林 涛，郭 晓，陈 恩，李 辉，赵宏科

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

传统人工抄表收费方式在实际工作中有许多不利因素。例如：对抄表人员来讲，首先进门入户困难，有时候为了抄一块表需要等人拿钥匙开门，不仅耽误了抄表人员的时间，也耽误了别人的时间。有些小区还需要登记才能入门抄表，严重影响了人们正常的生活。其次传统人工抄表劳动强度大，抄表周期长，使得仪表管理单位无法快速准确掌握实时数据，不利于资源的统一管理和合理的调用[3]。最后人工抄表、手工计费方式效率低下，容易出现差错和纠纷，造成抄表工作人员钱财损失，同时易造成人们对仪表计量管理单位工作的不满。传统的人工抄表方式已经不能适应今后仪表管理的发展要求，远程无线抄表的需求被逐渐提到日程上来。对此，本文将Si4432技术与GPRS网络相结合，设计了一套远程智能抄表系统。Si4432网络是短距离无线通信，具有低成本、低功耗、组网自由、抗干扰能力强的特点，GPRS网络是远程无线通信，具有实时在线、传输率大、频率利用率高、数据传输可靠性好的特点[1-2]。两者优势互补，满足了新型抄表系统的迫切需求。

1 系统总体设计

该系统由表单元、链路单元、计算机主机和系统管理软件4部分组成。表单元包括直读远传水表、光电直读水表等；链路单元包括：集中器、采集器；计算机主机：服务器；系统管理软件：智能抄表管理系统软件。直读水表与采集器之间为MBus总线连接，链路单元的设备之间通过Si4432无线通讯，集中器与计算机主机之间采用GPRS进行通讯。具体结构如图1所示。

图1 远程智能抄表系统结构图Fig.1 Remote smart meter reading system structure

2 系统硬件设计

2.1 集中器的设计

集中器主要由GPRS模块、Si4432无线通信模块、数据存储器、微处理器、电源模块、复位模块、JTAG下载电路以及时钟模块组成，结构图如图2所示。一个远程无线自动抄表网络只有一个集中器，集中器汇聚整个Si4432网络中所有水表的数据，并将这些数据通过GPRS远程传输到服务器，集中器属于不休眠节点，能够负责整个Si4432网络的建立，同时具备路由能力，在网络建立成功之后，集中器是外界与整个网络通信的网关，为外界访问Si4432网络节点提供了双向接口。

图2 集中器结构图Fig.2 Concentrator structure

集中器主控芯片选用TI的主流芯片MSP430F5438，它是一款16位超低功耗微控制器，具有256 KB闪存、16 KB RAM、12 位 ADC、4 个 USCI、32 位 HW乘法器[4]。

GPRS模块选用华为MG323模块，它是一款内嵌TCP/IP协议、支持多链接，支持GSM/GPRS双频，短消息模式支持TEXT和PDU，支持GPRS数据业务，最大下行传输速率：85.6 kb/s，最大上行传输速率：42.8 kb/s[5]。该模块体积小巧、功能齐全、性能稳定，能满足该系统的需求。

Si4432无线通讯模块是由美国Silicon Labs公司研制的高性能、高稳定性无线模块。该模块体积小、发射功率大、接收灵敏度高、稳定性好。通讯距离远超同行产品，最远距离可达1800 m以上[6]。已经被广泛用于无线抄表、无线数据采集、无线遥控、智能家居、无线工业控制等领域。

存储器采用25LC256模块，它是由Microchip Technology公司推出SPI串行E2PROM系列，含有256K存储区域，速率可达10MHz。25LC256基于SPI串行方式与微处理器MCU进行通信以交换信息[7]。

2.2 采集器的设计

数据采集模块主要由主控芯片MSP430F5438、Si4432无线通信模块、MBus主站通信电路、数据存储模块、电源模块、复位模块以及时钟模块组成，结构图如图3所示。数据采集器主要完成多块表数据采集的工作。在系统中，数据采集器一方面跟集中器通信，向上行的服务器传送抄来的数据，另一方面跟表节点通信，从下行的表节点实时或定时的收集表数据，并对这些数据进行存储和管理。采集器使用电池进行供电，属于低功耗模块，是Si4432网络中的复杂功能节点。

图3 采集器结构图Fig.3 Collector structure

为了方便、有效采集到仪表的数据，采集器上采用MBus总线技术对表进行数据采集。MBus是一种新型总线结构，它的特点是两条无极性传输线来同时供电和传输串行数据，而各个子站（以不同的ID确认）并联在MBus总线上。MBus总线电路设计时要考虑由采集器向终端仪表终端传输的信号采用电压值的变化来表示即用+36 V表示逻辑“1”，用+24 V表示逻辑“0”。从终端仪表终端向采集器传输的信号采用电流值的变化来表示，即由终端仪表终端向采集器发送的数据码流是一种电流脉冲序列，通常用1.5 mA的电流值表示逻辑“1”，当传输“0”时，由仪表终端控制可使电流值增加11～20 mA，电流调制如下：

