關于GPRS技術的遠程智能抄表系統(tǒng)的研究

智能小區(qū)是國家信息基礎建設的重要組成部分。基于GPRS與物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)遠程智能抄表系統(tǒng)，采集終端的上行通信采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術，通過網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)集中器進行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的遠傳。系統(tǒng)具有水、電、氣等資源的自動計量、收費及實時監(jiān)控等功能，能準確實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和傳輸，運行可靠，具有一定的應用推廣價值。

現(xiàn)代家庭中水、電、氣表俗稱“三表”。傳統(tǒng)的人戶抄表不僅給用戶帶來了不便，而且占用大量的人力資源，造成收費難的問題；新興的IC卡技術，較為徹底地解決了以上問題，但對用戶買“水、電、氣”來說還不甚便利，同時與用戶的使用信息也無法得到實時溝通，因此智能抄表和安全監(jiān)控成為行業(yè)發(fā)展的方向。要進行智能抄表和安全監(jiān)控就必須建造傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要有數(shù)傳電臺、電話撥號、衛(wèi)星通訊輔設專線等，這些傳輸方式存在覆蓋范圍小、實時性差、投資及運行費用高等問題。GPRS技術及互聯(lián)網(wǎng)Internet技術的發(fā)展，為工業(yè)監(jiān)控、遙測遙控領域的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化管理提供了廣闊的平臺。

1 系統(tǒng)構建

系統(tǒng)需要一個與互聯(lián)網(wǎng)Internet相連的數(shù)據(jù)中心、與“三表”或需要監(jiān)控的設備相連的數(shù)據(jù)采集器和內(nèi)置GPRS模塊的微處理器。采集器獲取的數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，微處理器通過GPRS模塊登陸到GPRS網(wǎng)絡上經(jīng)過CGSN網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet上的數(shù)據(jù)中心，從而完成數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)服務中心、操作終端、集中器和采集器等5部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 基于GPRS技術的遠程智能抄表系統(tǒng)結構圖

采集器位于居民小區(qū)的信息中心，客戶的“三表”使用數(shù)據(jù)首先通過ZigBee技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥谛^(qū)信息中心的集中器，集中器再通過RS232接口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連。通過GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網(wǎng)絡，通過GPRS網(wǎng)絡傳送至數(shù)據(jù)庫服務器，實現(xiàn)“三表”數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實時在線連接。

2 技術路線

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本硬件系統(tǒng)應包括：用戶三表數(shù)據(jù)采集顯示模塊、樓座單元數(shù)據(jù)集中模塊、ZigBee組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構成的“客戶端”與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、RS-232串口電路、上位管理計算機構成的“數(shù)據(jù)中心”兩部分。“客戶端”與“數(shù)據(jù)中心”通過無線收發(fā)模塊構成的無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.1 數(shù)據(jù)采集顯示模塊

數(shù)據(jù)采集顯示模塊包括：用戶用電量采集與顯示電路、用戶用水量采集與顯示電路、用戶燃氣用量采集與顯示電路3種形式。本系統(tǒng)采用ADI公司推出的單片電能計量專用芯片ADE7751與微處理器設計成的全電子式多費率電能表來實現(xiàn)用戶用電量數(shù)據(jù)采集；采用南京迪泰爾儀表機電設備有限公司生產(chǎn)的脈沖式智能渦街流量計傳感器與微處理器設計成的數(shù)字式水表及脈沖式智能渦街流量計傳感器與微處理器設計成的數(shù)字式燃氣表實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、顯示、傳輸?shù)纫蟆?/p>

2.2 單元集中器模塊

為了便于實現(xiàn)無線集抄功能，本設計在每個樓座的每個單元中加入一個單元集中器。單元集中器與每個數(shù)據(jù)采集部件通過ZigBee組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，用來實現(xiàn)每個客戶“三表”數(shù)據(jù)的定時接收與存儲，它是“三表”與無線收發(fā)模塊的一個核心部分。單元集中器的使用大大簡化無線數(shù)傳網(wǎng)絡的復雜性，降低了系統(tǒng)設備成本。

