GSM无线大表远程监测系统的开发与应用

刘淑杰 田 野

（深圳市兴源鼎新科技有限公司，广东 深圳 518000）

一、GSM无线大表远程监测系统开发的意义及前景

现今政府也已经提出建设资源节约型和环境友好型社会目标，在可持续用水发展道路上要促进用水模式的转变，来提高用水效率和效益，成为规划考虑未来用水发展和水资源开发利用问题的一个重要基点，在这种大环境下，如何有效、经济地降低水损也是国内供水企业面临的严峻而又急需解决的问题。GSM无线大表远程监测系统的开发与应用对这一问题的解决有其现实的意义。

从远传水表的发展趋势来看，小口径水表远传系统以计量收费为主要功能发展，在大口径水表远传功能上使用单位则更关注于水表运行情况的监测。在小口径远传方面，已有不少成熟产品规模应用；大口径远传方面，因受安装、供电、距离等限制，以无线传输为主要发展方向，在这方面的研究与实际应用却因多种原因进展迟缓。

二、GSM无线大表远程监测系统开发实施方案和目标

1、GSM无线大表远程监测系统的整体设计方案：

GSM无线大表远程监测系统是将安装分散的大口径水表的运行数据，通过发射机以GSM短信方式传输给营业收费中心（或监控中心）。监控中心对收到的信息进行判断、分析处理，计算用户的用水量，监测水表的运行是否处于正常的状态，口径的选择是否合适及中途有无水的漏耗做出判断。其结果保存在数据库中，作为供水企业进行管道维护、水表选型及收费的依据。如图1所示。

图1 系统整体设计方案图

1.1 无线发射机的设计：

该设计电路由传感器、存储器、处理器、外部时钟芯片、485通信电路、无线发射模块及电源供应电路组成。无线发射模块作为GSM无线网络的物理层射频前端实现数据的无线发送。为了实现高效节能，当传感器数据采集和数据存储时，命令微控制器进入“睡眠”状态并切断无线通信单元的部分电源。存储器内存储数据为24次/小时。无线发射机安装在现场，其电源供电采用电池方式。

1.2 无线接收机的硬件设计：

该设计由无线接收模块、存储器、处理器及电源供应模块组成。无线接收通信模块处于实时接收状态并进行系统监听，若检测到PC机发来的命令则上报数据，若没有（或者有干扰信号）则转入休眠模式，等待一段时间重新处于监听状态，整个监听+休眠状态不超过一分钟，若仍无有效信号，转入休眠状态。

1.3 电源

无线发射机采用的器件为低压器件，电压要求为5V，采用双高性能锂电池供电，也可采用外界电压供电，经过转换得到3.3V电源。该系统选定防自泄漏电池，可以保证在水表的使用周期（2-4年）内无需更换电池。

1.4 监控中心的数据处理

从各发射机传送过来的数据汇集到中心接收机并存入接收机的存储器中，协调器通过RS-232与上位机相连，通过串行口通信程序向上位机发送采集的数据，上位机收到数据后放到系统数据库中并进行处理分析。

2.主要技术指标

2.1 电特性：

a.水表存储与GSM无线发送的信息包括水表出厂编号、水表示值、电子单元工作状态、抄表时长；b.通信方式：GSM短消息发送（双向）；c.供电电源：3.6V/4Ah和3.9V/16Ah能量型锂电池各一节；d.工作电流：待机电流＜20uA，发送消息时工作电流＜350mA；e.抄表间隔时间：默认为1小时（可按用户抄表需求设定）；f.发送间隔时间：默认为24小时（可按用户抄表需求设定）；g.数据信息接收方式：GSM中心接收机接收抄表短信（接收机号码和编码方式可按用户需求设定；中心接收机用HEX方式，信息量大）。h.电池寿命：2年-4年（根据设置的采样及发送频率定）i.工作环境：温度：水表5℃～+55℃，电子单元部分-25℃～+55℃；湿度：0～97%RH；

2.2 系统功能：

●发射机配有485通讯接口，可实现出厂后参数设置、数据提取，也可采集译码表数据（根据客户要求)。●CPU定时定量存储表读数，默认每天发送一组数据（包括多个时段的用水数量），为水司更好的节约了运行费用。●管理系统能够准确定位各个终端（无线大表）的安装位置。●管理系统可以自动抄读每个表的数据。并生成数据报表及分析曲线。●管理系统能够分析所有大口径水表的运行状态，并对故障及流量异常提出报警提示。●电子部分防水标准达到IP68。

