无线燃气表抄表系统的集中器设计与实现

王建强，许 鹏，谢正光，杨永杰

（南通大学 电子信息学院，江苏 南通226019）

0 引 言

随着网络技术快速发展，各行业对网络的依赖性在不断增强。对目前新兴起来的无线抄表系统而言，其作用是非常重要的。由于传统全机械式燃气表在快速城市化的进程中，存在着诸多的不足，正在被新式自动化抄表系统所取代。而在整个自动抄表的方式中，无线抄表技术是目前最被看好的抄表技术之一，它不光克服了传统抄表的许多弊端，同时还提高了各大燃气公司的管理效率。可见，无线抄表系统将会有很大的发展空间。

目前无线远传抄表系统中的集中器一般采用单一网络的数据传输方式，即将从采集器汇聚到的数据通过单一的移动网络［1，2］或互联网传至监控中心［3］，这种单一方式容易受网络诸多因素的限制，如移动信号很容易因通讯业务量的剧增而导致拥堵的限制，而实际数据的传输速度难以满足应用的需求。本文的创新点就是将 “三网”（即无线传感网 （WSN）﹑移动网络 （3G网络、2G网络）和互联网（Internet））完美的整合，即保证3种网络之间可无缝切换，真正做到数据传输安全、可靠，实现大范围的实时抄表，做到数据传输无盲点。这不光完全吻合物联网的整体设计要求，同时该款集中器也可用于水、电、热等无线远传抄表系统中。

1 无线燃气表抄表系统

无线燃气表抄表系统结构如图1所示。系统工作分两种模式：第一为自动模式，第二为人工模式。自动模式下数据传输过程：无线抄表区域内燃气表数据采集节点以无线传感网进行数据传输，将区域内的各表数据传至某汇聚节点，系统在预先设定的时间或通过监控中心下达抄表指令，将表数据通过移动网络或者有线网络传至监控中心。人工模式：用手持式抄表器无线抄取节点、采集器或集中器上的数据后同步到监控中心客户端。监控中心将抄取的数据处理后，向用户发送收费短信。本系统主要以自动模式工作为主，人工模式为辅。

燃气表数据采集节点在整个系统中的主要作用是：①可靠、准确地采集用户的燃气表数据；②在预先设定的时间或接收抄表指令时传输数据，待数据传输完成后进入低功耗模式；③检测燃气表节点的电池情况，当电池欠压时，提醒更换电池。

采集器相当于一个 “搜集者”。它的主要任务是采集无线抄表区域内燃气表节点的数据并加以存储，根据集中器或抄表器的指令进行对应的操作，与抄表区域节点、集中器之间以无线方式传输。

集中器在整个系统中居于 “通信桥梁”的重要位置［4］，它工作状况的稳定与否会直接决定整个系统数据传输的品质。其主要功能是：①以点对点无线通信方式汇聚区域内采集器的数据，并加以存储；②按照预先设定的时间或接收监控中心的抄表指令，对数据进行处理，选择合适网络传至监控中心；③自动模式网络接入顺序：3G移动网络－＞2G移动网络－＞互联网络。若上面网络均失败，自动切换至人工模式，等待人工抄取。

2 集中器软硬件设计

2.1 集中器的硬件设计

本系统集中器的设计是繁琐的，涉及诸多的模块，网络协议等知识，是在整个无线燃气表抄表系统的核心部分。集中器的硬件部分主要包括：LPC1768主控制单元模块、射频模块、LCD模块、键盘模块、存储模块、电源模块、3G模块以及网络模块。具体的硬件结构如图2所示。本硬件具有数据传输可靠、性能稳定、自动化程度高和传输模块间可任意组合等优点。

