摘要：設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化自動抄表系統(tǒng)，并著重闡述系統(tǒng)的硬件、軟件構(gòu)成和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。該系統(tǒng)可用于建筑中電、水、氣、熱等儀表數(shù)據(jù)的采集和住戶耗能設(shè)備的控制。自動抄表有利于能量管理部門實(shí)現(xiàn)能源的監(jiān)控管理,提高能源使用效益,對于中國的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。 關(guān)鍵詞：自動抄表系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng) 無線通訊技術(shù) 智能數(shù)據(jù)采集器 1 引言 目前，全球都處于能源緊缺的狀態(tài)，節(jié)約能源對于中國的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。國務(wù)院令2003年9月1日提出，供水、電、氣、熱單位要抄表到戶，實(shí)現(xiàn)抄表到戶是必然趨勢。同時(shí)電力、自來水、煤氣、熱力以及物業(yè)管理等部門出于對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及收費(fèi)管理的需要，也迫切要求對傳統(tǒng)的人工上門抄表方式進(jìn)行變革。 傳統(tǒng)的抄表（水、電、氣、熱）需要抄表人員定期挨家挨戶抄取數(shù)據(jù),結(jié)算出費(fèi)用后,再到各家索取,這樣的抄表方式誤差大、工作量大,既不方便又不安全。將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的最新研究成果應(yīng)用于抄表系統(tǒng)，不需要人員到達(dá)現(xiàn)場就能完成數(shù)據(jù)自動采集、定時(shí)發(fā)送和實(shí)時(shí)監(jiān)控,節(jié)省了時(shí)間、人力、物力,提高了工作效率。同時(shí),實(shí)時(shí)的用戶使用數(shù)據(jù),有利于管理部門實(shí)現(xiàn)能源的監(jiān)控管理,提高使用效益,是將來實(shí)現(xiàn)能源配送自動化的基礎(chǔ),并有助于提高管理部門管理現(xiàn)代化水平。 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總體方案設(shè)計(jì) 目前我國已建成的小區(qū)基本上都采用的是一戶一表制，這就決定了抄表系統(tǒng)具有如下主要特點(diǎn)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多,數(shù)據(jù)量大,具有分散性；系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)。本文針對以上特點(diǎn)，采用分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化自動抄表系統(tǒng)。圖1為自動抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)下層由用戶計(jì)量儀表、智能數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控中心和通信信道構(gòu)成?；谇度胧较到y(tǒng)的智能數(shù)據(jù)采集器，用于數(shù)據(jù)采集和住戶耗能設(shè)備的控制。監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對用戶儀表的使用的監(jiān)控、計(jì)量和計(jì)費(fèi)，形成數(shù)據(jù)文件并定期以短信或郵件形式向用戶發(fā)送繳費(fèi)通知。本系統(tǒng)的通信信道主要包括監(jiān)控中心與智能數(shù)據(jù)采集器之間的通信信道和智能數(shù)據(jù)采集器與用戶計(jì)量儀表之間的通信信道。下層（智能數(shù)據(jù)采集器與用戶計(jì)量儀表之間）采用短程無線通訊方式；上層（監(jiān)控中心與智能數(shù)據(jù)采集器之間）采用GPRS無線通信方式。 3智能數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心起到橋梁作用。智能數(shù)據(jù)采集器采用SUMSUNG公司的S3C44B0X芯片作為硬件的核心，并配以簡潔的外圍電路實(shí)現(xiàn)“四表合一”的數(shù)據(jù)采集及住戶耗能表設(shè)備的控制功能，即：①通過籃牙通訊模塊與各計(jì)量儀表進(jìn)行無線通信。采集調(diào)理過的脈沖輸入信號和電流、電壓模擬輸入信號，整理保存儀表數(shù)據(jù)等待抄送。②數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)打成IP包，再通過GPRS接口接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。③接收來自監(jiān)控中心的控制信號，同時(shí)通過各種傳感器監(jiān)視房間內(nèi)是否有煤氣泄漏、火災(zāi)或長時(shí)間家中無人等情況，當(dāng)出現(xiàn)用戶欠費(fèi)或異常等情況時(shí)控制用戶耗能設(shè)備關(guān)斷。 基于嵌入式系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)采集器的硬件構(gòu)成主要包括：中央處理單元、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、無線通信模塊、各類傳感器監(jiān)測單元、耗能設(shè)備控制模塊和狀態(tài)顯示部分。智能數(shù)據(jù)采集器的外圍電路與S3C44B0X芯片的連接方法如圖2所示。 3.1數(shù)據(jù)采集存儲模塊 在綜合考慮了產(chǎn)品性價(jià)比的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)選取三星公司的 32 位微處理器S3C44B0X芯片。