基于串口通信的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在人們的日常生活中，水、電、氣是不可缺少的必備生活保障，然而對(duì)于水、電、氣供應(yīng)公司來(lái)說(shuō)，每個(gè)月上門(mén)抄取各個(gè)用戶的三表讀數(shù)卻是非常繁重的工作，需要投入大量的人力和物力?，F(xiàn)在許多公司在研究自動(dòng)抄表系統(tǒng)，但是他們通常采用電話線或者是專線完成與上位機(jī)的通訊，成本比較高。詳見(jiàn)參考資料[3][6][7]。針對(duì)這種情況，作者設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)。自動(dòng)抄表系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱ARMS(Automatic Reading Meter System)，是供應(yīng)水、電、氣的部門(mén)將安裝在用戶處的水、電、氣表所記錄的用量等數(shù)據(jù)通過(guò)遙測(cè)、傳輸和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯總到營(yíng)業(yè)部門(mén)，代替人工抄表及一連串后續(xù)工作的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的無(wú)線通信是采用GSM短消息業(yè)務(wù)，它的實(shí)現(xiàn)是邁向家庭自動(dòng)化的第一步，并有助于提高水電系統(tǒng)管理的現(xiàn)代化水平。該系統(tǒng)具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：其一系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，成千上萬(wàn)，數(shù)據(jù)量大；其二系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)，采集點(diǎn)具有分散性。對(duì)系統(tǒng)的要求，一方面應(yīng)造價(jià)低、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，另一方面數(shù)據(jù)的采集要準(zhǔn)確及時(shí)，又要有一定的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力。隨著現(xiàn)代化電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)都有了飛速發(fā)展，而兩者的結(jié)合又進(jìn)一步演化出許多新的通信方式和通信系統(tǒng)，為ARMS的實(shí)現(xiàn)提供了可能。這樣可避免抄表員上門(mén)抄表帶來(lái)的弊端，省卻了上門(mén)抄表打擾用戶的尷尬問(wèn)題，對(duì)公司、用戶都有很大的便利，具有良好的市場(chǎng)前景。特別是在大中城市里，該系統(tǒng)具有很廣的推廣價(jià)值。

1．系統(tǒng)的組成及工作原理

系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)采集部分；數(shù)據(jù)發(fā)送、無(wú)線通信部分；數(shù)據(jù)接收、處理部分。

工作原理：數(shù)據(jù)采集裝置首先通過(guò)傳感器采集三表的讀數(shù)，將采集的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)（AT89C2051）內(nèi)；單片機(jī)再通過(guò)無(wú)線通訊模塊PTR2000（發(fā)端）將數(shù)據(jù)發(fā)送，用戶集中器的PTR2000（收端）將發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)接收，下位機(jī)主要完成采集數(shù)據(jù)、分時(shí)存儲(chǔ)和同上位機(jī)通信的功能，它通過(guò)串行接口與GSM/Modem聯(lián)接，以公眾網(wǎng)（GSM）為平臺(tái)，通過(guò)電信公眾網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。隨著GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)日益龐大復(fù)雜，所覆蓋地區(qū)也日益廣泛。因而通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸也成為了一種新式的數(shù)據(jù)傳輸手段。GSM/Modem通過(guò)GSM的短消息業(yè)務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)。PC機(jī)（上位機(jī)）一般設(shè)在公司的營(yíng)業(yè)處,它是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理的，它將數(shù)據(jù)收集到，然后對(duì)接收的數(shù)據(jù)整理、存儲(chǔ)、顯示，并計(jì)算出各用戶需繳納的費(fèi)用。還可以將用戶的用量曲線打印出來(lái)，對(duì)實(shí)行季節(jié)電價(jià)、分時(shí)電價(jià)，用經(jīng)濟(jì)杠桿實(shí)現(xiàn)削峰填谷很有利，可以為國(guó)家節(jié)約能源。
　
經(jīng)濟(jì)分析：本系統(tǒng)的最大容量設(shè)計(jì)為1000家。規(guī)定每100ms采集一家的數(shù)據(jù)，則一分鐘可以采集600家的數(shù)據(jù)。普通的電表是2400轉(zhuǎn)/KWH，采集裝置每采集20個(gè)脈沖記1個(gè)點(diǎn)。每十分鐘采集的數(shù)據(jù)最多占1個(gè)字節(jié)，每家的用量數(shù)據(jù)是按增量采集的，三個(gè)表的增量最多占3個(gè)字節(jié)，所以600家的數(shù)據(jù)最多占2K字節(jié)，每分鐘采集一輪，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在AT89C51的RAM內(nèi)，在存儲(chǔ)器內(nèi)整理、打包，每十分鐘發(fā)送一次。由于夜晚用電水氣量比較少，所以在晚上發(fā)送的數(shù)據(jù)包，很多是空包，這樣就浪費(fèi)占用通信信道的時(shí)間。因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用越限發(fā)送，即每次采集的數(shù)據(jù)必須超越一定的量才發(fā)送，一天最多12小時(shí)的用量高峰期是每十分鐘發(fā)送一次的。基于GSM短消息業(yè)務(wù)的容量主要是由短消息服務(wù)中心的處理能力和無(wú)線信令信道的承載能力決定的，每個(gè)短消息的信息量限制為140個(gè)八位組（7比特編碼，160個(gè)字符）不超過(guò)140個(gè)字節(jié)。每十分鐘采集3K數(shù)據(jù)，需要發(fā)送22條短消息，則每月發(fā)送約5萬(wàn)條。按照西安市短信費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)，2-5萬(wàn)條/月的費(fèi)用是2000元/月。平均每家2元/月。因此該系統(tǒng)非常的經(jīng)濟(jì)。而且上位機(jī)每十分鐘就收集一次的數(shù)據(jù)，這樣就可以在一天里用電高峰期里及時(shí)采集用戶的用量，并將用量曲線打印出來(lái)。

