基于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程抄表研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在各大領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；诖私榻B了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)各種實(shí)現(xiàn)方案，討論了有關(guān)信號(hào)檢測(cè)、通信介質(zhì)、差錯(cuò)控制、通信接口等關(guān)鍵技術(shù)，并最終給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：ARM；nRF905；USB

1 方案介紹
    隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)，并且它們的結(jié)合又演化出許多新的通信方式和通信系統(tǒng)，以滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化越來(lái)越高的數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控等要求。此類(lèi)系統(tǒng)通常包括信號(hào)采集、處理、傳輸?shù)然締卧?，結(jié)構(gòu)方案如圖l所示。

1．1 信號(hào)采集
    數(shù)據(jù)采集器主要完成對(duì)儀表數(shù)據(jù)的檢測(cè)和初步處理及傳輸，而檢測(cè)手段很大程度上取決于檢測(cè)對(duì)象的特性。其中，指示表因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中得以廣泛使用，因此抄表系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)是面臨的首要問(wèn)題。對(duì)于數(shù)字式智能儀表可以直接讀其存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的儀表通常采用光電傳感器來(lái)計(jì)數(shù)，但隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，也可將其運(yùn)用在指針式儀表的讀數(shù)識(shí)別中。
1．2 通信介質(zhì)
    目前實(shí)際應(yīng)用的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)大多采用兩級(jí)數(shù)據(jù)匯集結(jié)構(gòu)，即儀表到采集器、采集器到集中器為第一級(jí)，集中器到中央處理站為第二級(jí)。其中，第一級(jí)為數(shù)據(jù)傳輸量不大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段，故常采用無(wú)線射頻、低壓電力線載波、RS485總線等方式；第二階段則可采用光纜，電纜，租用電信專(zhuān)線DDN(Digital Data Network，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng))，專(zhuān)用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，CDPD(Cellular Digital Packet Data，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù))、GSM(Global System for Mobile Communieafione，全球移動(dòng)通信系統(tǒng))／GPRS(Geneml Packet Radio Service，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù))、CDMA(Code Division MultipleAccess，碼分多址)、3G等公用網(wǎng)信息平臺(tái)。對(duì)于通信介質(zhì)的選擇主要取決于信息量、實(shí)時(shí)性等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。[!--empirenews.page--]
1．3 通信接口
    遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的中央處理站采用數(shù)據(jù)匯集器與服務(wù)器相連，此時(shí)匯集器只是作為一個(gè)外圍設(shè)備，故可采用串行口、USB、以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信。而客戶(hù)可通過(guò)Web實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器上數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。在此，數(shù)據(jù)匯集器的引入增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性與可擴(kuò)展性，當(dāng)?shù)诙A段傳輸模式等發(fā)生變化時(shí)不會(huì)對(duì)服務(wù)器軟件硬件產(chǎn)生變更問(wèn)題。

2 技術(shù)論證
2．1 光電傳感器
    光電傳感器是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電傳感器將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。據(jù)此原理，通過(guò)采集對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)達(dá)到檢測(cè)的目的。
2．2 數(shù)字圈像處理
    數(shù)字圖像處理技術(shù)在指針式儀表讀數(shù)識(shí)別中的應(yīng)用，就是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為指針在表盤(pán)上的角位移，以此獲取被測(cè)量的大小。具體過(guò)程就是：首先，利用攝像頭獲取儀表圖像，通過(guò)圖像采集卡將圖像數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存；接著，對(duì)圖像依次進(jìn)行平滑濾波、二值化、腐蝕、細(xì)化等處理；然后，通過(guò)Hough變換算法識(shí)別出儀表指針的位置；最后，利用指針位置和儀表讀數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到讀數(shù)。
    數(shù)字圖像處理技術(shù)在本系統(tǒng)中暫未使用，只作探討。
2．3 nRF905和SMS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸
    nRF905是一個(gè)為433／868／915 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片UHF無(wú)線收發(fā)芯片，它采用GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。nRF905最高工作速率可以達(dá)到100 k，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10 dBm。
    天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，便于使用低成本的PCB天線，但實(shí)際常采用高增益外置天線和加大發(fā)射功率來(lái)適應(yīng)不同通信距離的需求。此外，naF905工作電壓范圍可以從1．9 V～3．6 V，并具有待機(jī)模式，更省電、更高效。滿(mǎn)足歐洲電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    以下給出靈敏度(S)、最大輸出發(fā)射功率(Pt)、天線增益(Gtx_ant、Grx_ant)、損耗(Los)、中心頻率(f0)與通信距離(R)的定量關(guān)系：

    
    其中：    
    c—微波的傳播速度(光速)。
    
    GSM是—個(gè)能夠提供多種業(yè)務(wù)的移動(dòng)ISDN(Integrated
Services Digital Network，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò))，而GSM的交互式SMS(Short Message Service，短消息服務(wù))功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。SMS是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上一種基本無(wú)線業(yè)務(wù)，是信息在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)寄的過(guò)程。此外，目前市場(chǎng)上流行的大部分手機(jī)模塊提供了GSM-SMS-AT指令系統(tǒng)，可方便實(shí)現(xiàn)硬件和軟件接口，通過(guò)數(shù)據(jù)口以串行方式接收指令并向外輸出數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

