基於串口通信的遠程自動抄表系統實現

 

基於串口通信的遠程自動抄表系統實現

摘 要：對遠程抄表系統的方案、系統的組成、硬件的配置、軟件設計、工作原理、功能以及技術性能進行了論述。該系統通過下位機（MCU）和無線收發模塊（PTR2000）採集、整理數據，通過串口經MODEM模塊與上位機通信，水、電、氣公司通過上位機（PC機）收集數據，實現遠程無線自動抄表的功能。

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，然而對於水、電、氣供應公司來說，每個月上門抄取各個用戶的三表讀數卻是非常繁重的工作，需要投入大量的人力和物力。現在許多公司在研究自動抄表系統，但是他們通常採用電話線或者是專線完成與上位機的通訊，成本比較高。詳見參考資料[3][6][7]。針對這種情況，作者設計了一種遠程無線自動抄表系統。自動抄表系統，簡稱ARMS(Automatic Reading Meter System)，是供應水、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據通過遙測、傳輸和計算機系統彙總到營業部門，代替人工抄表及一連串後續工作的系統。該系統的無線通信是採用GSM短消息業務，它的實現是邁向家庭自動化的第一步，並有助於提高水電系統管理的現代化水平。該系統具有兩個主要特點：其一系統數據採集點多，成千上萬，數據量大；其二系統是一個覆蓋面很廣的通信網絡，採集點具有分散性。對系統的要求，一方面應造價低、經濟實惠，另一方面數據的採集要準確及時，又要有一定的環境適應能力和抗干擾能力。隨着現代化電子技術的發展，通信技術和計算機技術都有了飛速發展，而兩者的結合又進一步演化出許多新的通信方式和通信系統，爲ARMS的實現提供了可能。這樣可避免抄表員上門抄錶帶來的弊端，省卻了上門抄表打擾用戶的尷尬問題，對公司、用戶都有很大的便利，具有良好的市場前景。特別是在大中城市裏，該系統具有很廣的推廣價值。

1．系統的組成及工作原理

系統組成：數據採集部分；數據發送、無線通信部分；數據接收、處理部分。

工作原理：數據採集裝置首先通過傳感器採集三表的讀數，將採集的數據存 入單片機（AT89C2051）內；單片機再通過無線通訊模塊PTR2000（發端）將數據發送，用戶集中器的PTR2000（收端）將發送來的數據接收，下位機主要完成採集數據、分時存儲和同上位機通信的功能，它通過串行接口與GSM/Modem聯接，以公衆網（GSM）爲平臺，通過電信公衆網絡傳輸數據。隨着GSM移動通信網絡的建設和發展，移動通信網日益龐大複雜，所覆蓋地區也日益廣泛。因而通過GSM移動通信網絡進行數據的傳輸也成爲了一種新式的數據傳輸手段。GSM/Modem通過GSM的短消息業務發送數據。PC機（上位機）一般設在公司的營業處,它是負責整個系統管理的，它將數據收集到，然後對接收的數據整理、存儲、顯示，並計算出各用戶需繳納的費用。還可以將用戶的用量曲線打印出來，對實行季節電價、分時電價，用經濟槓桿實現削峯填谷很有利，可以爲國家節約能源。系統的組成結構原理圖如圖1：

經濟分析：本系統的最大容量設計爲1000家。規定每100ms採集一家的數據，則一分鐘可以採集600家的數據。普通的電錶是2400轉/KWH，採集裝置每採集20個脈衝記1個點。每十分鐘採集的數據最多佔1個字節，每家的用量數據是按增量採集的，三個表的增量最多佔3個字節，所以600家的數據最多佔2K字節，每分鐘採集一輪，採集到的數據存儲在AT89C51的RAM內，在存儲器內整理、打包，每十分鐘發送一次。由於夜晚用電水氣量比較少，所以在晚上發送的數據包，很多是空包，這樣就浪費佔用通信信道的時間。因此在軟件設計時，採用越限發送，即每次採集的數據必須超越一定的量才發送，一天最多12小時的用量高峯期是每十分鐘發送一次的。基於GSM短消息業務的容量主要是由短消息服務中心的處理能力和無線信令信道的承載能力決定的，每個短消息的信息量限制爲140個八位組（7比特編碼，160個字符）不超過140個字節。每十分鐘採集3K數據，需要發送22條短消息，則每月發送約5萬條。按照西安市短信費用標準，2-5萬條/月的費用是2000元/月。平均每家2元/月。因此該系統非常的經濟。而且上位機每十分鐘就收集一次的數據，這樣就可以在一天裏用電高峯期裏及時採集用戶的用量，並將用量曲線打印出來。

2.硬件配置

2.1數據採集、發送部分 水錶是將原水錶計數齒輪指針換裝成帶磁性的指針，再通過傳感器進行數據採集；氣表要用帶信號輸出的氣表；電錶必須採用脈衝式電子電度表，電錶脈衝輸出的器件爲光耦輸出，具有較好的隔離作用。數據採集裝置與用戶的電錶安裝在一起，爲了防止用戶的突然斷電，採集裝置必須裝在空氣開關的前端。電錶可以通過計數脈衝來測量，由光電採集頭採集電錶的計數脈衝，錶盤轉一圈，光電採集頭髮出一個脈衝，輸入的P1口的P1.0，由AT89C2051存儲。然後通過PTR2000模塊發送數據。PTR2000模塊乃是超小型、超低功耗、高速率19.2K無線收發數傳MODEM。採用了當代最先進的歐洲“藍牙技術”應用全數字科技，由單IC組合而成，接收發射合一，工作頻段爲433--434MHz，空中傳輸數據速率爲19.2Kbps，工作電壓範圍爲2.7V—5.25V，採用FSK調製，抗干擾能力強，標準的DIP引腳間距，更適合嵌入式設備。當PTR2000的TXEN腳爲高時，它處於發射狀態；當TXEN腳爲低時，它處於接收狀態。在硬件設計時，將TXEN與AT89C2051的P1.1腳連接，通過軟件控制PTR2000的狀態。電路原理圖如圖2。

