基于GPRS的自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

水表、電表和氣表的抄錄是城市生活的一個(gè)大問(wèn)題。傳統(tǒng)上采用的人工上門(mén)抄表方法不僅效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)漏抄、誤抄等現(xiàn)象。隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

現(xiàn)代智能化系統(tǒng)一般采用兩種：電力載波集抄和總線通信方式。由于我國(guó)的電網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受無(wú)線電信號(hào)、電磁信號(hào)、脈沖信號(hào)的干擾，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)錯(cuò)碼、丟碼的情況?？偩€通信方式集抄系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且要另外鋪設(shè)通訊電纜，特別對(duì)于舊城區(qū)改造項(xiàng)目，就存在更大問(wèn)題。

但是，如果采用三表GPRS無(wú)線集抄系統(tǒng)，以上問(wèn)題就迎刃而解。本文就介紹基于GPRS的一種設(shè)計(jì)方案。

自動(dòng)抄表系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

抄表系統(tǒng)中，儀表數(shù)據(jù)與控制信號(hào)傳輸?shù)穆窂椒Q(chēng)為通信通道，它分為上行通道和下行通道。上行通道是傳輸控制器與管理中心計(jì)算機(jī)之間的通信線路，可以采用電話、無(wú)線、專(zhuān)線等各種通信介質(zhì)。
下行通道是數(shù)據(jù)采集器與傳輸控制器之間的通信線路，主要有LonWork總線、CAN總線、RS-485總線等方式。自動(dòng)抄表系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，主要包括計(jì)量表、數(shù)據(jù)采集器、傳輸控制器(集中器)、管理中心計(jì)算機(jī)等。

圖1 一般自動(dòng)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

其中計(jì)量表、采集器、集中器稱(chēng)為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的下位機(jī)，管理中心計(jì)算機(jī)則稱(chēng)為上位機(jī)。上位機(jī)可以對(duì)下位機(jī)進(jìn)行命令發(fā)送、參數(shù)設(shè)定等控制。

硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖

自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件主要分為采集器和集中器兩部分。采集器主要是用單片機(jī)把計(jì)量表中的數(shù)據(jù)采集過(guò)來(lái)，并存放在內(nèi)存里，通過(guò)RS-485總線傳送給集中器；集中器是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的，也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，它的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 集中器設(shè)計(jì)框圖

集中器中的單片機(jī)選用了C8051F120，其時(shí)鐘可達(dá)到100M，有8448B的RAM和128K的Flash，兩個(gè)URAT中，一個(gè)用于GPRS通信，另一個(gè)用于與采集器的通信。在很多場(chǎng)合，該單片機(jī)幾乎不用擴(kuò)展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求。C8051F MCU具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，但與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度有很大提高，運(yùn)行mC/OS-II操作系統(tǒng)是沒(méi)有問(wèn)題的。Flash的擴(kuò)展選用SPI總線的AT45D041，它有512KB的FLASH，使用方便，且性?xún)r(jià)比也比較高； LCD采用中國(guó)臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司的中文圖形控制芯片ST7920，內(nèi)含中英文字庫(kù)，使用起來(lái)非常方便。

GPRS模塊

GPRS模塊采用了西門(mén)子公司的MC35i，此模塊主要由GSM處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等六部分組成。它通過(guò)ZIF連接器上的串口與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電路接口，通過(guò)串口讀取或發(fā)送MC35i模塊中的數(shù)據(jù)和AT指令。

自動(dòng)抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是GPRS通信的實(shí)現(xiàn)。由于GPRS是基于IP協(xié)議的，所以主控制器在與GPRS模塊通訊的時(shí)候要發(fā)送符合IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。如果要自己編寫(xiě)TCP/IP協(xié)議，工作量會(huì)比較大，一個(gè)簡(jiǎn)便的方法是移植操作系統(tǒng)。有些操作系統(tǒng)中包含TCP/IP協(xié)議(如Linux)，但相對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，顯得力不從心。有些操作系統(tǒng)不包括此協(xié)議(如mC/OS-II)，就必須同時(shí)移植與其兼容的TCP/IP協(xié)議(如uiP協(xié)議)，本系統(tǒng)采用后一種方法。

