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1無(wú)線通信方式

1.1無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，建成后運(yùn)行轉(zhuǎn)費(fèi)用很低，因此通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行通信對(duì)具有較大用戶量的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)性價(jià)比較高。但無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的造價(jià)很高，信號(hào)傳輸容易受外界信號(hào)的干擾，傳輸距離有限，而且大范圍的能源管理系統(tǒng)需要通信穩(wěn)定，通信距離遠(yuǎn)，因此這種方式在集中抄表系統(tǒng)中應(yīng)用受到限制。

1.2GPRS通信近年來(lái)，GPRS技術(shù)發(fā)展迅速，它為人們提供一種點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線廣域網(wǎng)IP通信連接，這種基于GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分布式無(wú)線交換技術(shù)，被應(yīng)用到更多的小型通信設(shè)備中。gprs通過(guò)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商服務(wù)器網(wǎng)關(guān)GGSN，以分組式交換作為數(shù)據(jù)收發(fā)的基本模式，利用現(xiàn)有的中國(guó)移動(dòng)運(yùn)行商通信網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與抄表，該技術(shù)目前以區(qū)域成熟，且運(yùn)行可靠。但其應(yīng)用中的運(yùn)行費(fèi)用高以及網(wǎng)絡(luò)前端通信模塊也成為了推廣的一個(gè)問(wèn)題，但隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的普及，運(yùn)營(yíng)商的資費(fèi)也不斷下調(diào)，這使得GPRS通信技術(shù)作為一種低成本、高效的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式成為可能[3⁃6]。GPRS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：接入范圍為運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)范圍，目前中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國(guó)絕大部分地區(qū)，因此其應(yīng)用不受限于位置和地域。另外GPRS網(wǎng)絡(luò)通信還支持不同速率設(shè)備接入，傳輸速率范圍大，可滿足各種遠(yuǎn)程抄表的設(shè)備需求。由于運(yùn)行商網(wǎng)絡(luò)可不間斷的提供實(shí)時(shí)服務(wù)，因此GPRS終端設(shè)備可同樣提供不間斷的實(shí)時(shí)連接，保證其通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。目前各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商在GPRS的費(fèi)用上均采用按流量計(jì)費(fèi)，從而使得遠(yuǎn)程抄表這種少量（偶爾大量）、間斷、頻繁的數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用成本大大降低；最新的GPRS技術(shù)同時(shí)還支持標(biāo)準(zhǔn)的X.25和TCP/IP協(xié)議，這便可以與Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)通，突破了使用GSM通信數(shù)據(jù)流量的上限[7⁃10]。根據(jù)上述對(duì)供熱企業(yè)遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)可選用的通信方式的分析比較可以看出，基于GPRS的遠(yuǎn)程能源計(jì)量管理系統(tǒng)具有性價(jià)比高、安全、通信簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足供熱企業(yè)的計(jì)量需求。

2基于GPRS的遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)的組成和硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成能源管理計(jì)量系統(tǒng)是按目前抄表行業(yè)的實(shí)際情況而開(kāi)發(fā)的，它以采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)為核心，系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)都要求保證數(shù)據(jù)的可靠性。現(xiàn)階段我國(guó)計(jì)量表（包括水、電、氣、熱四種表）安裝的方式主要是一戶一表，總體表現(xiàn)為一個(gè)單元內(nèi)按戶上表，各單元之間計(jì)量表以同樣的形式安裝，形式上看為典型的對(duì)等模式。這對(duì)抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了極大的便利。本文設(shè)計(jì)的基于GPRS的能源管理系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)采集器，集中器，監(jiān)控中心組成。采集器把掛載在RS485總線或者M(jìn)⁃BUS總線上的儀表數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示，并通過(guò)頻率為470MHz無(wú)線傳輸模塊傳把數(shù)據(jù)送到集中器。集中器把附近采集器發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)打包通過(guò)GPRSDTU模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在圖1設(shè)計(jì)思路中，每一戶居民都將安裝一塊相關(guān)計(jì)量?jī)x表，是抄表數(shù)據(jù)的來(lái)源，系統(tǒng)將在這里將每戶居民實(shí)際能源使用情況進(jìn)行匯總。通過(guò)采集器和集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)將保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)用戶能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取自己的使用情況。