圖2 單元集中器結構框圖

系統(tǒng)主要由主控制器、GPRS模塊和ZigBee射頻通信模塊3部分組成，其結構框圖如圖2所示。主控制器采用三星公司的ARM9微處理器S3C24-10X，它具有外圍擴展功能模塊，能夠實現(xiàn)高速處理。GPRS模塊采用Siemens公司的TC35終端，通過串口與CPU相連，實現(xiàn)與Internet的連接。ZigBee射頻收發(fā)模塊采用Chipcon AS公司的CC2420芯片，控制采集器內(nèi)具備ZigBee標準接口的檢測設備。

2.3 數(shù)據(jù)通信方案

本系統(tǒng)中，“客戶端”的“單元集中器”與“數(shù)據(jù)中心”的“PC機”之間數(shù)據(jù)傳輸是通過GPRS通信方式實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

單元集中器與客戶“三表”的通信屬于多機通信?；谙到y(tǒng)的特點及功能要求，選用主從式通信方式。單元集中器為主機，各客戶的數(shù)字式“三表”是從機，主、從機之間通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。主機發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機，也可以指定單一的從機接收，而從機發(fā)送的信息只能被主機接收，各從機之間不能進行通信。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)主要包括：三表計量系統(tǒng)軟件、單元集中器通信集存軟件、上位PC機數(shù)據(jù)通信及人機交互接口軟件3部分。

3.1 “三表”計量系統(tǒng)軟件

軟件由初始化、數(shù)據(jù)處理、信號顯示、數(shù)據(jù)通信、鍵盤處理及數(shù)據(jù)存儲幾部分構成。初始化完成對單片機各功能部件初始狀態(tài)及中斷的設置和DS1302控制寄存器的初始化配置并開啟芯片軟件看門狗功能；數(shù)據(jù)處理主要完成采集數(shù)據(jù)計算；數(shù)據(jù)通信完成計量系統(tǒng)與單元集中器間的協(xié)議化通信，按照通訊協(xié)議的要求實現(xiàn)與單元集中器的可靠通訊，以便單元集中器來讀取客戶的數(shù)據(jù)以及設置時間、費率和地址等參數(shù)：信號顯示通過LCD實時顯示時間、“三表”數(shù)據(jù)等；鍵盤處理是按預定鍵值對ADE7751的相關引腳進行配置，設置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，完成時間的校正、查詢及顯示等功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 “三表”計量系統(tǒng)程序流程圖

3.2 上位管理PC機人機接口軟件

數(shù)據(jù)庫服務器是采用SQL server2000，負責存儲所有的用戶資料數(shù)據(jù)、“三表”運行數(shù)據(jù)和各個監(jiān)控終端的歷史運行數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)服務中心和操作終端提供數(shù)據(jù)服務。操作終端通過局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)服務中心連接，完成開戶、傳遞參數(shù)、充值、監(jiān)測、控制、查詢、統(tǒng)計報表等各種操作；遠程操作終端通過GPRS模塊與數(shù)據(jù)服務中心進行數(shù)據(jù)通信，由數(shù)據(jù)服務中心進行數(shù)據(jù)庫的操作。

4 結束語

本系統(tǒng)是將非電量檢測技術、無線數(shù)字傳輸技術、計算機網(wǎng)絡技術、信息安全技術和軟件技術融于一體的高新技術產(chǎn)品，應用且獨立于水、電、煤氣主干網(wǎng)上計量器具計量數(shù)據(jù)信息的提取和數(shù)據(jù)管理，提高了該行業(yè)的信息化管理水平，改變水、電、煤氣的管理現(xiàn)狀；解決目前抄表難度大、勞動強度高等問題，特別是解決管理系統(tǒng)中一直難以解決的高可靠性、高準確性和低功耗問題。通過擴展煤氣泄漏監(jiān)控報警、水電煤氣故障緊急求助等涉及家庭安全方面的功能來全方位的滿足居民的實際需求。