基于串口通信的遠程自動(dòng)抄表系統實(shí)現

在人們的日常生活中，水、電、氣是不可缺少的必備生活保障，然而對于水、電、氣供應公司來(lái)說(shuō)，每個(gè)月上門(mén)抄取各個(gè)用戶(hù)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?，F在許多公司在研究自動(dòng)抄表系統，但是他們通常采用電話(huà)線(xiàn)或者是專(zhuān)線(xiàn)完成與上位機的通訊，成本比較高。詳見(jiàn)參考資料[3][6][7]。針對這種情況，作者設計了一種遠程無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統。自動(dòng)抄表系統，簡(jiǎn)稱(chēng)ARMS(Automatic Reading Meter System)，是供應水、電、氣的部門(mén)將安裝在用戶(hù)處的水、電、氣表所記錄的用量等數據通過(guò)遙測、傳輸和計算機系統匯總到營(yíng)業(yè)部門(mén)，代替人工抄表及一連串后續工作的系統。該系統的無(wú)線(xiàn)通信是采用GSM短消息業(yè)務(wù)，它的實(shí)現是邁向家庭自動(dòng)化的第一步，并有助于提高水電系統管理的現代化水平。該系統具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：其一系統數據采集點(diǎn)多，成千上萬(wàn)，數據量大；其二系統是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò )，采集點(diǎn)具有分散性。對系統的要求，一方面應造價(jià)低、經(jīng)濟實(shí)惠，另一方面數據的采集要準確及時(shí)，又要有一定的環(huán)境適應能力和抗干擾能力。隨著(zhù)現代化電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)和計算機技術(shù)都有了飛速發(fā)展，而兩者的結合又進(jìn)一步演化出許多新的通信方式和通信系統，為ARMS的實(shí)現提供了可能。這樣可避免抄表員上門(mén)抄表帶來(lái)的弊端，省卻了上門(mén)抄表打擾用戶(hù)的尷尬問(wèn)題，對公司、用戶(hù)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，該系統具有很廣的推廣價(jià)值。

1．系統的組成及工作原理

系統組成：數據采集部分；數據發(fā)送、無(wú)線(xiàn)通信部分；數據接收、處理部分。

工作原理：數據采集裝置首先通過(guò)傳感器采集三表的讀數，將采集的數據存入單片機（AT89C2051）內；單片機再通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊PTR2000（發(fā)端）將數據發(fā)送，用戶(hù)集中器的PTR2000（收端）將發(fā)送來(lái)的數據接收，下位機主要完成采集數據、分時(shí)存儲和同上位機通信的功能，它通過(guò)串行接口與GSM/Modem聯(lián)接，以公眾網(wǎng)（GSM）為平臺，通過(guò)電信公眾網(wǎng)絡(luò )傳輸數據。隨著(zhù)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的建設和發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)日益龐大復雜，所覆蓋地區也日益廣泛。因而通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據的傳輸也成為了一種新式的數據傳輸手段。GSM/Modem通過(guò)GSM的短消息業(yè)務(wù)發(fā)送數據。PC機（上位機）一般設在公司的營(yíng)業(yè)處,它是負責整個(gè)系統管理的，它將數據收集到，然后對接收的數據整理、存儲、顯示，并計算出各用戶(hù)需繳納的費用。還可以將用戶(hù)的用量曲線(xiàn)打印出來(lái)，對實(shí)行季節電價(jià)、分時(shí)電價(jià)，用經(jīng)濟杠桿實(shí)現削峰填谷很有利，可以為國家節約能源。
　
經(jīng)濟分析：本系統的最大容量設計為1000家。規定每100ms采集一家的數據，則一分鐘可以采集600家的數據。普通的電表是2400轉/KWH，采集裝置每采集20個(gè)脈沖記1個(gè)點(diǎn)。每十分鐘采集的數據最多占1個(gè)字節，每家的用量數據是按增量采集的，三個(gè)表的增量最多占3個(gè)字節，所以600家的數據最多占2K字節，每分鐘采集一輪，采集到的數據存儲在A(yíng)T89C51的RAM內，在存儲器內整理、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)送的數據包，很多是空包，這樣就浪費占用通信信道的時(shí)間。因此在軟件設計時(shí)，采用越限發(fā)送，即每次采集的數據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?；贕SM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(wú)線(xiàn)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(guò)140個(gè)字節。每十分鐘采集3K數據，需要發(fā)送22條短消息，則每月發(fā)送約5萬(wàn)條。按照西安市短信費用標準，2-5萬(wàn)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(jīng)濟。而且上位機每十分鐘就收集一次的數據，這樣就可以在一天里用電高峰期里及時(shí)采集用戶(hù)的用量，并將用量曲線(xiàn)打印出來(lái)。

2.硬件配置

2.1數據采集、發(fā)送部分

水表是將原水表計數齒輪指針換裝成帶磁性的指針，再通過(guò)傳感器進(jìn)行數據采集；氣表要用帶信號輸出的氣表；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。數據采集裝置與用戶(hù)的電表安裝在一起，為了防止用戶(hù)的突然斷電，采集裝置必須裝在空氣開(kāi)關(guān)的前端。電表可以通過(guò)計數脈沖來(lái)測量，由光電采集頭采集電表的計數脈沖，表盤(pán)轉一圈，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。然后通過(guò)PTR2000模塊發(fā)送數據。

