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

摘 要：對(duì)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的方案、系統(tǒng)的組成、硬件的配置、軟件設(shè)計(jì)、工作原理、功能以及技術(shù)性能進(jìn)行了論述。該系統(tǒng)通過下位機(jī)（MCU）和無線收發(fā)模塊（PTR2000）采集、整理數(shù)據(jù)，通過串口經(jīng)MODEM模塊與上位機(jī)通信，水、電、氣公司通過上位機(jī)（PC機(jī)）收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表的功能。
關(guān)鍵詞：無線通信；自動(dòng)抄表；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
The Implementation of Remote Automatic Reading Meter Based on Serial Communication
WANG peng(Dept of Elct Engr, Xi’an Inst of Tech, Xi’an 710032, China)
Abstract: This paper mainly introduces the ARMS, including the constitution of this system, the configuration of hardware, the design of software, the principle of working and the capable of this system. The ARMS collects the data through the MCU and packs up the data through the PTR2000 block, sends the data through the wireless modem block by the GSM. The Water, Electricity and Gas Company collects the data through the PC, and then the function of remote ARMS is carried out.
Key Words: Wireless Communication; Automatic Reading Meter System; System Design
引言
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)公司來說，每個(gè)月上門抄取各個(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。現(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)通過遙測(cè)、傳輸和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯總到營(yíng)業(yè)部門，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抄表帶來的弊端，省卻了上門抄表打擾用戶的尷尬問題，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)再通過無線通訊模塊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，它通過串行接口與GSM/Modem聯(lián)接，以公眾網(wǎng)（GSM）為平臺(tái)，通過電信公眾網(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，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。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)原理圖如圖1：

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。
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關(guān)的前端。電表可以通過計(jì)數(shù)脈沖來測(cè)量，由光電采集頭采集電表的計(jì)數(shù)脈沖，表盤轉(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，通過軟件控制PTR2000的狀態(tài)。電路原理圖如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集、發(fā)送裝置電路原理圖
2.2 數(shù)據(jù)接收和遠(yuǎn)程無線通訊
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通過串口與無線MODEM連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無線通訊。
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)，它通過無線控制信道進(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)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(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，打開了GSM網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用的大門。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。詳見參考資料[5]電路原理圖如圖3

圖3 數(shù)據(jù)接收、無線通訊電路原理圖
2.3 數(shù)據(jù)處理部分
上位機(jī)通過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)傳過來，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)來的執(zhí)行完成命令。程序流程圖見圖4、圖5。


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。

參考文獻(xiàn):
[1] 何立民, MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998
[2] 陳榮保等，基于MODEM和單片機(jī)的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1999
[3]舒洪，朱敏，三線一表遠(yuǎn)端抄表系統(tǒng)的研制，南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2000，6
[4]The introduction to the SMS in PDU mode, WAVECOM, V1.00-January 2000
[5] 利用GSM短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)GPS車輛監(jiān)控，通訊與電視，倪建軍， 范躍祖 ，李松林
[6] Remote Access 2000系列抄表系統(tǒng)介紹, .cn
[7] 濟(jì)南電網(wǎng)大用戶遠(yuǎn)方抄表分析,電測(cè)與儀表，姚魯，殷玉鵬