一种基于NGB的无线自动抄表系统

刘猛，迟绍翠，曹三省

(中国传媒大学，北京 100024)

一种基于NGB的无线自动抄表系统

刘猛，迟绍翠，曹三省

(中国传媒大学，北京 100024)

本文提出了一种基于NGB(下一代广播电视网)的无线自动抄表系统及其控制方法。该系统包括信息采集、信息收发和信息处理三个模块。信息采集模块用于采集三表(水表，电表，燃气表)信息，并将采集的三表信息发送给信息收发模块，信息收发模块将接收到的三表信息通过广电有线双向网络传输给信息处理模块，信息处理模块将接收到的三表信息传送给网络中的信息处理中心，信息处理中心通过广电有线双向网络与信息收发模块进行双向通信并控制三表的数据采集和发送等操作。该系统采用机顶盒或数字电视的现有接口接入无线收发模块，用户操作界面将沿用现有的电视互动平台，用户可通过电视机查询三表、缴费和账单等信息。

NGB;无线抄表;交互电视

1 引言

随着住宅小区向智能化方向的演进，人们对于居住环境的要求日益的提高，建设智能化小区已经成为当前重要的任务。而自动抄表系统是智能化小区建设不可或缺的重要组成部分。自动抄表系统主要有掌上、有线和无线抄表系统，相比于有线抄表系统的系统复杂性和掌上抄表系统的低自动化，无线抄表系统减少了人力和物力的消耗而且系统构造简单，易于实现［1］。我们所熟知的国内现有的无线抄表系统多是基于电信的移动网络，需要在手机端开发数据模块进行数据的接收和处理，功耗大而且成本高。另一种基于小范围的无线抄表系统，需要开发表端无线模块，与小区屋顶无线收发系统通信，并有专门人员进行抄表，浪费人力而且可靠性差［2］。

基于此，我们提出一种基于NGB的无线自动抄表系统，通过stm32f103和NordicRF24L01设计无线通道，可以在低功耗的情况下完全实现自动抄表、自动收费，并且消费者可利用遥控器和电视机实现对三表数据、以往缴费和账单等的查询。

2 系统的总体设计

2.1 系统概述

基于NGB的无线抄表系统创新性地利用下一代广播电视网的回传功能，采用智能机顶盒、通用计算机系统、双向数字电视网络和数据库技术等，克服了传统的无线抄表系统的高成本、高功耗和资源浪费问题，实现了对三表数据的收集、处理、传输以及存储。

图1 无线自动抄表系统的总体框架图

基于NGB的无线自动抄表系统主要由三表信息采集装置、信息收发装置和信息处理装置组成。其中信息采集装置包括三表、采集模块和无线模块，信息收发装置包括无线模块和数字电视机顶盒，信息处理装置为数字电视用户信息和业务管理系统。基于NGB的无线自动抄表系统的总体结构如图1所示。该系统使用两种抄表方式:主动抄表方式和被动抄表方式。主动抄表方式，即下层模块定时的采集三表的流量和异常信息，并通过无线模块将信息传递给上层模块，上层模块对信息进行处理，并通过数字电视信息和业务管理系统计费和管理。系统也使用被动的抄表模式。被动抄表方式，即当上层模块收到用户发送的抄表指令时，通过无线模块间的通信向下层模块发送指令。下层模块根据收到的指令对三表进行数据的采集并回传给上层模块。上层模块将收到的数据通过数字电视机顶盒传递给信息处理装置［3］。

2.2 系统的工作原理

基于NGB的无线自动抄表系统由信息采集装置、信息收发装置和信息处理装置构成，其中信息采集装置和信息收发装置间通过短距离无线传感网进行数据传输，信息收发装置和信息处理装置间通过广电有线双向传输网络进行数据的传输。信息采集装置，用于采集三表端信息，向信息收发装置无线发送三表流量信息和异常信息;信息收发装置无线接收三表端信息，并将三表信息通过广电有线双向网络传输给信息处理装置;信息处理装置对接收到的三表信息进行处理，并通过广电有线双向网络与信息的收发装置进行双向通信。

信息采集装置利用三表端安装的采集模块进行三表流量信息和三表端异常信息的采集;信息收发装置由无线模块和数字电视机顶盒构成，用于传输信息采集装置端采集的数据;信息处理装置，即网络中的信息处理中心，计算得到三表费用信息，并将其传送给信息收发装置中的数字电视机顶盒，用户可以通过显示器查询实时信息。

3 系统抄表端硬件设计

系统的短距离无线传输系统主要由两个无线模块构成，一块处于信息采集装置，接收上层模块发送的抄表指令，用于传输采集端采集的三表信息;一块处于信息收发装置，将上层发送的抄表指令传递给下层模块，并接收下层模块回传来的三表信息。

本系统采用一种低功耗而且高性能的微处理器stm32f103和无线芯片NordicRF24L01来设计短距离无线传输系统。

其中微处理器stm32f103，带有Cortex-M3内核，具有低功耗、低电压和高性能等特性，同时具有高集成度和易于开发的优势［4］。

无线芯片NordicRF24L01，是一种新款的单片机射频收发器，可以工作在2.4GHz～2.5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出频率和通信频道可通过程序进行配置。该收发器功耗低，在以-6dbM的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功耗工作模块(掉电模式和空闲模式)使得节能设计更加方便［5］。

