基于GPRS技术的远程智能抄表系统设计与研究

摘要：智能小区是国家信息基础建设的重要组成部分。基于GPRS与物联网技术实现远程智能抄表系统，采集终端的上行通信采用ZigBee无线传感器网络技术，通过网络与数据集中器进行数据交互实现电表数据的远传。系统具有水、电、气等资源的自动计量、收费及实时监控等功能，能准确实现用户数据的采集、存储、显示和传输，运行可靠，具有一定的应用推广价值。
关键词：GPRS；远程抄表：智能；物联网

    现代家庭中水、电、气表俗称“三表”。传统的人户抄表不仅给用户带来了不便，而且占用大量的人力资源，造成收费难的问题；新兴的IC卡技术，较为彻底地解决了以上问题，但对用户买“水、电、气”来说还不甚便利，同时与用户的使用信息也无法得到实时沟通，因此智能抄表和安全监控成为行业发展的方向。要进行智能抄表和安全监控就必须建造传输数据的网络。传统的数据传输主要有数传电台、电话拨号、卫星通讯辅设专线等，这些传输方式存在覆盖范围小、实时性差、投资及运行费用高等问题。GPRS技术及互联网Internet技术的发展，为工业监控、遥测遥控领域的数据传输及数据网络化管理提供了广阔的平台。

1 系统构建
    系统需要一个与互联网Internet相连的数据中心、与“三表”或需要监控的设备相连的数据采集器和内置GPRS模块的微处理器。采集器获取的数据传输给微处理器，微处理器通过GPRS模块登陆到GPRS网络上经过CGSN网关将数据传输到Internet上的数据中心，从而完成数据传输。
    该系统由数据库服务器、数据服务中心、操作终端、集中器和采集器等5部分组成，系统结构如图1所示。

    采集器位于居民小区的信息中心，客户的“三表”使用数据首先通过ZigBee技术将数据传输到位于小区信息中心的集中器，集中器再通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端相连。通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GSM网络，通过GPRS网络传送至数据库服务器，实现“三表”数据和数据中心系统的实时在线连接。

2 技术路线
    根据系统功能要求，本硬件系统应包括：用户三表数据采集显示模块、楼座单元数据集中模块、ZigBee组成的无线数据传输网络、无线数据收发模块构成的“客户端”与无线数据收发模块、RS-232串口电路、上位管理计算机构成的“数据中心”两部分。“客户端”与“数据中心”通过无线收发模块构成的无线网络实现数据交换。
2．1 数据采集显示模块
    数据采集显示模块包括：用户用电量采集与显示电路、用户用水量采集与显示电路、用户燃气用量采集与显示电路3种形式。本系统采用ADI公司推出的单片电能计量专用芯片ADE7751与微处理器设计成的全电子式多费率电能表来实现用户用电量数据采集；采用南京迪泰尔仪表机电设备有限公司生产的脉冲式智能涡街流量计传感器与微处理器设计成的数字式水表及脉冲式智能涡街流量计传感器与微处理器设计成的数字式燃气表实现数据的采集、存储、计算、显示、传输等要求。
2．2 单元集中器模块
    为了便于实现无线集抄功能，本设计在每个楼座的每个单元中加入一个单元集中器。单元集中器与每个数据采集部件通过ZigBee组成的无线数据传输网络，用来实现每个客户“三表”数据的定时接收与存储，它是“三表”与无线收发模块的一个核心部分。单元集中器的使用大大简化无线数传网络的复杂性，降低了系统设备成本。

    系统主要由主控制器、GPRS模块和ZigBee射频通信模块3部分组成，其结构框图如图2所示。主控制器采用三星公司的ARM9微处理器S3C 24-10X，它具有外围扩展功能模块，能够实现高速处理。GPRS模块采用Siemens公司的TC35终端，通过串口与CPU相连，实现与Internet的连接。ZigBee射频收发模块采用Chipcon AS公司的CC2420芯片，控制采集器内具备ZigBee标准接口的检测设备。
2．3 数据通信方案
    本系统中，“客户端”的“单元集中器”与“数据中心”的“PC机”之间数据传输是通过GPRS通信方式实现无线数据传输的。
    单元集中器与客户“三表”的通信属于多机通信。基于系统的特点及功能要求，选用主从式通信方式。单元集中器为主机，各客户的数字式“三表”是从机，主、从机之间通过无线数据传输网络实现数据的交互。主机发送的信息可以传送到所有的从机，也可以指定单一的从机接收，而从机发送的信息只能被主机接收，各从机之间不能进行通信。

3 系统软件设计
    软件系统主要包括：三表计量系统软件、单元集中器通信集存软件、上位PC机数据通信及人机交互接口软件3部分。
3．1“三表”计量系统软件
    软件由初始化、数据处理、信号显示、数据通信、键盘处理及数据存储几部分构成。初始化完成对单片机各功能部件初始状态及中断的设置和DS1302控制寄存器的初始化配置并开启芯片软件看门狗功能；数据处理主要完成采集数据计算；数据通信完成计量系统与单元集中器间的协议化通信，按照通讯协议的要求实现与单元集中器的可靠通讯，以便单元集中器来读取客户的数据以及设置时间、费率和地址等参数：信号显示通过LCD实时显示时间、“三表”数据等；键盘处理是按预定键值对ADE7751的相关引脚进行配置，设置系统的工作状态，完成时间的校正、查询及显示等功能。系统软件流程如图3所示。

3．2 上位管理PC机人机接口软件
    数据库服务器是采用SQL server2000，负责存储所有的用户资料数据、“三表”运行数据和各个监控终端的历史运行数据，并向数据服务中心和操作终端提供数据服务。操作终端通过局域网与数据库服务器、数据服务中心连接，完成开户、传递参数、充值、监测、控制、查询、统计报表等各种操作；远程操作终端通过GPRS模块与数据服务中心进行数据通信，由数据服务中心进行数据库的操作。

4 结束语
    本系统是将非电量检测技术、无线数字传输技术、计算机网络技术、信息安全技术和软件技术融于一体的高新技术产品，应用且独立于水、电、煤气主干网上计量器具计量数据信息的提取和数据管理，提高了该行业的信息化管理水平，改变水、电、煤气的管理现状；解决目前抄表难度大、劳动强度高等问题，特别是解决管理系统中一直难以解决的高可靠性、高准确性和低功耗问题。通过扩展煤气泄漏监控报警、水电煤气故障紧急求助等涉及家庭安全方面的功能来全方位的满足居民的实际需求。