2.硬件配置

2.1數(shù)據(jù)采集、發(fā)送部分

水表是將原水表計(jì)數(shù)齒輪指針換裝成帶磁性的指針，再通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；氣表要用帶信號(hào)輸出的氣表；電表必須采用脈沖式電子電度表，電表脈沖輸出的器件為光耦輸出，具有較好的隔離作用。數(shù)據(jù)采集裝置與用戶的電表安裝在一起，為了防止用戶的突然斷電，采集裝置必須裝在空氣開(kāi)關(guān)的前端。電表可以通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖來(lái)測(cè)量，由光電采集頭采集電表的計(jì)數(shù)脈沖，表盤(pán)轉(zhuǎn)一圈，光電采集頭發(fā)出一個(gè)脈沖，輸入的P1口的P1.0，由AT89C2051存儲(chǔ)。然后通過(guò)PTR2000模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

PTR2000模塊乃是超小型、超低功耗、高速率19.2K無(wú)線收發(fā)數(shù)傳MODEM。采用了當(dāng)代最先進(jìn)的歐洲藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用全數(shù)字科技，由單IC組合而成，接收發(fā)射合一，工作頻段為433--434MHz，空中傳輸數(shù)據(jù)速率為19.2Kbps，工作電壓范圍為2.7V-5.25V，采用FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)的DIP引腳間距，更適合嵌入式設(shè)備。當(dāng)PTR2000的TXEN腳為高時(shí)，它處于發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)TXEN腳為低時(shí)，它處于接收狀態(tài)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，將TXEN與AT89C2051的P1.1腳連接，通過(guò)軟件控制PTR2000的狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)接收和遠(yuǎn)程無(wú)線通訊

PTR2000將數(shù)據(jù)接收并且存入AT89C51內(nèi)，ROM和RAM分別用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按當(dāng)時(shí)的時(shí)間存入相應(yīng)時(shí)段的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，時(shí)段間隔為10分鐘。不同日期的同一時(shí)段數(shù)據(jù)僅在相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)累加。采集裝置內(nèi)裝有免維護(hù)電源，保證斷電后還可以工作，保護(hù)數(shù)據(jù)和接收、執(zhí)行上位機(jī)的命令。AT89C51通過(guò)串口與無(wú)線MODEM連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無(wú)線通訊。