式中：Ide为直流电电流；Ipulse为脉冲电流；IM为调制中变化的电流，变化范围为11～20 mA[8]。利用MBus可大大简化住宅小区、办公场所等能耗智能化管理系统的布线和连接，且具有结构简单、造价低廉、可靠性高的特点。

3 系统软件设计

3.1 集中器软件设计

集中器作为采集器和服务器之间的桥梁，它在整个系统中起到承上启下的作用，图4是集中器软件流程图。GPRS是服务器与集中器通讯的媒介，服务器下达指令通过GPRS传到集中器中，单片机对上位机下达指令进行解析处理。集中器开始工作时，首先GPRS模块上电启动进行网络注册，然后设置网络配置参数、打开Internet服务，与上位机建立网络连接。当GPRS上线后，单片机处理下达命令控制Si4432进行组网，主站Si4432向从站下发带地址的唤醒码，当从站Si4432收到的唤醒码中的地址与自己地址相同时，从站被唤醒建立连接关系。这样主站Si4432与从站成功建立连接，集中器把抄表命令下达给采集器。采集器收到指令之后进行抄表，将抄表数据通过Si4432无线模块传到集中器中。当抄表数据上传完成后，为了保证GPRS实时在线，又保证尽可能少消耗流量，GPRS需要每隔3 min发送一次心跳包，这样集中器始终占有一条网络通道，保证整个系统实时在线，服务器就可以监控整个系统中每块表的运行状态。当GPRS未登陆到服务器或者GPRS因某种原因导致中途掉线时，系统会自动检测到未登陆状态，GPRS重新上电启动，与服务器建立网络连接。

图4 集中器软件流程图Fig.4 Concentrator software flow chart

3.2 采集器软件设计

采集器是由电池进行供电，所以采集器系统软件设计时考虑低功耗，节省电量延长电池的使用寿命，图5是采集器软件流程图。当主站Si4432与从站建立连接时，集中器将服务器抄表指令下达给采集器，采集器中MCU单元对抄表命令进行处理和解析，通过MBus总线读取采集器通道下所连接的表数据，并将这些数据存储在E2PROM中，同时将这些数据通过Si4432无线模块及时上传给集中器。当所有的表数据都读取和存储完成后，整个系统进入低功耗模式，只有当服务器下达唤醒指令或者定时器唤醒，采集器才能退出低功耗模式进行正常的工作。当主站Si4432给从站发起会话未成功时，从站节点需要等待30 min后，从站主动给主站发起会话建立连接，当建立连接成功后，同样可以接受服务器下达抄表命令进行正常的抄表。

3.3 服务器软件设计

图5 采集器软件流程图Fig.5 Collector software flow chart

上位机主要功能是建立良好的人机界面方便抄表员发送抄表命令、远程设置集中器和采集器参数、抄表数据的存储与处理、统计分析报表、水量水费查询、远程监控系统下任意块水表的运行状态等操作。上位机界面采用Visual Basic来设计，数据库采用SQL server 2008。上位机软件主要分成登陆模块、系统设置模块、综合信息管理模块、查询与统计模块、远程自动抄表管理模块、应用监查模块、系统安全管理模块。上位机各个功能模块相互配合，保证整个系统正常运行。

4 系统测试

系统测试部分主要包括对GPRS实时在线可靠性测试和抄表功能测试。对GPRS实时在线可靠性测试，经过30天实时在线测试，GPRS没有出现掉线现象，表明系统远传可靠性较高。在某小区对抄表功能测试，实验测试基本完成了水表数据抄收的功能，实现了远程抄表系统实时在线监控、抄送数据快速、准确上传，有利于水资源的统一管理和合理的调用。

5 结语

本文提出的基于Si4432和GPRS的智能远程抄表系统设计方案，建立了一个无线抄表网络系统。该系统实现了对仪表信息的高效、快速和可靠传输和管理，给水、电、气行业的管理自动化带来方便，已经在市场上得到广泛应用和认可。并且智能远程抄表技术可以应用多个领域，例如：车辆监控、物资管理、温度监控、无线遥控、工业数据采集、煤矿井下人员跟踪、医疗监控、动态车辆管理、消防安全、门禁系统、机房设备的无线监控和管理，具有很好的市场价值和应用前景。

[1] 刘颖.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计与实现[J].科学技术与工程，2012，30（12）：43-47.

[2] 王富斌.短距离无线通信技术在抄表系统中的应用[D].济南：山东大学，2009.

[3] 谢若冰.基于无线通讯的远程抄表系统[D].广西：广西大学，2006.

[4] Instruments T.MSP430F5438 Datasheet[Z].2008.

[5] 华为技术有限公司.HUAWEI MG323 GSM M2M模块：硬件指南[Z]，2010.

[6] Yudong L.Si4432-based wireless heat-supply network monitering system[J].Microcontrollers and Embedded Systems，2012，12（1）：46-49.

[7] Microchip Technology.25AA256/25LC256 Device Data Sheet[M].Shanghai：Shanghai Microchip Technology Co.Ltd.April，2011.

[8] 闰德光，谢军龙，戴汝平.M-BUS二线制总线[J].自动化仪表，2003，24（3）：33-36. ■