理模塊主要完成用戶的添加、刪除、查找和修改用戶信息的功能，還可以對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行設(shè)置。該系統(tǒng)用戶權(quán)限包括兩種：普通用戶和系統(tǒng)管理員。系統(tǒng)管理員只有一個(gè)，可以對(duì)所有普通用戶信息進(jìn)行查看和編輯；普通用戶只能查看和修改自己的信息和對(duì)資源消費(fèi)情況，而不能對(duì)其他用戶和管理員的信息進(jìn)行操作。打印管理模塊用于選擇與數(shù)據(jù)管理中心連接的打印機(jī)，將需要打印的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。數(shù)據(jù)管理中心軟件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)管理中心軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

4系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)用于水表抄表的試運(yùn)行結(jié)果良好，能夠可靠地抄取水表數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)表進(jìn)行操作(開關(guān)閥控制等)和監(jiān)控表的狀態(tài)，功耗低，能滿足抄表系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。軟件設(shè)計(jì)具有執(zhí)行效率高、可擴(kuò)展性好和可移植性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)具有

廣闊的市場前景。

5結(jié)束語

相對(duì)于傳統(tǒng)的基于有線連接或基于GPRS或GSM短消息的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，新興的無線自組織網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，如不會(huì)掉線、通信速度快、實(shí)時(shí)性好; 設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本低；可進(jìn)行不定期、長時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸，可靠性好。隨著互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503012

河北省支撐基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13210307D)。

修改稿收到日期：2014-08-10。

第一作者林濤(1970-)，男，2007年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)控制理論與控制決策專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制理論、網(wǎng)絡(luò)管理與安全、嵌入式系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制等方面的研究。