基于短距无线通信与3G的无线集中抄表系统 (1)

第３７卷

Ｖｂｌ．３７

第２期

Ｎｏ．２

计算机工程

ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

文章编号：１０００＿－３４２８（２０１１）０２－＿０２９０＿’０３

文献标识码ｚ

Ａ

２０ｌ

１年１月

Ｊａｎｕａｒｙ２０１１

中图分类号：ＴＮ９１５ ０４

开发研究与设计技术

基于短距无线通信与３Ｇ的无线集中抄表系统

巩话，屈玉贵

（中国科学技术大学电子工程与信息科学系，合肥２３００２７）

捕要：分析现有抄表系统存在的不足，介绍基于短距无线通信与３Ｇ的无线集中抄表系统。结合短距无线通信与３Ｇ技术，数据的汇聚与转发均通过无线方式进行。将采集到的计量表数据通过３Ｇ网络转发到计费部门的数据管理中心。与现有的抄表系统相比，该系统具有布置灵活、抄表范围大、功耗低、实时性好、干扰小等特点，在实际应用中有较好效果。关健词：无线通信；３Ｇ技术；无线抄表系统；Ｒｓ一４８５方式；ｎＲＦ９０５芯片

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ

Ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ

Ｍｅｔｅｒ

ＲｅａｄｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ

ｏｎ

ＳｈｏｒｔＤｉｓｔａｎｃｅ

ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄ

ＧｏＮＧ

３Ｇ

Ｈａｏ，ＱＵ

Ｙｕ－ｇｕｉ

（ＤｅｐａｎｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｆｏｎＴｌａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，ｕｎｆＶｅｒｓ时ｏｆｓｃｉｅｎｃｅａＩｌｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ２３００２７，Ｃｈｉｎａ）

ｍｅｔｅｒ

ＩＡｂｓｔｒａｃｔｌＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅ

ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇ

ａｎｄ

ｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｍｐｏｓｅｓ

ｔｈｅ

ａ

ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇ

ａｎｄ

ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ

ｗｉｔｈ

ｓｈｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｅｄａｔａ’ｓ

ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ

３Ｇ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｍｂｉｎｅｓ

ｓｈｏｒｔｄｉｓｔａｎｃｅ

ｄａｔａ

ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

３Ｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｇｅｔｈｅｒ

ｔｈｅ３Ｇ

ａ

ａｎｄ

ｔ啪ｓｍｉｓｓｉｏｎ

ｔｈｍｕ曲ａｗｉｒｃｌｅｓｓｍａｎｎｅｒ．Ｔｈｅｃ０１ｌｅｃｔｅｄ

ｏｆｍｅｔｅｒａｆｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ

ｔｈｒｏｕｇｈ

ｎｅｔｗｏｒｋｔｏ

ｔ１１ｅｂｉｌｌｉｎｇ

ｄｅｐａｍｎｅｎｔｏｆ

ｔｈｅｄａｔａ

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

ｃｅｎｔｅｒ．Ｗｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｍｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｅｒ

ａｎｄ

ｒｃａｄｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓ

ｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌ

ｍｏｒｅｆＩｅｘｉｂｌｅｌａｙｏｕｔ，ｌａ唱ｅｒ

ｃｏｖｅｒａｇｅ，ｌｏｗｅｒ

ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉ曲ｅｒｒｅａｌ—ｔｉｍｅｆｅａｔｕｒｅｓ，ｌｅｓｓｉｎｔｅｄ．ｅｒｅｎｃｅ

ｗｊｒｅｌｅｓｓ

ｇｅｔｓｂｅｔｔｅｒｒｅｓｕｌｔｓ

ａｐｐＩｉｃａｔｉｏｎ．

ＩＫｅｙｗｏｒｄｓｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；３Ｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅｔｃｒｒｅａｄｊｎｇｓｙｓｃｅｍ；Ｒｓ一４８５ｐａｃｔｅｍ；ｎＲＦ研）５ｃｈｉＰ

ＤｏＩ：１０．３９６９，ｉｉｓｓｎ．１（）（）Ｏ一３４２８．２０１１．０２．１０２

１概述

随着国内智能小区建设的兴起，作为智能小区特点之一的集中抄表系统受到越来越多的关注。目前，计量表的抄表技术”。１有人力手持抄表、Ｒｓ一４８５、红外和电力载波等方式。人力手持抄表效率低、工作量大，准确性和时效性均较差；Ｒｓ一４８５方式需要布线，施工布线工作量大，且通信信道损坏后，故障排除困难；采用红外抄表，受传输距离限制，仍需人到现场，此外，红外抄表对方位角和环境也要求较高；对电力载波抄表方式，受低压电力线本身结构和负荷的影响，信号传输的电磁环境复杂，易受干扰，衰减较大。随着无线通信技术和网络技术的发展，采用无线方式回抄用户计量表信息的远程集中抄表系统，能够有效克服上述抄表方式的弊端，提高计量的自动化和信息化水平。

