基于GPRS的水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任亞軍，趙明，朱文革，王英

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161；2.北方重工集團(tuán) 盾構(gòu)機(jī)分公司，沈陽 110027)

0 引言

目前中國居民用戶的水表抄表、收費(fèi)方式多采用人工入戶抄表，隨著高層、高檔住宅小區(qū)的興起，傳統(tǒng)的手工抄表方式暴露出日益嚴(yán)重的質(zhì)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(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)不斷提高，采用先進(jìn)的抄表技術(shù)和抄表方法是解決這一問題的關(guān)鍵。采用水表數(shù)據(jù)戶外計(jì)量的自動(dòng)化抄表方式，在節(jié)約人力資源、利于管理部門及時(shí)掌握確切的數(shù)據(jù)信息、綜合統(tǒng)計(jì)分析等方面有諸多優(yōu)勢[1]。本文介紹了一種水表遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備GPRS網(wǎng)絡(luò)抄表功能和USB集中抄表功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)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(tái)抄表管理裝置。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，樓宇抄表裝置由數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)集中器組成，數(shù)據(jù)采集器的功能是接收脈沖水表的信號(hào)，并進(jìn)行處理、存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)集中器是自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它通過RS-485總線抄收采集器的用水量數(shù)據(jù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)抄表管理裝置進(jìn)行通信，可根據(jù)后臺(tái)抄表管理裝置的指令要求查詢?nèi)我庖粋€(gè)水表的相關(guān)數(shù)據(jù)，此外還可以定時(shí)將采集器的數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)抄表管理系統(tǒng)。

2 樓宇抄表裝置硬件電路設(shè)計(jì)

樓宇抄表裝置由數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)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(fā)套件。

數(shù)據(jù)采集器的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括CPU及其外圍電路的設(shè)計(jì)、脈沖信號(hào)采集電路及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路的設(shè)計(jì)。

圖1 遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)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(shù)據(jù)集中器的硬件電路主要由CPU電路、RS-485電路、時(shí)鐘接口電路、GPRS/GSM電路、數(shù)據(jù)顯示電路、鍵盤等組成。其中，GPRS/GSM模塊選用BENQ M23，在控制數(shù)據(jù)收發(fā)方式上。該模塊內(nèi)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(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，免除了復(fù)雜的上網(wǎng)通信協(xié)議編寫過程，減少了程序數(shù)量，縮短了程序編寫周期。在集中器上設(shè)置USB接口，可以在GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)故障的情況下由工作人員通過電腦或其他移動(dòng)式抄表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的抄讀。樓宇抄表裝置的硬件框圖如圖2所示。

3 水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括用于數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示的LCD液晶顯示程序、進(jìn)行時(shí)間信息處理的實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序、采集器的數(shù)據(jù)采集與處理程序、集中器的按鍵識(shí)別與防抖處理程序以及通信程序設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹GPRS通訊程序設(shè)計(jì)和USB通訊程序設(shè)計(jì)。

3.1 GPRS通訊程序設(shè)計(jì)

3.1.1 AT指令

AT指令是指從終端設(shè)備向終端適配器或從數(shù)據(jù)終端設(shè)備向數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的指令。通過發(fā)送AT指令來控制移動(dòng)臺(tái)的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互[2]。本系統(tǒng)中應(yīng)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(biāo)終端的號(hào)碼，即接收端的手機(jī)號(hào)。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用的AT指令Table 1 System AT directive

表2 USB器件API函數(shù)Table 2 USB Device API functions

3.1.2 M23模塊TCP/IP協(xié)議

M23模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，簡化了上網(wǎng)通信協(xié)議的程序編寫。在進(jìn)行GPRS通訊時(shí)，只需要根據(jù)GPRS通訊流程圖（如圖3所示）按步驟逐條執(zhí)行TCP/IP協(xié)議指令即可。首先進(jìn)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(yàn)證信息了，指令格式為AT%CGPCO=1，PAP，1，PAP；接下來執(zhí)行“XXXX.XXXX.XXXX.XXXX”，1，1234指令，進(jìn)行IP地址與端口設(shè)置；當(dāng)最后一條指令A(yù)TD*97#完成撥號(hào)后，在上述指令正確執(zhí)行后M23模塊會(huì)通過串口通信方式向CPU返回OK字符，GPRS通訊的設(shè)置成功，這時(shí)就可以發(fā)送擬傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容了。

3.2 USB通訊程序設(shè)計(jì)

USB通訊程序主要介紹C8051F340單片機(jī)的USB通信。Silicon Laboratories公司提供的USBXpress開發(fā)套件提供了10個(gè)USB器件API函數(shù)[3]，其函數(shù)名稱及函數(shù)功能如表2所示。可以利用API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)C8051F340單片機(jī)的USB通信。

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

在設(shè)計(jì)C8051F340單片機(jī)的USB通訊程序時(shí)，首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化配置I/O及應(yīng)用程序的調(diào)用，然后就可以方便地調(diào)用USB器件的API函數(shù)USB_Clock_Start()、USB_Init()，USB_Int_Enable()、Block_Write()、USB_Disable()，進(jìn)行USB總線時(shí)鐘的初始化、USB數(shù)據(jù)的寫入及USB數(shù)據(jù)接口的打開和關(guān)閉等，最終實(shí)現(xiàn)USB通訊功能，其通訊流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

圖4 單片機(jī)的USB通訊流程圖Fig.4 The USB communication fl owchart

本方案把GPRS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水表抄表工作中，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。文中分析了系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，對樓宇抄表裝置的硬件組成、AT指令的實(shí)現(xiàn)及通訊程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)地探討。該系統(tǒng)具有現(xiàn)場查詢顯示、利用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并能通過GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)按選定的地址進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，按設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)等功能，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前住宅小區(qū)的自動(dòng)抄表及數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

[1]吳小所,郭存鴿.遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010,23:9-10.

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

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