2.1.1 LPC1767主控制单元模块

主控芯片是集中器控制的核心，该模块选择的是NXP公司生产的LPC1768FBD100，该MCU是基于ARM Cortex－M3内核，有很高的性价比，是系统最佳选择芯片。该芯片具有丰富的片上资源，如512KFLASH、64K SRAM、4个UART、3个IIC接口、USB主机／从机／OTG接口、2个SSP控制器、SPI接口，8通道的12位的ADC、10位DAC以及4个通用定时器等，最高操作频率可达100MHz。其配置完全满足集中器设计的硬件需求。该单元模块电路包括3.3V的电源电路、JTAG仿真器下载接口电路、ISP串口下载电路、按键复位电路以及外部晶振电路。

2.1.2 以太网接口模块

以太网接口模块采用的是 Microchip Technology推出的符合IEEE 802.3协议的28引脚封装的以太网控制器ENC28J60［5］。其为嵌入式远程通信提供了可靠的简化设计方案，并且小封装减少了系统硬件空间。ENC28J60内部集成了MAC和10BASE－T PHY，还需结合网络变压器及RJ45接口才能使用。采用行业标准的串行SPI接口与主控芯片LPC1768连接。具体接口硬件电路如图3所示。

图3 ENC28J60硬件电路

其中GND和 V3.3用于给模块供电，MISO／MOSI／SCK用于SPI通信，CS为片选信号，INT为中断输出引脚，RST为模块的复位引脚。这里采用通用I／O模拟SPI，已达到硬件自带SPI接口的功能。

2.1.3 3G模块

3G技术在国内的快速发展，带来了很多的优点如无线数据传输的速率较2.5G时代有了较大的提高，在流量费用上也有了较大的降低。该3G模块采用华为公司生产的EM770W模块，采用WCDMA标准，选择该标准的原因是WCDMA具有频谱利用率高、适应范围广、技术成熟、速度快、向3G过度容易等优点［6，7］。该模块支持的工作频段有 UMTS、HSUPA／HSDPA、GSM／GPRS／EDGE。基本工作原理是：通过USIM卡作为账号通过EM770W模块接入到移动网络，可以通过自动收网来选择3G还是2G网络来进行可靠、高效地转发数据。EM770W模块的接口形态为通用的 Mini PCI Express接口，有主集，分集两个天线，具体的接口硬件电路如图4所示。

图4 EM770W硬件电路

电路设计时，要对USIM卡接口的ESD（静电放电）进行防护，具体方法是使用TVS（瞬态电压抑制二极管）进行防护，同时在PCB板的绘制时，要尽量靠近USIM卡座放置。

2.1.4 射频模块

考虑集中器安装地点的特殊性，对射频芯片的传输距离和传输数据的可靠性有很高的要求。最终采用了素有“距离之王，穿墙之王”之称的Si4432芯片。Si4432［8］是Silicon Labs公司推出的一款具有高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片。内部集成可分集天线，功率放大器，唤醒定时器，数字调制解调器、以及可配置的GPIO等，可以工作的频率范围为240～930MHz；在空旷地通信距离可达2000m；接收灵敏度达到－118dBm，同时最大发射功率达到＋20dBm；与MCU是以SPI接口连接，可根据设计需要来配置相关的寄存器，使其达到最佳收发状态。在本设计中，SPI接口功能也是采用通用I／O模拟得到的。

2.1.5 电源模块

电源模块好坏直接影响到集中器系统工作的稳定性与性能的可靠性，因此电源设计要充分考虑集中器各模块间供电电压，工作电流以及功耗等问题。在EM770W模块的电源设计时，最好使用1.6A以上的LDO （低压差线性稳压器）或开关电源进行供电，因为该模块的瞬态最大工作电流会达到1.6A。在电路板布线时，电源走线要远离天线部分。

2.2 集中器的软件设计

该集中器实现的功能较多，各模块数据间的数据传输关系复杂，为了实现 “三网”之间，数据传输方式的任意切换。这给程序设计带来了很大的挑战。同时，软件中会涉及诸多的网络知识，如TCP／IP协议、UDP协议以及ARP协议等相关移植问题。