现有的无线抄表系统多采用在一个小区内布置多个加装ＧＰＲｓ模块的集中器，这种方法不仅成本较高，且受ＧＰＲｓ网络同时工作的时隙数限制，实际数据速率难以满足应用的需要。３Ｇ牌照发放以后，国内电信运营商积极进行３Ｇ网络

图ｌ无线抄表系统整体结构

系统在预先设定的时间或通过直接下达抄表指令读取计量表的计量数据，经３Ｇ网络传送至数据管理中心，无需人工干预，从而节省了大量的人力物力。由于采集器和集中器之间利用无线方式进行数据传输，无需布线，因此布置方式较为灵活，可覆盖较大范围。

竺譬孽，。宴此譬来曹亭速的篓篓竺竺望力拳｛釜产用提篓了

有力的支持。本文提出了一种基于短距无线通信与３Ｇ的无

３系统硬件设计

系磊硬律。在括数据采集器和集中器２个部分。

３．１数据采集器硬件设计

挚集中抄表系统的设计与实现亨法，，借助警哩垄线通信技术与３Ｇ网络的高速数据传输能力，实现较大范围实时抄表，

２

数据采集器主要负责采集与之相连的计量表数据，并根

可应用于水、电、气、热等部门的远程集中抄表。—————————————————————————■■■

基金项目：安徽省自然科学基金资助项目（ｚＤ２（）０８００５—２，ｚＤ２００９０４，

无线抄表系统整体结构

系统整体结构框图如图ｌ所示，系统包含若干采集器和

ＪＫ２００９Ａ叭３，ＪＫ２０（）９Ａ０２５）

作者倚介：巩浩（１９８３一），男，硕士研究生，主研方向：嵌入式系统，无线传感器网络；屈玉贵，教授、博士生导师收稿日期：２０ｌｏ—０５—２８

Ｅ．ｍａｉｌ：ｈｕａＩｌｙｉｎｇ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ

一个集中器。通过在小区内加装数据采集器和集中器即町实现无线抄表，通信时的数据格式遵循相关的规约。

万方数据

第３７卷第２期巩浩，屈玉贵：基于短距无线通信与３Ｇ的无线集中抄表系统

．２９１

据集中器的命令进行对应操作。采集器与计量表通过Ｒｓ一４８５总线相连，将采集到的数据以无线方式发至集中器，其模块结构如图２所示。数据采集器主要包括：微处理器模块，数据采集模块，射频模块，串口通信模块和电源模块。

应用程，笋Ｆ载调试

圈２采集器硬件模块

３．１．１微处理器模块

微处理器模块是采集器的控制核心，运行采集软件，完成对计量表的数据采集、与集中器通信等功能。系统采用

ＡＴｍｅｇａ

１２８微处理器，该处理器是ＡＴＭＥＬ公司生产的高档

ＡＴＭＥＧＡ系列ＡＶＲ单片机，采用哈佛结构，处理速度高达

Ｊ

ＭｌＰｓ／ＭＨｚ；片内集成多种频率的Ｒｃ振荡器，具有上电自

动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路简单；片上资源丰富：集成有４

ＫＢＥＥＰＲＯＭ，４ＫＢ

ｓＲＡＭ，１２８ＫＢＦｌａｓｈ，

８路１０位ＡＤｃ、ＳＰｌ、ＵＡＲＴ等。３．１．２数据采集模块

数据采集模块通过Ｒｓ一４８５与计量表相连，读取计量表数据，供微处理器处理。３．１．３射频模块

用于数据采集器和集中器的无线通信，通过ｓＰＩ与微处理器相连，信号经鞭状天线发射。射频模块采用挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司推出的单片射频发射器芯片ｎＲＦ９０５”Ｊ，能够实现信道冲突检测，链路数据信息调制、解调、地址匹配等功能；可工作于４３３国家专用抄表频段，具有较好的抗干扰和穿透性能”】，有效通信距离可达３００ｍ；输出功率可根据现场情况进行设置，最高可达１０ｄＢｍ，发射速率最高５０Ｋｂ／ｓ；有４种工作模式：ｓｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴｘ模式，ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＲｘ模式，掉电模式和ｓＴＡＮＤＢＹ模式。当无数据收发时，系统可处于ＳＴＡＮＤＢＹ模式，以降低功耗；内置硬件８，１６位ｃＲＣ校验，数据传输可靠稳定；系统上电后通过ｓＰＩ口进行功率、频率、ＣＲＣ等配置。３．２集中器硬件设计