GSM（Global System for Mobile Communication）系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的一種系統(tǒng)。我國(guó)目前已建成了覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國(guó)公眾陸地移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。GSM的短消息業(yè)務(wù)SMS(Short Message Service)與話音傳輸及傳真一樣同為GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)，它通過(guò)無(wú)線控制信道進(jìn)行傳輸，是GSM通信網(wǎng)所特有的，經(jīng)短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)功能，它不用撥號(hào)建立連接，直接把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心，由短消息服務(wù)中心再發(fā)送給最終的信宿。這適于把每次采集到的數(shù)據(jù)隨時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心。傳送短消息業(yè)務(wù)的控制信道為專用控制信道（DCCH）。詳見(jiàn)參考資料[6]。短消息業(yè)務(wù)可以使網(wǎng)絡(luò)端知道被叫方是否已經(jīng)收到短消息，如果傳送失敗，被叫方?jīng)]有回答確切消息，網(wǎng)絡(luò)一側(cè)會(huì)保留所傳的消息，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)被叫方能被叫通時(shí)，消息能被重發(fā)以確保被叫方能收到。因此短消息業(yè)務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種主要的電信業(yè)務(wù)，它的傳遞是可靠的。綜上所述，本系統(tǒng)選用GSM的短消息業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳送是可行的。GSM調(diào)制解調(diào)器（GSM/MODEM）的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的以話音為主的通信手段，打開(kāi)了GSM網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用的大門(mén)。它提供RS232數(shù)據(jù)接口,采用AT賀氏指令,符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705。本系統(tǒng)的GSM/MODEM采用法國(guó)WAVECOM公司的GSM/MODEM模塊。
2.3 數(shù)據(jù)處理部分

上位機(jī)通過(guò)DDE接口將下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到EXCEL工作表中，在EXCEL中定義好報(bào)表格式，計(jì)量格式，并將文件以模板格式保存，在抄表完成后，系統(tǒng)能自動(dòng)將數(shù)據(jù)填寫(xiě)到相應(yīng)指定單元格，由EXCEL自動(dòng)計(jì)算，換算成KWH值并算出收費(fèi)值。在上位機(jī)上打印、顯示用戶的水、電、氣費(fèi)和各種報(bào)表及負(fù)荷曲線，當(dāng)用戶負(fù)荷超限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，根據(jù)公司的規(guī)定決定是否發(fā)遙控命令給下位機(jī)對(duì)用戶實(shí)行斷電處理。還可以計(jì)算各個(gè)時(shí)段的費(fèi)用，為電力部門(mén)實(shí)行分時(shí)收費(fèi)提供可靠的保證。而且為了保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，上位機(jī)（PC機(jī)）采用了雙硬盤(pán)做數(shù)據(jù)備份，系統(tǒng)帶有后備電源，停電后能保持正常工作狀態(tài)。后備電源可保證系統(tǒng)在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下正常工作36小時(shí)以上，若停電時(shí)間更長(zhǎng)，系統(tǒng)將不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但原有數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，供電恢復(fù)后需要重新核查數(shù)據(jù)，更新設(shè)置用戶集中器中下位機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

3.軟件設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)采用的是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，因此每家的表都有自己的地址碼。上位機(jī)可以查詢下位機(jī)，下位機(jī)也可以定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目的是一機(jī)（上位機(jī)）對(duì)多機(jī)(下位機(jī))的通訊控制,其通訊軟件主要分為兩部分：上位機(jī)與下位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊軟件；單片機(jī)與GSM/MODEM的串行通訊軟件。詳見(jiàn)參考資料[2]。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是上、下位機(jī)間的遠(yuǎn)程通訊的準(zhǔn)確性。在程序設(shè)計(jì)中，采用通訊協(xié)議（Protocol）的做法，由上位機(jī)發(fā)出讀表指令與地址碼，讓各個(gè)下位機(jī)將記錄的數(shù)據(jù)傳過(guò)來(lái)，同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的正確性。每個(gè)下位機(jī)都編有不同的地址碼，當(dāng)上位機(jī)向所有的下位機(jī)發(fā)送一個(gè)地址碼和抄表指令時(shí)，所有的下位機(jī)都接收到該地址碼，并比較是否與其自身的地址碼相同，如不相同則退出比較，不再接收其他命令。如相同則表示上位機(jī)查詢的就是該下位機(jī)，同時(shí)收回應(yīng)答信號(hào)，并準(zhǔn)備接收命令，而上位機(jī)將收回的應(yīng)答信號(hào)與發(fā)出的地址碼相比較，不同則給出錯(cuò)誤的信息，相同則可控制已叫通的下位機(jī)。這時(shí)已叫通的下位機(jī)繼續(xù)接收上位機(jī)發(fā)送的抄表命令，并收集用戶的數(shù)據(jù)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)，直到接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的執(zhí)行完成命令。
　
4.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的自動(dòng)抄表系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)于一體，采用先進(jìn)的無(wú)線通訊模塊和最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的GSM作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_(tái)，抄數(shù)即快速又準(zhǔn)確，徹底解決了人工抄表的所有弊病。還可進(jìn)一步與銀行系統(tǒng)的微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用自動(dòng)劃撥，大大提高了工作效率，具有良好的市場(chǎng)前景。