该集中器软件设计中涉及的驱动主要包括时钟模块驱动、LCD模块驱动、存储模块驱动、3G模块驱动、网络模块驱动以及射频模块SI4432驱动。具体的集中器的软件模块结构如图5所示。主程序可直接调用相关的子程序来达到系统设计的功能。

图5 集中器软件模块结构框架

2.2.1 与监控中心通信部分

与监控中心通信部分主要功能是通过合适的网络将从采集器汇聚得到的数据转发至监控中心，同时，可接收来自监控中心的相关指令，完成相应操作。对自动模式而言，上传数据的方式有2种，①根据预先设定的时间，定期上传；②根据监控中心的指令实时上传数据。该部分上传数据网络选择的顺序：3G移动网络－＞2.5G移动网络－＞Internet－＞切换至人工模式，等待人工抄取。与此同时，在硬件电路方面可以根据实际网络情况进行任意组合，达到降低成本之目的。

2.2.2 与采集器通信部分

与采集器通信部分主要负责集中器与采集器之间的数据传输。无线抄表系统启动后，处理采集器的网络注册请求，待注册成功后回送确认信息；接着周期性的发送心跳包，对采集器的状态进行不间断的巡检；预先设定时间到来时或者收到抄表指令时，进行相关的动作。

2.2.3 数据分析处理部分

对汇聚得到的采集器数据先进行存储处理，根据网络的情况选择合适的传输模块，将存储的数据封装成相应的数据包格式，同时，数据包中记录了各采集器与集中器的相关信息，供相应网络传至监控中心。

2.2.4 系统参数设置部分

利用键盘输入，LCD显示，时钟芯片提供时间信息，不仅方便的进行集中器参数的设置，而且可对各采集器进行时间同步，LCD可实时查看该集中器工作时的相关信息。

2.2.5 相关模块驱动

硬件相关芯片的驱动设计是软件设计重要的组成部分，好的驱动可以增加代码的可移植性，同时可减少代码维护的难度［9］。这里着重介绍网络模块与3G模块。

网络模块驱动的编写要结合其工作流程来进行程序设计，以太网控制器ENC28J60的具体工作流程如图6所示。

图6 ENC28J60的工作流程

ENC28J60通信接口为SPI接口，它与LPC1768的连接是利用普通I／O口进行软件模拟达到硬件自带的SPI接口功能，同时需注意ENC28J60是只支持SPI的模式0。要严格按照ENC28J60能够可靠通信的要求来配置SPI。同时，驱动中还涉及IP、ARP、UDP、TCP等相关协议移植问题，因此该驱动的好坏对整个集中器的功能有很大的影响。

3G模块EM770W与LPC1768的连接是通过UART1完成的。对于本系统而言，数据传输中应用不到语音通话功能，因此程序中会去除掉这部分的功能。模块EM770W是内置TCP／IP协议栈的，可以利用标准的AT指令集和华为扩展AT指令集进行直接操作。具体工作流程如图7所示。

图7 EM770W工作流程

工作流程图中发送心跳包的作用是为了保证EM770W模块永久在线，因为3G模块登入到移动网络后，如果一段时间内没有流量的产生时，网络运营商为了防止资源的浪费，则会强制的将链接断开［10］。并且在工作中都设计了差错控制，差错记录的次数定为5次，是经过实验统计出来的，链接次数较多会出现链接移动网络缓慢，同时链接的效果也没有得到明显的提高。

3 现场测试结果

该集中器已在南通市中南世纪花城小区进行了一系列的现场测试，测试中共利用无线燃气表节点320个，10台采集器 （每台负责区域下的32个节点）以及1台集中器。无线燃气表节点到采集器，采集器到集中器均采用无线通信的方式。整个系统对其自动模式和人工模式进行了极端条件的测试，从现场测试的情况来看，一次抄表的成功率，实时性以及数据的安全性均达到了系统最初设计的要求。具体的客户端抄表界面如图8所示，抄取的数据与燃气表节点字轮窗口上的数值是完全一致的。