mC/OS-II介紹及移植

mC/OS-II是為嵌入式應(yīng)用編寫(xiě)的通用軟件，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁剪、支持多任務(wù)和內(nèi)核服務(wù)運(yùn)行時(shí)間可確定等特點(diǎn)。所以，mC/OS-II支持從8位到32位的CPU，經(jīng)過(guò)裁剪后代碼最小小于2KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為4KB。

mC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體內(nèi)容如下：
(1)os_cpu.h中需要設(shè)置1個(gè)常量來(lái)標(biāo)識(shí)堆棧增長(zhǎng)方向，
即:#define OS_STK_GROWTH 0 //8051 堆棧從下向上增長(zhǎng)；

(2)os_cpu.h中需要聲明3個(gè)用于開(kāi)關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏，
即:#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0  //關(guān)中斷；
#define OS_EXIT_CRITICAL()  EA=1   //開(kāi)中斷；
#define OS_TASK_SW()  OSCtxSw()    //任務(wù)間的切換；

(3)os_cpu.h中需要聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型；
即:typedef unsigned char BOOLEAN 等；
(4)os_cpu_a.asm需要改寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數(shù)，集中了所有與處理器相關(guān)的匯編語(yǔ)言代碼模塊；

(5)os_cpu_c.c需要用c語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)， 即1個(gè)初始化任務(wù)堆棧和5個(gè)任務(wù)創(chuàng)建鉤掛函數(shù)，其中5個(gè)任務(wù)創(chuàng)建鉤掛函數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況加入；

(6)修改主頭文件include.h，將上面的3個(gè)文件和其它自己的頭文件加入。

完成上述工作后，mC/OS-II就可以運(yùn)行在單片機(jī)上了。

uip的移植

uIP的移植設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、ICMP和TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，要將這三個(gè)模塊合為一個(gè)有機(jī)的整體，而將UDP和ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)作為可選模塊。uIP0.9的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 uIP協(xié)議栰接口

uIP0.9處于網(wǎng)絡(luò)通信的中間層，其上層協(xié)議在這里被稱(chēng)之為應(yīng)用程序，而下層硬件或固件被稱(chēng)之為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。uIP可以看作是一個(gè)代碼庫(kù)為系統(tǒng)提供確定的函數(shù)。圖3展示了uIP系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間的關(guān)系。

在基于8051的mC/OS-II中，移植uIP不需要對(duì)現(xiàn)有的TCP/IP源代碼做任何修改，但是必須為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如網(wǎng)卡芯片、串口等寫(xiě)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)，現(xiàn)有系統(tǒng)的集成部分也要進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)或周期性的定時(shí)器計(jì)數(shù)滿等情況下，主控制系統(tǒng)應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)。移植的具體步驟如下：
(1)在目錄uip-0.9/下創(chuàng)建一個(gè)自己的目錄，例如uip0.9/C8051F/。
(2)把uip_arch.c文件從目錄uip-0.9/unix/中復(fù)制到目錄uip-0.9/ C8051F中。
(3)把uipopt.h文件目錄從uip-0.9/unix中復(fù)制到目錄uip-0.9/ C8051F中，并對(duì)其修改，以滿足系統(tǒng)需要。
(4)編寫(xiě)串口驅(qū)動(dòng)程序和主控函數(shù)。
(5)編譯源代碼。

上位機(jī)軟件

管理中心計(jì)算機(jī)抄表軟件以IIS作為Web Server，數(shù)據(jù)庫(kù)端使用SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行WIN98/2000/XP、NT的操作系統(tǒng)，易于使用。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒(méi)有限制。它具有以下的功能與特點(diǎn)：安全可靠，抄表速度快，具有完善的系統(tǒng)日志，以及廣播對(duì)時(shí)、自動(dòng)抄表和設(shè)備管理功能。并且用戶界面清晰美觀，操作簡(jiǎn)單，具有完善的在線幫助功能。

結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)利用GPRS通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多表數(shù)據(jù)抄收的功能，解決了實(shí)時(shí)性、抄收成本及通信距離等問(wèn)題。隨著GPRS通信技術(shù)的不斷成熟和自動(dòng)抄表技術(shù)的不斷完善，這種遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)抄表技術(shù)也將會(huì)得到更好的發(fā)展和提高?！?/p>