選擇一片AMD公司的FLASH芯片 AM29V160作為數(shù)據(jù)存儲部件，設(shè)定其地址從0x0000,0000到0x001f,ffff。扇區(qū)（sector）分布為：工作在雙字節(jié)模式下，共36個(gè)扇區(qū)，除前8個(gè)扇區(qū)的大小為8KB外，剩余扇區(qū)的大小均為64KB。在數(shù)據(jù)采集器中要運(yùn)行一個(gè)小型操作系統(tǒng)，因而比一般的單片機(jī)系統(tǒng)對內(nèi)存的要求要高。本系統(tǒng)選用HYUNDAI公司的HY57V641620的SDRAM,容量16ⅹ4Mbit，數(shù)據(jù)寬度共8MB。設(shè)定其地址從0x0c00,0000到0x0c7f,ffff。只需要設(shè)置S3C44B0X的兩個(gè)寄存器（BWSCON和BANKCON6）就可使其正常工作。 S3C44B0X內(nèi)部集成了一個(gè)10位CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC，它包括一個(gè)8通道的模擬輸入、自動過零比較器、時(shí)鐘發(fā)生器、10位連續(xù)近似寄存器（SAR）和輸出寄存器，并提供軟件選擇的運(yùn)行模式。本系統(tǒng)充分利用 S3C44B0X片內(nèi)所帶ADC與儀表前端互感器的輸出端相連，將采集到的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號引入成為系統(tǒng)最重要的輸入部分，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和傳送的信息來源。需要注意的是，這個(gè)片內(nèi)ADC并沒有采樣/保持電路，因此輸入信號頻率的范圍規(guī)定在0-100HZ之間。如果實(shí)在需要采集更高頻率的輸入信號時(shí)，則可在外部增加一個(gè)采樣/保持電路。 3.2無線通訊模塊 在智能數(shù)據(jù)采集器與用戶計(jì)量儀表之間通過短程無線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)采用Nordic公司的收發(fā)芯片 nRf401。nRf401是工作在433MHZISM頻段的單片UHF無線收發(fā)芯片，它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最高工作速度可達(dá)20kbps，發(fā)射功率可調(diào)，最大為+10dBm.天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，便于使用低成本的PCB天線。該芯片具有待機(jī)模式，可以更省電和高效。nRf401通過串口直接與S3C44B0X連接，其電路原理如圖3所示。 監(jiān)控中心與智能數(shù)據(jù)采集器之間采用GPRS無線通信方式?？紤]性價(jià)比，選用SIEMENS公司的TC45模塊。TC45模塊是一款基于GSM/GPRS引擎的無線通信模塊?？晒ぷ饔?00MHz和1800MHz兩種頻率。帶有九個(gè)通用接口、兩個(gè)串口以及語音模塊。該模塊內(nèi)嵌TCP/TP 協(xié)議，通過J2ME平臺，用戶可以直接對TC45模塊進(jìn)行軟件開發(fā)。TC45通信模塊硬件組成見圖4。 3.3各類傳感器監(jiān)測單元 采用等離子感煙探測器火災(zāi)信號, 采用一氧化碳探測器監(jiān)測煤氣泄露信號,采用紅外探測器監(jiān)測房間是否有人。將各類傳感器監(jiān)測信號通過S3C44B0X的通過無線傳輸方式送入智能數(shù)據(jù)采集終端,作為控制耗能設(shè)備的依據(jù)。 3.4 耗能設(shè)備控制模塊 通過S3C44B0X的通用I/O端口分別接水、電、氣、熱控制設(shè)備.根據(jù)住戶交費(fèi)情況和是否有意外發(fā)生.控制相應(yīng)設(shè)備的通斷.實(shí)現(xiàn)家庭能源自動管理.尤其是室內(nèi)長時(shí)間無人時(shí)停水停電進(jìn)行節(jié)能控制. 4 系統(tǒng)管理軟件功能 該系統(tǒng)中，以 DELPHI為工具開發(fā)管理軟件，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)對儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置，并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析以對儀表進(jìn)行檢測和控制。 系統(tǒng)中管理計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集器之間為一主多從的通信結(jié)構(gòu),管理計(jì)算機(jī)可與每個(gè)數(shù)據(jù)采集器通信。系統(tǒng)采用多點(diǎn)輪詢的通信方式,即管理計(jì)算機(jī)按數(shù)據(jù)采集器地址呼叫, 數(shù)據(jù)采集器接收后,把按照通信規(guī)約存儲的數(shù)據(jù)上傳到管理計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)軟件功能框圖如圖5所示。系統(tǒng)管理軟件主要由遠(yuǎn)程自動抄表、數(shù)據(jù)庫管理、用戶查詢、聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、繳費(fèi)通知和報(bào)表打印等部分組成。 5 結(jié)論 本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化自動抄表系統(tǒng)，采用藍(lán)牙短程無線通信技術(shù)、GPRS無線通訊技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)。該系統(tǒng)通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，具有無需布線、工作量小、傳輸數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確性高、通信費(fèi)用低等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景并能創(chuàng)造很高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。