4 结束语

本文给出了无线燃气表抄表系统中 “通讯桥梁”集中器的软硬件设计的具体方法；并且通过对集中器现场极端条件的测试和分析得出结论：该集中器的设计不仅具有数据传输可靠，更具有传输方式多，并且传输方式之间可以任意组合，做到传输方式之间的互补，真正做到在任何区域下数据传输的无盲点等特点，符合无线燃气表抄表系统中集中器设计的具体要求，利用该款集中器为实现传输的实时性、低成本以及布置的灵活性等方面带来了很大的优势。下一步的目标就是在此基础上，在不影响数据传输的性能情况下，对程序进一步的优化，使集中器的移动网络与互联网络的数据传输速率达到最大。

图8 客户端抄表界面

［1］GONG Hao，QU Yugui.Wireless centralized meter reading system based on short distance wireless communication and 3G［J］.Computer Engineering，2011，37 （2）：290－292 （in Chinese）.［巩浩，屈玉贵.基于短距无线通信与3G的无线集中抄表系统 ［J］.计算机工程，2011，37 （2）：290－292.］

［2］LIU Tao，WANG Yang.A kind of design in long－distance meter reading concentrators based on ARM and GPRS ［J］.Mechanical Management and Development，2011，26 （5）：24－26（in Chinese）.［刘涛，王洋.一种基于ARM和GPRS的远程抄表集中器的设计 ［J］.机械管理开发，2011，26 （5）：24－26.］

［3］WEI Xulai，WANG Honglei，HUANG Chaoqun.Design of network interface for embedded residential concentrator ［J］.Information Technology，2012 （8）：95－97 （in Chinese）.［魏旭来，王红蕾，黄超群.嵌入式小区集中器网络接口的设计研究 ［J］.信息技术，2012 （8）：95－97.］

［4］WEI Peng，ZHANG Jie.Design of smart gas meter reading system ［J］. WuXian HuLian KeJi，2011 （9）：27－29 （in Chinese）.［魏鹏，张洁.智能燃气抄表系统设计 ［J］.无线互联科技，2011 （9）：27－29.］

［5］CHEN Xuemei，ZENG Zhaofu.Design of embedded Ethernet／CAN gateway based on ENC28J60 ［J］.Modern Electronic Technique，2009，32 （6）：24－27 （in Chinese）.［陈雪梅，曾照福.基于ENC28J60的嵌入式以太网／CAN网关设计 ［J］.现代电子技术，2009，32 （6）：24－27.］

［6］XU Yubin，DING Zhe，SHA Xuejun.Genetic algorithm－based dynamic planning and management reconfigurable system ［J］.Journal of South China University of Technology，2010，38（9）：13－19 （in Chinese）. ［徐玉滨，丁哲，沙学军.基于遗传算法的可重配置系统动态规划和管理 ［J］.华南理工大学学报，2010，38 （9）：13－19.］

［7］ZHANG Jianwu，CUI Lulu，ZHANG Lei.Real－time capture and analysis of WCDMA signal ［J］.Research and Exploration in Laboratory，2011，30 （5）：46－49 （in Chinese）.［章坚武，崔璐璐，张磊.WCDMA信号的实时捕获及分析 ［J］.实验室研究与探索，2011，30 （5）：46－49.］

［8］Silicon Labs.SI4430／31／32ISM transceiver data－sheet ［M］.［S.l］：Silicon Labs，2010.

［9］WANG Fenglin.Application and research of WSN based on WCDMA ［D］.Suzhou：Soochow University，2011 （in Chinese）.［王凤林.基于WCDMA的无线传感器网络的应用研究 ［D］.苏州：苏州大学，2011.］

［10］ZHANG Wen，PAN Junmin.Power data collecting device based on GPRS technology ［J］.Low Voltage Apparatus，2011 （23）：22－26 （in Chinese）. ［张 雯，潘 俊 民.采 用GPRS技术的无线电能数据采集装置 ［J］.低压电器，2011（23）：22－26.］