3、关键技术和解决关键技术途径：

3.1 关键技术

[1]嵌入式系统的低功耗设计。[2]M2M技术。[3]防水技术。[4]数据信息压缩技术。[5]信息加密技术。[6]信息同步技术。

3.2 解决关键技术的途径

[1]发射机只有采用低功耗设计，才能保证电池的使用寿命。具体设计步骤如下：

①处理器的选择。对一个嵌入式系统的选型是从其CPU和操作系统（OS）开始，选择CPU的时候，除了性能的优劣（比如时钟频率等）及所提供的接口和功能，还要重视其功耗特性。因为CPU是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于发射机来讲，它几乎占据了除无线模块以外的整个系统功耗的一半以上（视系统具体情况而定）。CPU的性能（Performance）和功耗（PowerConsumption）进行比较和选择，采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量。

②接口驱动电路的低功耗设计。接口电路的低功耗设计，在这个环节里，除了考虑选用静态电流较低的外围芯片外，还考虑以下几个因素：◆上拉电阻/下拉电阻的选取；◆对悬空脚的处理；◆Buffer的必要性

上拉电阻值在能够正常驱动后级的情况下（即考虑IC的VIH或VIL）,尽可能选取更大的阻值。此外当一个信号在多数情况下时为低的时候，也可以考虑用下拉电阻以节省功率。将CMOS器件的未使用的输入端接到VCC或地，来避免无法进入休眠状态或其他莫名其妙的故障。检查芯片的最大输出电流IOH和IOL是否足以驱动下级IC，并通过选取合适的前后级芯片来避免Buffer的使用来节约能量。

③动态电源管理（DPM）。动态的电源管理就是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来达到节省功率的目的，这种动态控制是与系统的运行状态密切相关的，这个工作往往通过软件来实现。

a、选取不同工作模式：CPU内部的各种频率都是通过外部晶振频率经由内部锁相环（PLL）倍频式后产生的。可以通过内部寄存器设置各种工作频率的高低控制功耗。

b、关闭不需要的外设控制器：在尽可能节省功耗的情况下将其关闭，否则会消耗电流。

④电源供给电路。在数字电路设计中，我们采用线性稳压（LinearRegulator）的方式供电。因为其电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很大。在适当的情况下使用DC-DC的电压转换线路，可以有效地节约能量，降低整机功耗。

[2]M2M技术实现：从数据流的角度考虑，在M2M技术中，信息总是以相同的顺序流动。但无论哪一种M2M技术与应用，都涉及到5个重要的技术部分：机器、M2M硬件、通信网络、中间件、应用。

a、机器(Machines)：在无线大表抄表系统中，整个发射机就是一个机器。

b、M2M硬件：无线抄表系统发射机需要考虑功耗，使用的无线数传模块是GR64；接收机不需要考虑功耗，使用TC35i（此模块的功耗要稍大一些）。

c、通信网络：通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位，无线大表抄表系统使用的是无线移动通信网络。

d、中间件(Middleware)：在无线抄表系统中，无线接收机定义为M2M系统的中间件用来接收数据终端的信息，并将信息传输到无线抄表系统中。

e、应用：无线抄表系统软件是无线大表抄表系统设计的应用层。将收集的数据变成有价值的信息，对原始数据进行不同的加工和处理，并将结果呈现给需要信息的观察者和决策者。

[3]对安装电子单元部分的防水盒采用防冻材料，防水盒内部独特防水结构设计，并采用密封胶对防水盒密封。防水盒采用一次性密封，防水等级可达IP68。

[4]数据信息压缩技术的实现。由于无线发射机采用的是电池供电的GSM短信传输，在一次发送的信息中，包含的数据量越大，对抄表系统软件在流量监控、分析就越详细；同时能够降低多次发送短信所消耗的能量，增加电池使用寿命。

[5]信息加密技术的实现。无线大表抄表系统中的信息加密主要是为了实现防止垃圾短信息的干扰。利用计算机采用加密法，改变负载信息的数码结构。

[6]信息同步。信息同步到达，实现实时的在线检测功能，应用到水平衡测试系统中，可以大大减少水平衡测试的人力成本。即该系统可以监控分析多只表在同一时间的流量数据。我们在接收机部分设计硬件电路与软件电路相配合来实现。

三、GSM无线大表远程监测系统的实际应用

GSM无线大表远程监测系统试生产完成后，在深圳烟草工业有限公司试用，共安装了34只大口径远传水表，配置了34台无线发射机，一台中心接收机，一套监测软件。在试用过程中，各项技术指标均达到了设计要求，实现了流量监测、数据分析等功能。

总结

GSM无线大表远程监测系统具有的数据自动采集、计量装置监测、供水网络负荷监测及强大的数据统计分析功能，是供水企业对工农业用水，实行申请用水、定额供水、有偿供水、超额停供或者加倍收费的制度的科学手段。在最直接地产生企业经济效益的同时，也减少了社会水资源的浪费。

[1]杨万海.多传感器数据融合及其应用.

[2]郭渊博.ZigBee技术与应用——CC2430设计、开发与实践.