一种无线热网抄表的数据中继站设计

秦 飞， 赵建平， 张景顺

（曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165）

0 引言

据今年6月24日人民日报报导，我国城镇建筑仅23%节能，北方供热计量改革滞后。《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》中明确指出：新建建筑严格执行建筑节能标准，提高标准执行率。推进北方采暖地区既有建筑供热计量和节能改造，实施“节能暖房”工程，改造供热老旧管网，实行供热计量收费和能耗定额管理。随着我国能源政策日益完善，推广和实行分室控温和分户热计量已势在必行。

传统的城市供暖抄表系统存在着入户难、实时性差、隐患多等问题，无线热网抄表系统以其可靠性高、成本低、易实现、易普及等优点，越来越受到社会各界的青睐。

整个无线热网抄表系统主要由热量数据采集模块、路由模块及中继站模块组成。每个用户通过ZigBee网络的终端节点实现热量数据的采集，然后通过路由器节点实现子节点管理以保证终端数据能够顺畅地传送到中继站，最后通过中继站完成ZigBee网络与GPRS网络数据的转换及发送。设计的无线热网抄表系统的数据中继站，采取多个居民楼共用一个GPRS[1]模块的方法，解决了传统无线抄表系统[2]中每个数据采集模块必须配置一个 GPRS模块的缺点，降低了系统的成本，促进了无线热网抄表系统的推广。同时，选取高性能的S3C6410芯片作为中继站的处理器，使整个系统具有更强的实时性和更高的可靠性。

1 中继站设计分析

传统的中继站采用远程测控终端[3]，鉴于其设计灵活、适用性广等优点，现已广泛应用在电力[4]、煤炭、钢铁、石化[5]等大中型企业及城市供热、供气、供水等行业。

通过短距离无线收发模块汇集不同居民楼的热量数据，并将数据上传到数据中继站。在中继站处理过程中，一方面将处理后的数据临时存储在Nand Flash芯片中，另一方面通过GPRS模块远程传送至数据管理中心。考虑中继站对实时性的要求，系统选用高速、低功耗、高性能的ARM11芯片S3C6410[6]作为微处理器。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构

为了保证整个系统网络的同步性，中继站会定时向用户的传感器节点发送校时命令。由于选取一个中央数据中继站服务多个居民楼的方式，为保证同一个数据中继站下的传感器的数据能够可靠的上传，系统应用信道时分复用的设计思想，防止信道阻塞。

2 中继站硬件设计

无线热网抄表系统的数据中继站主要有3个部分组成：中继站数据处理模块、短距离无线数据采集模块和GPRS远程数据传输模块。

2.1 中继站数据处理模块设计

中继站数据处理模块选用S3C6410作为核心处理器，既满足中继站的实时性要求，又保证了整个系统的稳定工作。

S3C6410是SAMSUNG 公司基于ARM1176的16/32位的高性能低功耗的RSIC通用微处理器，下面对基于S3C6410的数据处理模块的相关电路进行简要分析。

1）晶振与实时时钟。S3C6410采用12 MHz的无源晶体作为系统的时钟源，经内部PLL电路可产生适合CPU工作的时钟信号，选用32.768 kHz的晶振作为实时时钟的时钟源。本系统使用看门狗复位，当系统发生一个不可预测的软件错误时，硬件模块监控内部硬件状态，同时产生复位信号来脱离该状态。

2）JTAG电路。本系统通过JTAG接口烧写程序，调试用到了XTCK、XTMS、XTDI、XTDO 和XTRSTn 这几个引脚。

3）Nand Flash。系统采用容量 256MBytes的Nand Flash芯片K9F2G08，来运行程序和存储临时数据。通信双方需要定义好数据通信协议的格式，一般需要包含数据头、数据、校验位、数据尾等信息。分析可知，用户记录一次温度、网络地址、同步时间的数据量为32Bytes，其中发送热量数据包的格式如表1所示。假设一个中继站负责4栋6层4个单元用户数据的管理，按每十分钟采集一次数据计算，每天需要占用约900 KBytes的Flash空间。因此，Nand Flash约用135 MBytes来临时存储数据，可以保证整个冬季热暖数据的存储。

表1 数据包格式

2.2 无线数传模块的电路设计

选用微功率的KYL-1020U作为无线数传模块。KYL-1020U体积小，功耗低，稳定性及可靠性极高，最远传输距离可达1 000 m，可以保证居民楼间数据的可靠传输。无线模块与 S3C6410的接口电路如图2所示。采用串口1进行数据传输，引脚TR_CON为无线数传模块的使能端。

图2 无线模块电路

通过设置不同的无线模块通信频率来防止传感器与中继站间的通信信道出现混乱，传感器与其对应的中继站设置相同的通信频率[7]。S3C6410根据拨码开关设置的相应数据位的高低电平，确定中继站的信道号。拨码开关接口的高、低电平，分别代表1、0信息。S3C6410根据信道号设置无线模块的通信频率。

2.3 GPRS模块的电路设计

GPRS模块采用宏电公司生产的 H7210 GPRS DTU，适用于点对点、中心对多点等数据的传输，支持最高115200的串口波特率，通过电平转换芯片MAX3232与S3C6410的串口连接。GPRS模块采用串口2进行数据传输，接口电路如图3所示。