2.2采集器硬件設(shè)計(jì)目前儀器設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是低功耗、高度集成化和小型化，采集器采用了以低功耗著稱的MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)作為控制器的核心器件。MSP430F149單片機(jī)是一種16位超低功耗的處理器，采用流行的RISC結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的處理能力；尋址范圍可達(dá)64Kb，還可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器，其中外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址；統(tǒng)一的中斷管理器，豐富的片上資源；片內(nèi)有精密硬件乘法器、1個(gè)14路1位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16位定時(shí)器、2路USART通信端口、1個(gè)比較器、1個(gè)看門狗、6路P口、1個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8MHz的時(shí)鐘。該系列單片機(jī)主要有以下特點(diǎn)：超低功耗；強(qiáng)大的處理能力；高性能的模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊；系統(tǒng)穩(wěn)定工作；方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境。采集器主要由電源，主控芯片，無(wú)線模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，電池電壓檢測(cè)電路，相應(yīng)的通信接口和顯示模塊組成。采集器通過(guò)RS485或者M(jìn)⁃Bus接口采集熱量表數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)主處理器MSP430F149的分析、處理后保存在FLASH存儲(chǔ)器中，并且通過(guò)470MHz的無(wú)線模塊上傳給集中器。終端維護(hù)可以通過(guò)終端本地輸入模塊操作，同時(shí)也能給從站（計(jì)量?jī)x表）進(jìn)行供電。維護(hù)界面友好，操作方式簡(jiǎn)單方便。采集器的電路模塊框圖如圖2所示。

2.3集中器硬件設(shè)計(jì)集中器的功能是發(fā)起采集命令給采集器，將各個(gè)釆集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，最后通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。集中器與采集器之間數(shù)據(jù)連接方式采用無(wú)線傳輸模塊。集中器電路模塊框圖如圖3所示。集中器主控芯片選擇STC公司的STC12C5A60S2芯片。STC12C5A60S2單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘單片機(jī)，具有低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾性、指令集完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)、ISP下載的特點(diǎn)，而且內(nèi)部集成了雙串口功能用復(fù)位，符合采集器設(shè)計(jì)要求。

3基于GPRS遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1采集器軟件設(shè)計(jì)采集器軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用IAREmbeddedWork⁃benchIDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。由于數(shù)據(jù)采集器主要完成接受命令與讀取數(shù)據(jù)，所以要有較快的接受能力和處理速度，防止接錯(cuò)或漏接數(shù)據(jù)。這就要求數(shù)據(jù)采集器要隨時(shí)處于接收狀態(tài)，為了能達(dá)到以上要求，可以使用單片機(jī)高效的中斷處理功能。然而過(guò)多的處于中斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致其他中斷不能及時(shí)響應(yīng)，所以要求中斷處理要快或處理較少的程序。由以上所述確定程序設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為中斷響應(yīng)軟件查詢。中斷響應(yīng)是及時(shí)響應(yīng)外來(lái)信息，并作相應(yīng)的標(biāo)記，關(guān)中斷，啟動(dòng)軟件查詢，達(dá)到快速響應(yīng)中斷的目的；而軟件查詢主要在主程序中進(jìn)行，通過(guò)查詢各個(gè)標(biāo)志位，就可知道那個(gè)中斷發(fā)生相應(yīng)，并執(zhí)行相應(yīng)中斷函數(shù)。MSP430F149具有豐富的中斷設(shè)置，可方便滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)主要用到的中斷主要有以下幾方面：（1）UARTA接收中斷。接收熱量表數(shù)據(jù)。（2）UARTB接收中斷。接收來(lái)自集中器的命令數(shù)據(jù)。（3）TIMERA0中斷。用于按照傳輸響應(yīng)定時(shí)接收數(shù)據(jù)幀。（4）TIMERA1中斷。用于定時(shí)間隔發(fā)送數(shù)據(jù)幀。（5）P1INPUT中斷。外部中斷、按鍵查詢、掉電查詢以及外接電源。（6）ADC12中斷。鋰電池電壓A/D轉(zhuǎn)換完成。采集器主程序流程如圖4所示，首先進(jìn)行各個(gè)驅(qū)動(dòng)功能初始化（時(shí)鐘初始化、LCD初始化、串口初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、I/O初始化、中斷初始化），然后進(jìn)行電池電壓檢測(cè)判斷鋰電池電量判斷，首頁(yè)顯示，按鍵判斷，讀表判斷，上傳數(shù)據(jù)到集中器判斷，進(jìn)入低功耗等待中斷喚醒。