集中器是系统的核心部分。集中器以无线方式与数据采集器进行通信，向数据采集器发送地址和数据采集命令，汇聚采集器的数据；接收数据管理中心的指令，对采集的数据进行处理，并将采集的数据通过３Ｇ期络Ｅ传至数据管理中心。集中器的硬件结构如图３所示，主要包括ＡＲＭ９、射频模块、存储模块、３Ｇ模块、人机交互模块和电源模块。

报警输出

数据输人输出

数据数据输入

输八输出

输出

圈３集中器硬件模块

万方数据

３．２．１

ＡＲＭ９

ＡＲＭ９是集中器的核心控制部分，运行集中器的操作系统及应用软件，完成数据汇聚、处理、转发控制、状态巡检等功能。系统采用ｓａｍｓｕｎｇ公司生产的１６／３２位基于ＡＲＭ９２０Ｔ核的ｓ３ｃ２４１０Ａｉ６１处理器，该处理器有较低的功耗、较强的运算能力和丰富的片上资源。片上集成了支持ＴＦＴ的ＬｃＤ控制器，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ控制器，ｕＡＲＴ、ＲＴＣ、ｓＰＩ、带

ＰｗＭ的定时器等，最高频率可达２６６ＭＨｚ；在无数据传输时，可通过降低时钟频率减小功耗。

３．２．２

射频模块

射频模块也采用ｎＲＦ９０５单片无线收发器，由一个完全

集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成，可多通道工作；通

过ｓＰＩ与微处理器相连。３．２．３存储模块

存储模块有２个部分：ｓＤＲＡＭ和ＦＬＡｓＨ。采用２块容量为３２ＭＢ、１６根数据线的ｓＤＲＡＭ，２块芯片并行组成３２位，直接与微处理器相连，用以运行程序；ＦＬＡｓＨ采用

６４ＭＢＮａｎｄＦ１ａｓｈ，存储操作系统、程序和数据。

３．２．４

３Ｇ模块

３Ｇ是以ｃＤＭＡ技术为基础的新一代移动通信技术，３Ｇ

系统采用无线宽带传输技术、复杂的编译码及调制解调算法、快速功率控制、多址干扰对消、智能天线等技术，以提供更高的传输速率和更好的服务质量，提供高达２Ｍｂ，ｓ的传输速率。本系统采用ＳＩＭｃ０Ｍ公司的甜Ｍ５２ＩＯ模块川，支持ＧｓＭ和ｗｃＤＭＡ２种模式，支持Ｆ行７．２Ｍｂ／ｓ和上行３８４Ｋｂ，ｓ的数据传输；集成了ｕＡＲＴ、ｕｓＢ、音频、摄像头、４位ｓＤ卡和ＩＩｃ等接口；内嵌ＴＣＰ，ＩＰ协议栈；有９种工作模式，各种模式均可通过ＡＴ指令进行控制和设置；可选的ｕＡＲＴ，ｕＳＢ连接方式，本系统采用ｕＡＩ玎接口与ｓ３ｃ２４１０Ａ连接。各种工作模式如表ｌ所示。