图3 GPRS模块电路

2.4 电源模块的电路设计

S3C6410需要1.8 V内核电源和3.3 V功能外设电源双电源供电。短距离无线模块、MAX3232电平转换芯片均需要3.3 V直流电源供电。正常情况下，交流电经变压、整流、滤波、稳压后变换为合适的直流电后为各模块供电。若意外停电，则由12 V后备蓄电池供电，交流电恢复正常后为蓄电池充电。为了节能降耗，采用 TI的最新 DC/DC开关电源TPS5430DDA实现。

3 中继站的软件设计

中继站的软件程序在ARM RealView MDK开发环境下编写，通过调试器进行仿真调试无误后，利用JTAG仿真器将可执行程序下载到S3C6410芯片中。

3.1 中继站软件结构

中继站软件从功能上可分为3大部分，分别为数据处理模块、无线数据采集模块和GPRS数据传输模块。

3.2 程序流程图

下面围绕数据处理、无线数据采集、GPRS数据传输这3个功能进行具体的软件设计，流程图如图4所示。

1）主程序流程图（见图 4(a)）。主程序除了要完成对 I/O口、串口、实时时钟、中断、看门狗等基本初始化工作外，还要计算存储器中数据存储和发送指针，保障数据的正确存储和发送。为了保证数据上传的实时性，系统采取用户主动发送数据的方式。中继站定时向用户发送校时命令，来保证系统网络的同步性。

2）无线数据采集程序流程图（见图 4(b)）。接收的命令包括记录数据、校时和通道检查，执行完每个命令后，都要发送一个应答信号。记录数据后，要修改数据存储指针，以便下一组数据存储到正确的地址空间。

3）GPRS数据传输模块程序流程图（见图4(c)）。中断发生后，先对接收的数据进行校验，然后根据接收到的不同指令执行不同的操作，每种操作完成后均要返回应答。

图4 中继站程序流程

4 中继站系统的调试

围绕中继站的具体功能，从以下两个方面进行调试。

1）读取Nand Flash中的数据。系统通过短距离无线数传模块发送00～ff数据信息，接收到数据后存储在芯片K9F2G08中，然后从K9F2G08读出数据，从而判断是否能正确的接收发送的数据，以下是调试过程和结果。

[root@S3C6410 /]# Flash –r

Open /dev/Flash/0 with 8bit mode

Reading 256 bytes in K9F2G08 from 0x0 0000: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f

0010: 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f

0020: 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2a 2b 2c 2d 2e 2f

0030: 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 3a 3b 3c 3d 3e 3f

0040: 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f

0050: 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 5a 5b 5c 5d 5e 5f

0060: 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f

…

2）利用GPRS模块发送短信息。通过GPRS模块发送短信息，验证远程数据管理中心能否接收到中继站的热暖数据。检查相应的程序无误后，在超级终端中演示如下：首先选择波特率为9.6kbps，连接完成后设定模块为text字符工作模式，接着输入接收短信息的手机号，最后输入要发送的内容，以下是调试过程和结果。

[root@S3C6410 /]# GPRStest

GPRS Modem Communication Test Example

May 1 2010 16:20:55

0 --- 1200

1 --- 2400

2 --- 4800

3 --- 9600

Baud rate select for GPRS modem: 3

AT command >AT

OK

AT+CMGF=1

OK

AT+CMGF=13792395940

> Hello. Welcome to GPRS test!

+CMGF: 206

OK

5 结语

基于S3C6410的无线热网抄表系统的数据中继站，综合考虑了短距离无线传输和GPRS技术的特点和优势，实现了短距离与长距离无线通信[8]的完美结合，大大降低了系统成本，为无线热网抄表系统的推广提供了一定的技术支持。整个系统的实时性好、工作可靠，具有广泛的应用前景。设计的中继站还有待于扩展一些新的功能，以充分发挥S3C6410处理器的最大潜能。

[1] 刘永录,衣红钢,巩宪锋,等.基于 GSM/GPRS的无线数据采集系统[J].信息安全与通信保密,2005(11):112-120.

[2] 张长志,赵飞,夏晶晶.基于虚拟IP的GPRS远程抄表系统的应用[J].通信技术,2012,44(12):134-135.

[3] 刘振华.嵌入式远程测控终端的设计与实现[D].湖北:华中科技大学,2011.

[4] 王中,林岚.浅析大型发电厂远动终端RTU维护策略[J].科技情报开发与经济,2011,21(34):220-222.

[5] 董明明,孔万蓉,陈梓馥,等.基于RTU油井远程测控系统的数据采集与传输层软件设计[J].物联网技术,2012,2(02):25-29.

[6] 陈安全,周安栋,罗勇,等.基于ARM11的通信设备状态监测终端设计[J].通信技术,2012,45(06):128-129.

[7] 白慧静.油井远程无线计量管理系统的设计[D].山东:曲阜师范大学物理工程学院,2011.

[8] 周赪.物联网概述[J].信息安全与通信保密,2011(10):63-64,68.