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2．4 差錯(cuò)控制
    快速性和可靠性是數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但它們又往往是一對(duì)矛盾。nRF905芯片內(nèi)置了CRC編解碼器。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中也可編程引入改進(jìn)了的CRC校驗(yàn)算法，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。
    基于時(shí)空權(quán)衡引入查表和變字節(jié)計(jì)算思想來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)CRC算法，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要。
    設(shè)三字節(jié)序列Tabc=[abc]、Ta00=[a00]和二字節(jié)序列Tbc=[bc]，用多項(xiàng)式表示為：

    當(dāng)然，根據(jù)上述思想可以實(shí)現(xiàn)按字節(jié)、半字節(jié)計(jì)算CRC的算法。改進(jìn)后CRC算法在相同運(yùn)行環(huán)境下的效率分析如圖3所示。

    其中：t為執(zhí)行時(shí)間(ms)，n為數(shù)據(jù)、校驗(yàn)組成的序列字節(jié)數(shù)(Byte)。

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2．5 USB總線
    USB是一種通用串行總線，具有同步帶寬、靈活、穩(wěn)定、易于與PC或微控制器接口等優(yōu)點(diǎn)，并可提供主輔端點(diǎn)，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸?shù)饶Ｊ?。如圖4所示是采用CH372作為USB擴(kuò)展芯片，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的軟硬件自行開(kāi)發(fā)工作。

3 系統(tǒng)買(mǎi)現(xiàn)
    遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體的工作流程為：首先，光電傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)采集器處理成儀表的絕對(duì)讀數(shù)值，將該值封裝到數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)位置，啟用CRC算法，加上校驗(yàn)字節(jié)，利用通信協(xié)議機(jī)制將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去；接著，在該協(xié)議機(jī)制下集中器將接收到的數(shù)據(jù)封裝成PDU(Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)數(shù)據(jù)包，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送去出；然后，中央處理站的匯集器將收到的PDU數(shù)據(jù)經(jīng)處理通過(guò)USB接口批量傳送剄服務(wù)器上；最后，由服務(wù)中心加以利用。
3．1 硬件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集器主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源模塊組成。數(shù)據(jù)傳輸單元采用高性?xún)r(jià)比的ATmegal28L作為徽控制器，電源模塊采用線性電源以降低誤碼率，并配備顯示調(diào)試接口和EEPROM存儲(chǔ)單元。而數(shù)據(jù)集中器主要是在數(shù)據(jù)采集器的基礎(chǔ)上增加了GSM短信收發(fā)模塊。
    數(shù)據(jù)匯集器區(qū)別于采集器采用以S3C2410作為徽處理器，這主要是基于對(duì)ARM(Advanced RISC Machines)與單片機(jī)性?xún)r(jià)比的考慮。采用RISC架構(gòu)的ABM微處理器具有體積小、低功耗、高性能；支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8 位／16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，執(zhí)行效率更高等特點(diǎn)。因此，在無(wú)線通訊、工業(yè)控制領(lǐng)域，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、成像和安全產(chǎn)品中得以廣泛應(yīng)用。
    就此系統(tǒng)而言，匯集器使用ARM處理器對(duì)于以后升級(jí)、網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的增強(qiáng)、效率的優(yōu)化極其有利，對(duì)于擴(kuò)展開(kāi)發(fā)也可采用ARM內(nèi)核ZIG-BEE無(wú)線單片機(jī)來(lái)代替。而采集器和集中器具有實(shí)時(shí)性要求不高、處理任務(wù)較單一和面向采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)量較大等特點(diǎn)，因此采用ATmegal28L為核心處理器達(dá)到了性?xún)r(jià)比的最優(yōu)配置。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    為了避免同頻干擾的問(wèn)題，集中器與采集器的通信采用TDMA(Time Division Multiple Access，時(shí)分多址)技術(shù)，把集中器與任意一臺(tái)采集之間的通信采用時(shí)分的方式分開(kāi)，集中器通過(guò)掃描的方式與各臺(tái)采集器進(jìn)行單臺(tái)通信，這樣系統(tǒng)中的集中器與采集器的通信方式就成為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，即整個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)的通信就成為若干個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的組合。并采用如表1所示的幀結(jié)構(gòu)，加上打包、解包機(jī)制和雙方的握手協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于嵌入式的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中通信協(xié)議，特別是MAC協(xié)議的優(yōu)化、高頻電路的設(shè)計(jì)是難點(diǎn)也是重點(diǎn)，此外設(shè)備間的互操作性、協(xié)調(diào)性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫浴踩砸残枰紤]。
    目前，此遠(yuǎn)程抄表在“溫州市晟恒科貿(mào)有限公司倉(cāng)庫(kù)溫濕度監(jiān)測(cè)”中得到了初步應(yīng)用。