如图2所示，为短距离无线传输系统，其中微控制器stm32f103与射频收发器NordicRF24L01通过SPI串口链接。

图2 短距离无线传输系统

其中左侧与三表采集端相连接，用于采集三表信息;右侧与数字电视机顶盒端相连接，接收来自上层模块发送来的指令。右侧模块利用数字电视机顶盒的现有接口接入，用户操作界面将沿用传统的电视互动缴费系统，很好的利用了已有的资源。

4 系统的软件设计

4.1 上层模块软件设计

上层模块设计分两个方面。一个方面需要对数字电视机顶盒的接口程序进行开发，为无线模块直接同机顶盒的现有接口实现互联互通提供了方便，并且需要对机顶盒的应用程序进行二次开发，对接收数据进行处理，通过广播电视有线双向传输网络传输给信息处理装置。同时需要后端结算平台软件的开发。另一方面，系统上电后初始配置NordicRF24L01状态字，机顶盒接口端的微控制器收到信息处理装置发送的抄表信息后，通过无线通讯的方式向信息采集装置端发送指令。如果下层模块不返回或返回错误的信息，上层NordicRF24L01重新发送指令［6］。

4.2 下层模块软件设计

首先激活下层模块，当上层模块发送抄表指令时，微控制器首先检查地址是否相符。如果错误，则继续等待新的指令。如果正确，则将上层模块的指令发送给三表，采集端收集三表数据。接收后，下层模块通过NordicRF24L01射频收发器将数据回传给上层，然后继续等待上层模块的指令。

4.3 无线通信协议

由于工作在室内无线环境，其无线环境较为复杂，因此可靠的无线通信将依赖于可靠性高的无线通信协议。在这里我们将根据测试的无线信道特性制定通信协议，包括帧结构、纠错方法、接入方式、握手方式等［2］。

5 系统的优点

(1)三表端采用微型电池供电，这样密封起来大大降低了危险性。而微型电池供电只需要电路工作非常低的电流，所以电池可以连续工作几年不用换。

(2)利用现有的高质量、高传输可靠性的广电有线双向传输系统，大大降低了运营成本和对资源的浪费。

(3)三表端的无线收发模块的功耗可以做的非常低，因为基于无线通信网络的小区半径有几百米到几公里，而基于广电网络所需的无线传输距离仅在一个家庭的范围，所以发射功率大大降低。

(4)该系统为广电NGB提供了一些实质性的应用，同时也为广电服务家庭物联网提供了研究基础和可行性验证，即为广电网新业务的开发提供了切入点［2］。

6 结束语

本文面向NGB家庭物联网应用环境，提出了一种无线自动抄表系统，包括信息采集、收发和处理装置，通过短距离无线传感网和广电有线双向传输网络的结合，低功耗、低成本的完成了抄表功能。系统的设计具有创新性、可靠性和安全性等设计原则，可以使用户更加放心的使用。该系统是在三网融合和物联网的总体背景下提出的，为广电NGB提供了一些实质性的应用，同时也为广电进军家庭物联网提供了研究基础和可行性验证。

［1］郑君刚，吴成东，陈彪，楚好.智能小区无线抄表系统集中器设计［J］.沈阳建筑大学学报，2009，25(4):808-811.

［2］吕新景，江琴宁，朴大志.家庭物联网:广电的必争之地［J］.现代传播，2011，(4).

［3］王海丰，曹长修，赵敏.基于CC2420的无线自动抄表系统［J］.2006，25(7):50-53.

［4］隋绍勇，郑维广，张振邦.基于 STM32F103和nRF24L01的近程无线数传系统设计［J］.电子元器件应用，2010，12(12):15-17.

［5］李辉，宋诗，周建江.基于ARM和Nrf24L01的无线数据传输系统［J］.国外电子元器件，2008，16(12):44-46.

［6］刘立新，李国辉，郝云芳.基于nRF2401的无线自动抄表系统［J］.微计算机，2006，22:158-160.

A NGB-based Wireless Automatic Meter Reading System

LIU Meng，CHI Shao-cui，CAO San-xing
(Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper presents a NGB-based(Next Generation Broadcasting)wireless automatic meter reading system and its control method.The system includes information collection，transmission and processing modules.The information collection module is responsible for collecting the information of the meter of water，electricity or gas，and sending the collected information to information transmission module.Then the information transmission module will send the data information to the processing center through the short range wireless communication and two-way television cable network.The information processing module then sends the collected information to the network processing center.Information processing center can communicate with the information transmission module and control the data acquisition，transmission and other operations of the three meters over the two-way cable television network.The system uses the existing set-top box or digital TV interface to access the wireless transceiver module，the user interface can use the existing interactive TV platform，users can query the information of the three meters，the payment and bill through TV sets.

NGB;wireless meter reading;interactive TV

TN923

A

1673-4793(2012)02-0078-04

2011-07-22

中国传媒大学工科规划项目(XNG1015);十一五211工程重点项目(21103040104，21103050203);北京市文化创意产业专项(BJWZ1001-2)

刘猛(1989-)，男(回族)，山东省济宁市人，中国传媒大学硕士研究生.E-mail:liumengjiaojiao@126.com.

(责任编辑

:龙学锋)