圖2 數據採集、發送裝置電路原理圖

2.2 數據接收和遠程無線通訊 PTR2000將數據接收並且存入AT89C51內，ROM和RAM分別用來存儲程序和數據，數據按當時的時間存入相應時段的存儲區內，時段間隔爲10分鐘。不同日期的同一時段數據僅在相應的存儲區內累加。採集裝置內裝有免維護電源，保證斷電後還可以工作，保護數據和接收、執行上位機的命令。AT89C51通過串口與無線MODEM連接，實現與上位機的無線通訊。 GSM（Global System for Mobile Communication）系統是目前基於時分多址技術的移動通信體制中最成熟、最完善、應用最廣的一種系統。我國目前已建成了覆蓋全國的GSM數字蜂窩移動通信網，是我國公衆陸地移動通信網的主要方式。GSM的短消息業務SMS(Short Message Service)與話音傳輸及傳真一樣同爲GSM數字蜂窩移動通信網絡提供的主要電信業務，它通過無線控制信道進行傳輸，是GSM通信網所特有的，經短消息業務中心完成存儲和前轉功能，它不用撥號建立連接，直接把要發的信息加上目的地址發送到短消息服務中心，由短消息服務中心再發送給最終的信宿。這適於把每次採集到的數據隨時發送到監控中心。傳送短消息業務的控制信道爲專用控制信道（DCCH）。詳見參考資料[6]。短消息業務可以使網絡端知道被叫方是否已經收到短消息，如果傳送失敗，被叫方沒有回答確切消息，網絡一側會保留所傳的消息，一旦網絡發現被叫方能被叫通時，消息能被重發以確保被叫方能收到。因此短消息業務作爲GSM網絡的一種主要的電信業務，它的傳遞是可靠的。綜上所述，本系統選用GSM的短消息業務來實現遠程無線數據傳送是可行的。GSM調制解調器（GSM/MODEM）的出現改變了傳統的以話音爲主的通信手段，打開了GSM網絡數據通信及其應用的大門。它提供RS232數據接口,採用AT賀氏指令,符合ETSI標準GSM0707和GSM0705。本系統的GSM/MODEM採用法國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 數據接收、無線通訊電路原理圖

2.3 數據處理部分 上位機通過DDE接口將下位機發送的數據傳送到EXCEL工作表中，在EXCEL中定義好報表格式，計量格式，並將文件以模板格式保存，在抄表完成後，系統能自動將數據填寫到相應指定單元格，由EXCEL自動計算，換算成KWH值並算出收費值。在上位機上打印、顯示用戶的水、電、氣費和各種報表及負荷曲線，當用戶負荷超限時發出報警信號，根據公司的規定決定是否發遙控命令給下位機對用戶實行斷電處理。還可以計算各個時段的費用，爲電力部門實行分時收費提供可靠的保證。而且爲了保證數據存儲的安全性，上位機（PC機）採用了雙硬盤做數據備份，系統帶有後備電源，停電後能保持正常工作狀態。後備電源可保證系統在滿負荷工作狀態下正常工作36小時以上，若停電時間更長，系統將不會進行數據採集，但原有數據不會丟失，供電恢復後需要重新覈查數據，更新設置用戶集中器中下位機存儲的數據。

3.軟件設計

由於該系統採用的是一點對多點的雙向數據傳輸，因此每家的表都有自己的地址碼。上位機可以查詢下位機，下位機也可以定時發送數據給上位機。本系統要實現的目的是一機（上位機）對多機(下位機)的通訊控制,其通訊軟件主要分爲兩部分：上位機與下位機的遠程通訊軟件；單片機與GSM/MODEM的串行通訊軟件。詳見參考資料[2]。程序設計的關鍵是上、下位機間的遠程通訊的準確性。在程序設計中，採用通訊協議（Protocol）的做法，由上位機發出讀表指令與地址碼，讓各個下位機將記錄的數據傳過來，同時進行校驗，以保證數據的正確性。每個下位機都編有不同的地址碼，當上位機向所有的下位機發送一個地址碼和抄表指令時，所有的下位機都接收到該地址碼，並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查詢的就是該下位機，同時收回應答信號，並準備接收命令，而上位機將收回的應答信號與發出的地址碼相比較，不同則給出錯誤的信息，相同則可控制已叫通的下位機。這時已叫通的下位機繼續接收上位機發送的抄表命令，並收集用戶的數據，通過GSM網絡發送給上位機，直到接收到上位機發來的執行完成命令。程序流程圖見圖4、圖5。

4.結束語

本文介紹的自動抄表系統集計算機、通信技術於一體，採用先進的無線通訊模塊和最成熟、最完善、應用最廣的GSM作爲數據傳輸的平臺，抄數即快速又準確，徹底解決了人工抄表的所有弊病。還可進一步與銀行系統的微機聯網，實現費用自動劃撥，大大提高了工作效率，具有良好的市場前景。