表１系统工作模式

模式工作状态

正常模式

筹苫玄墨雯墓薹入；若。１Ｒ商电平且无数据收发和硬件中断

翌！里！堡苎

！竺！竺苎竺塑坚兰！竺兰翌：兰翌竺堡竺兰

掉电模式鬻恐蒜嚣、能曼慧慧筹麓癸劝Ｍ

最小功能模式鬟蔷誓蓁豢鬻繁虢象’关韶箍絮‰尊菱主矗：

告警黻毳霎竿，霍蒺禁釜嚣嚣，Ｍ镙锻嚣麓簇掌

３．２．５人机交互模块

人机交互模块包括２个部分：键盘和ＬｃＤ。键盘部分采用４×４小键盘，实现常用输入法的输入；输出则由ＬｃＤ显示。系统软件包括２个部分：数据采集器软件和集中器软件，

采用Ｃ／ｃ＋＋编写。

数据采集器软件设计

采集器进行数据采集的ＰＡＤ图如图４所示。系统上电后，

首先对硬件进行初始化，相关参数配置及注册，之后根据集

中器命令完成对应操作。

通过该模块可以方便地对集中器进行各种设置及信息查看。

４系统软件设计

４．１

２９２

计算机工程

２０１１年１月２０日

开始

《

Ｎｌ

【ＪｍＩＩ

发送注，请求

监听命令

Ｙ

抄表

抄表命令１

命令｛

状态避

．．．．．．．．．．．一

Ｎ

糙命令葡西同

结束

发送状态信息

习

查墼塑Ｉ

Ｗａｉｔ

．．．．．．．．．一一砸爿！！

Ｙ

兰会眄ｏＫ

ｌ”Ｌ墼垒

鼋发３次

圈４数据采集器ＰＡＤ图

４．２集中器软件设计

集中器软件包括２个部分：操作系统和应用软件。操作系统采用开源的嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统，用户可以按照实际需求对系统进行裁剪。应用软件部分，用户通过编写设备驱动程序实现对具体硬件的抽象，为主程序提供应用接口；通过对ＡＰＩ的函数调用实现数据聚合、处理和信息选择转发、采集器的注册、采集器状态巡检等功能，集中器软件模块如图５所示。各由上行通信、下行通信、人机交互和数据分析

管理组成，主程序通过真接调用接口函数完成系统功能。

图５集中器软件模块

４．２．１

上行通信模块

上行通信模块主要功能是通过３Ｇ网将汇聚的数据发送

至数据管理中心，另外，接受来自数据管理中心的指令，完成相关操作。上传数据有２种方式：（１）根据事先设定的时问，定期传送；（２）根据数据管理中心的指令实时传送。系统通过ＡＴ指令控制３Ｇ模块，完成数据通信，一个通信控制的流程

如下：

ＡＴ＋ＣＯＰＳ＝０．０．“ＣｈｉｎａＵｎｉｃｏｍ”．２

，／选择并注册到３Ｇ网络，成功时，返回ＯＫ；

ＡＴ＋ＣＧＳＯＣＫＣＯＮＴ＝１，”ＩＰ”，”３９ｎｅｔ”，””，Ｏ，０

／／定义ｓｏｃｋｅｔＰＤＰ上下文参数；

ＡＴ＋ｃｓｏｃＫｓＥＴＰＮ＝ｌ／，设置当前ＰＤＰ上下文的文件号；

ＡＴ＋ＮＥＴＯＰＥＮ＝”ＴＣＰ”．“８０”

／，打开ｓｏｃｋｅｔ，同时激活ｓｏｃｋｅｔＰＤＰ上下文；

ＡＴ＋ＴＣＰＣＯＮＮＥＣＴ＝“２０２．３８．６４．２”．８０”

，／与服务器建立ＴｃＰ连接；

ＡＴ＋ＴＣＰＷＲＩＴＥ：”ｌ２３４５６７８９０”

万方数据

／，发送ＴｃＰ数据，发送成功，返回ＯＫ；

ＡＴ＋ＮＥＴｃＬ０ｓＥ／，关闭网络，断开ＴｃＰ连接；

另外，通过不定期的发送测试命令，测试网络连接状况，确定网络是否畅通。

４．２．２下行通信模块

下行通信模块主要实现集中器与数据采集器之间的通信。系统启动后，首先，处理数据采集器的注册请求，完成注册后，回送注册成功信息；然后，启动定时器，周期性地发送心跳信号，对数据采集器进行状态巡检；按照预先设定的时间或按数据管理中心的指令下达抄表命令。４．２．３数据分析管理

对抄得的数据进行处理，分析当前各集中器的计量数据特点；根据数据采集器同送的状态信息，评估集中器信号覆盖范围内各个数据采集器的状态，生成报表，并将结果上报数据管理中心。

５应用实例

本系统在江苏淮安部分小区进行了电力抄表的试点。一个小区４００户，ｌ台集中器，１４台数据采集器，每台采集器接３０个电表。数据采集器到集中器和集中器到数据管理中心均采用无线通信方式，试点小区的一次抄表成功率、实时性及其他指标均达到了预期效果。

６结束语

本文提出的无线抄表系统将短距无线通信技术、ＡＲＭ９与３Ｇ技术结合起来，实现远程集中抄表。数据采集器与集中器以短距无线方式通信，无需布线，布置较为灵活；利用

４３３

ＭＨｚ国家专用抄表频段，实现数据的汇聚，抄表范围大，

干扰小，可靠性较高；汇聚的数据通过３Ｇ网络转发，数据传输速度快，实时性较好。现有的一些抄表系统在每个表上均加装无线模块，成本较高，相互间干扰较大；本系统与之相比，采集器通过Ｒｓ．４８５总线与计量表相连，通过３Ｇ网络