PTR2000模塊乃是超小型、超低功耗、高速率19.2K無(wú)線(xiàn)收發(fā)數傳MODEM。采用了當代最先進(jìn)的歐洲藍牙技術(shù)應用全數字科技，由單IC組合而成，接收發(fā)射合一，工作頻段為433--434MHz，空中傳輸數據速率為19.2Kbps，工作電壓范圍為2.7V-5.25V，采用FSK調制，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腳為高時(shí)，它處于發(fā)射狀態(tài)；當TXEN腳為低時(shí)，它處于接收狀態(tài)。在硬件設計時(shí)，將TXEN與AT89C2051的P1.1腳連接，通過(guò)軟件控制PTR2000的狀態(tài)。

2.2 數據接收和遠程無(wú)線(xiàn)通訊

PTR2000將數據接收并且存入AT89C51內，ROM和RAM分別用來(lái)存儲程序和數據，數據按當時(shí)的時(shí)間存入相應時(shí)段的存儲區內，時(shí)段間隔為10分鐘。不同日期的同一時(shí)段數據僅在相應的存儲區內累加。采集裝置內裝有免維護電源，保證斷電后還可以工作，保護數據和接收、執行上位機的命令。AT89C51通過(guò)串口與無(wú)線(xiàn)MODEM連接，實(shí)現與上位機的無(wú)線(xiàn)通訊。

GSM（Global System for Mobile Communication）系統是目前基于時(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(dòng)通信網(wǎng)，是我國公眾陸地移動(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(huà)音傳輸及傳真一樣同為GSM數字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )提供的主要電信業(yè)務(wù)，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)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)中心完成存儲和前轉功能，它不用撥號建立連接，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據隨時(shí)發(fā)送到監控中心。傳送短消息業(yè)務(wù)的控制信道為專(zhuān)用控制信道（DCCH）。詳見(jiàn)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 )一側會(huì )保留所傳的消息，一旦網(wǎng)絡(luò )發(fā)現被叫方能被叫通時(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，本系統選用GSM的短消息業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)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(huà)音為主的通信手段，打開(kāi)了GSM網(wǎng)絡(luò )數據通信及其應用的大門(mén)。它提供RS232數據接口,采用AT賀氏指令,符合ETSI標準GSM0707和GSM0705。本系統的GSM/MODEM采用法國WAVECOM公司的GSM/MODEM模塊。
2.3 數據處理部分

上位機通過(guò)DDE接口將下位機發(fā)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，并將文件以模板格式保存，在抄表完成后，系統能自動(dòng)將數據填寫(xiě)到相應指定單元格，由EXCEL自動(dòng)計算，換算成KWH值并算出收費值。在上位機上打印、顯示用戶(hù)的水、電、氣費和各種報表及負荷曲線(xiàn)，當用戶(hù)負荷超限時(shí)發(fā)出報警信號，根據公司的規定決定是否發(fā)遙控命令給下位機對用戶(hù)實(shí)行斷電處理。還可以計算各個(gè)時(shí)段的費用，為電力部門(mén)實(shí)行分時(shí)收費提供可靠的保證。而且為了保證數據存儲的安全性，上位機（PC機）采用了雙硬盤(pán)做數據備份，系統帶有后備電源，停電后能保持正常工作狀態(tài)。后備電源可保證系統在滿(mǎn)負荷工作狀態(tài)下正常工作36小時(shí)以上，若停電時(shí)間更長(cháng)，系統將不會(huì )進(jìn)行數據采集，但原有數據不會(huì )丟失，供電恢復后需要重新核查數據，更新設置用戶(hù)集中器中下位機存儲的數據。

3.軟件設計

由于該系統采用的是一點(diǎn)對多點(diǎn)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(xún)下位機，下位機也可以定時(shí)發(fā)送數據給上位機。本系統要實(shí)現的目的是一機（上位機）對多機(下位機)的通訊控制,其通訊軟件主要分為兩部分：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(jiàn)參考資料[2]。程序設計的關(guān)鍵是上、下位機間的遠程通訊的準確性。在程序設計中，采用通訊協(xié)議（Protocol）的做法，由上位機發(fā)出讀表指令與地址碼，讓各個(gè)下位機將記錄的數據傳過(guò)來(lái)，同時(shí)進(jìn)行校驗，以保證數據的正確性。每個(gè)下位機都編有不同的地址碼，當上位機向所有的下位機發(fā)送一個(gè)地址碼和抄表指令時(shí)，所有的下位機都接收到該地址碼，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查詢(xún)的就是該下位機，同時(shí)收回應答信號，并準備接收命令，而上位機將收回的應答信號與發(fā)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(shí)已叫通的下位機繼續接收上位機發(fā)送的抄表命令，并收集用戶(hù)的數據，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給上位機，直到接收到上位機發(fā)來(lái)的執行完成命令。
　
4.結束語(yǔ)

本文介紹的自動(dòng)抄表系統集計算機、通信技術(shù)于一體，采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通訊模塊和最成熟、最完善、應用最廣的GSM作為數據傳輸的平臺，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(jìn)一步與銀行系統的微機聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現費用自動(dòng)劃撥，大大提高了工作效率，具有良好的市場(chǎng)前景。