3.2采集器軟件設(shè)計(jì)集中器主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和傳輸作用，程序主要采用中斷響應(yīng)和程序查詢的方式。部分程序設(shè)計(jì)思想與采集器相似，本節(jié)主要對(duì)串口中斷數(shù)據(jù)接受發(fā)送程序和GPRS程序做介紹。

3.2.1收發(fā)程序設(shè)計(jì)集中器串口中斷流程圖如圖5所示，接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)收到前導(dǎo)字符0xFE或者起始符時(shí)開(kāi)始接收，接收到0x68時(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)始移入到緩沖中，接收完成的判斷根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行判斷。接收完成以后進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，檢測(cè)到校驗(yàn)和、偶校驗(yàn)或格式出錯(cuò)，均應(yīng)該放棄該信息幀，校驗(yàn)完成以后數(shù)據(jù)移入保存。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。由于STC12C5A60S2不支持硬件上偶校驗(yàn)發(fā)送，故先把數(shù)據(jù)送到累加器中，獲得數(shù)據(jù)奇偶標(biāo)準(zhǔn)位P，如果是偶校驗(yàn)P移入串口發(fā)送第9位，奇校驗(yàn)則取反移入，并把累加器中數(shù)移入到串口發(fā)送緩沖器中。

3.2.2GPRS程序?qū)崿F(xiàn)本次數(shù)據(jù)傳輸使用的透明傳輸協(xié)議的GPRSDUT模塊，無(wú)線DTU（DataTerminalUnit）能夠穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而且此DTU具有自身檢測(cè)功能，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿摺Ｖ恍柽M(jìn)行相應(yīng)配置，即可選擇需要的工作模式。DTU支持通過(guò)串口、短信、數(shù)據(jù)中心進(jìn)行協(xié)議配置。通過(guò)串口使用AT指令，可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的機(jī)器配置。命令格式如表1所示。通過(guò)配置串口發(fā)送+++，DTU則會(huì)回答insetmode<CR><LF>并進(jìn)入?yún)f(xié)議配置狀態(tài)。用戶設(shè)備可以通過(guò)給配置串口發(fā)送AT命令進(jìn)行查詢、配置、重啟動(dòng)或退出該配置狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)主要的讀取、修改參數(shù)包括：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、連接管理、短信通道、系統(tǒng)參數(shù)。數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通道傳輸都遵循這一原則：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ATCommand相關(guān)包裝、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收后進(jìn)行ATCommand解析、數(shù)據(jù)傳到上層、解析數(shù)據(jù)。集中器數(shù)據(jù)接收和發(fā)送通過(guò)串口進(jìn)行。以接收數(shù)據(jù)為例。GPRS數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)傳輸可靠的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用典型的三層結(jié)構(gòu)，即：數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、管理層，分別用采集器、集中器和上位機(jī)管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是集中器和采集器之間通過(guò)無(wú)線通信模塊相連，而且采集器硬件設(shè)計(jì)上采用了低功耗的設(shè)計(jì)思想，能夠很好的保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定工作。采集器既起到單元內(nèi)數(shù)據(jù)采集功能，又具有中繼功能，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，是一種較為理想的能源管理系統(tǒng)解決方案。

作者：麻志濱劉芳劉震單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)