上传数据，在系统干扰、实时性、成本及布置灵活性等方面较有优势，在实际测试与应用中有较好效果。

参考文献

［１】秦实宏，卢亚玲，胡胜，等．基于ＧｓＭ无线远程集中抄表电

量管理系统…．华中科技大学学报：自然科学版，２００７，３５（１２）：

５３．５５．

【２】齐秀波．电能计量集中抄表技术的发展【Ｊ】电测与仪表，２００６，

４３（８）：４８—５０．

［３】

王辉，马维华．基于ｗＩＮｃＥＮＥＴ的多种抄表模式的设计与实现【Ｊ】计算机工程，２（）（）８，３４（２１）：２７０一２７２．

【４］ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩＡＳＡ．ｎＲＦ９０５ＰｍｄｕｃｔＳｐｅｃｉｆｊｃａｔｊｏｎｌｚｌ．２００５．

【５】熊邦毛，陈哑军，王兴邦．基于４３３Ｍ路由算法在抄表系统中的

应用与研究【ＪＪ计算机工程，２００８，３４（８）：２８ｌ一２８２．【６】

ＳａｍｓｕｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｓ３Ｃ２４ｌＯＡ一２００ＭＨｚ＆２６６ＭＨｚ３２－ｂｉｔ

ＲＩＳＣ

Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

Ｕｓｅｒ’ｓ

Ｍａｎｕａｌ，Ｒｅｖ汹ｏｎ１．０【Ｚ】．２（）０４．【７】ＳＩＭＣＯＭ

Ｌｔｄ．．ＳＩＭ５２１０

Ｈａｒｄｗａｒｅ

Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

ＤｅｓｃｒｉＤｔｉｏｎ

Ｖ１．１ｌ【Ｚ】．２００６．

编辑顾逸斐

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

基于短距无线通信与3G的无线集中抄表系统

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

巩浩， 屈玉贵， GONG Hao， QU Yu-gui

中国科学技术大学电子工程与信息科学系,合肥,230027计算机工程

COMPUTER ENGINEERING2011,37(2)8次

参考文献(7条)

1.秦实宏;卢亚玲;胡胜 基于GSM无线远程集中抄表电量管理系统[期刊论文]-华中科技大学学报(自然科学版)2007(12)

2.齐秀波 电能计量集中抄表技术的发展[期刊论文]-电测与仪表 2006(08)

3.王辉;马维华 基于http://wendang.chazidian.com的多种抄表模式的设计与实现[期刊论文]-计算机工程 2008(21)4.Nordic VLSI ASA Nordic VLSI ASA.nRF905 Product Specification 2005

5.熊邦毛;陈亚军;王兴邦 基于433M路由算法在抄表系统中的应用与研究[期刊论文]-计算机工程 2008(08)6.Samsung Electronics S3C24IOA-200 MHz & 266 MHz 32-bit RISC Microprocessor User's Manual,RevisionI.O 2004

7.SIMCOM Ltd SIM5210 Hardware Interface Description V1.11 2006

引证文献(8条)

1.李善荣.闫述.曹清华.陈祖爵 无线传感器网络高温监测节点的设计与开发[期刊论文]-计算机工程 2012(8)2.陈建鹏 基于Zstack的无线传感器网络设计与实现[期刊论文]-电子世界 2012(17)3.张晓莉.刘磊 煤矿井下TD无线数据采集终端的设计[期刊论文]-电子科技 2011(9)4.宣冶 远程水表数据采集传输系统设计与研究[期刊论文]-计算机仿真 2012(3)

5.陈华凌 基于ZigBee和3G的WSNs数据视频网关设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2013(5)

6.陈华凌.陈岁生.张仁政 基于Zigbee无线传感器网络的水环境监测系统[期刊论文]-仪表技术与传感器 2012(1)7.汪义旺.张波.吴铄 3G技术在LED路灯照明智能监控系统中的应用[期刊论文]-照明工程学报 2012(5)8.汪义旺.宋佳.张波.潘辉 无线与PLC通信技术在FFU群控系统中的应用[期刊论文]-自动化仪表 2012(12)

引用本文格式：巩浩.屈玉贵.GONG Hao.QU Yu-gui 基于短距无线通信与3G的无线集中抄表系统[期刊论文]-计算机工程 2011(2)