基于W5100的网络远程抄表系统的设计

Design of the Network Remote Meter Reading System Based on W5100

林　涛　赵宏科　李　辉　郭　晓　陈　恩

(河北工业大学控制科学与工程学院，天津　300130)

基于W5100的网络远程抄表系统的设计

Design of the Network Remote Meter Reading System Based on W5100

林涛赵宏科李辉郭晓陈恩

(河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130)

摘要：针对目前国内人工抄表效率低、实时性差，现有GPRS等无线远程抄表系统可靠性差、成本高等问题，提出了基于硬件协议栈的以太网通信模块W5100的远程抄表方案。介绍了远程抄表系统的组成和工作原理，阐述了软硬件设计。用于水表数据采集的测试结果表明，该系统能够方便快捷地接入网络，稳定可靠地抄取水表数据，在水表等智能仪表抄表领域可高效实现远程自动抄表。

关键词：远程抄表W5100网络硬件协议栈单片机M_Bus

Abstract：At present, the manual meter reading method features low efficiency and poor real time performance, while the wireless remote meter reading systems using such as GPRS technology features low reliability and high cost, thus the remote meter reading strategy based on Ethernet communication module W5100 with hardware protocol stack is proposed. The composition and working principle of such system are introduced, and the design of hardware and software is described. The test results of using it in water meter data acquisition indicate that the system can be easily connected into the network and fetches the data from water meters reliably and stably, it can effectively implement remote automatic meter reading in intelligent instrument meter reading areas including water meter.

Keywords：Remote meter readingW5100NetworkHardware protocol stackSingle chip machineM_Bus

0引言

由于仪表数量多、地理位置分散，传统人工抄表容易造成漏抄、错抄，已无法胜任抄表任务[1]。随着计算机网络和通信技术的发展，远程自动抄表成为社会发展的需要。

现存远程自动抄表系统的区别主要在于通信方式的不同[2]，其组成形式主要采取GPRS直接远传和短距离无线通信加GPRS远传的方式。短距离无线通信模块主要有ZigBee、WiFi、无线射频模块等[3-6]。直接GPRS远传适合通信频繁、数据量大的复杂系统[7]。新兴的自组织网络远程抄表系统能够实现远程抄表。但是自组网技术复杂，加上无线模块的通信距离有限，随着组网层数增加，管理中心和数据采集终端通信时间增长；为提高通信可靠性，需要花费很大精力制定通信协议。以太网兼有传输速率高和传输可靠等优点，可实现远传数据的高速通信[8]。因此本文提出了一种基于W5100的网络远程抄表解决方案，可广泛应用于水表远程抄表。

1W5100网络接口模块介绍

W5100是WIZnet公司生产的内部集成了以太网控制器的多功能固件网络芯片,内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)，兼容IEEE 802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX等网络协议[9]。硬件TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4等多种网络协议，是一款真正的单片网络接口芯片。

W5100提供3种总线接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线，内置16 kB发送/接收数据缓冲区，最高可兼容100 MB以太网络，实现高速的数据通信[10]。该芯片主要由4部分组成: 硬件TCP/IP核、MCU接口单元、以太网物理层单元和发送/接收数据缓冲区[11]。

2系统的组成与工作原理

2.1　系统组成

基于W5100的网络远程抄表系统组成如图1所示，系统包括数据采集层、传输层和应用层。数据采集层由终端仪表和集中器组成，网络传输层由单片机控制W5100模块，应用层主要包括数据管理中心。

选用TI公司的16位Flash型MSP430F5438系列单片机作为远程抄表系统各部分的主控芯片。MSP430系列单片机可快速响应外设中断，是为超低功耗的应用而设计;外设电流消耗小、处理速度高、数据的吞吐量大，特别适合应用于手持或电池设备[12]。该单片机用于表端控制数据采集、集中器进行数据汇总以及控制W5100模块工作，完全能够满足系统开发的需求。

图1　远程抄表系统组成框图

M_BUS总线是专为计量仪表的数据传输而设计的新型总线结构仪表总线，可满足电池供电或远传供电的计量仪表的特殊要求。国家建设部于2004年6月颁布了《户用计量仪表数据传输技术条件》(CJ/T 188—2004)行业标准，明确规定了将MSP430单片机作为计量仪表电路中的主控芯片，将M_BUS作为数据传输方式的首选[11]。RJ_45作为以太网通信的接口，是实现集中器接入Internet的枢纽。

2.2　系统工作原理

数据采集层由终端检测仪表进行数据采集，经M_BUS总线将采集到的数据传输给集中器进行数据汇总。总线上主站向从站、从站向主站传输数据时，分别采用电压和电流的变化来表示逻辑“0”和“1”。数据在各层之间传输时，帧格式的定义以188协议的规定为标准。网络层集中器通过W5100模块接入Internet网络与数据管理中心进行数据交互。应用层进行数据的存储、查询等操作。

该网络远程抄表系统有两种工作模式：定时上报模式和即时抄表模式。工作于定时上报模式时，数据采集层将所需数据进行采集、存储。到达抄表时刻，集中器将各个终端仪表唤醒，并通过串口连接至M_BUS总线获取仪表数据。通过W5100模块接入到以太网，将数据在指定时间自动上报给服务器，由服务器将数据存入数据库，供用户和相关部门进行查阅。该系统工作在即时抄表模式时，服务器向集中器发抄表指令，集中器接收到指令后进行将指令解析并下发给指定地址的水表进行相关操作。

3远程抄表系统软件设计

与系统的硬件结构组成相对应，该网络远程抄表系统的软件设计主要包括终端数据采集模块、W5100网络通信模块、数据管理中心三部分。

3.1　W5100网络通信模块软件设计

W5100网络接口模块是本网络远程抄表系统实现的关键。由于W5100内部集成了网络接入协议，所以只需要对其寄存器进行正确的配置，即可接入以太网；在创建套接字之后，即可完成数据的发送和接收，从而进行远程网络数据交互。单片机通过SPI总线与W5100模块进行通信。对W5100的寄存器设置包括基本寄存器的设置和套接字寄存器的设置。

W5100通信流程如图2所示。

图2　W5100通信流程图

TCP是以连接为基础的通信方式，通信有保障，不会出现中间的丢包、乱序等问题，应用层只需关注业务即可。由于抄表系统对数据的可靠性要求较高，因此采用TCP通信协议。它必须首先建立连接，然后利用连接的IP地址和端口号进行数据传输。TCP有两种连接方式：一种是服务器模式(被动开启)，另一种是客户端模式(主动开启)。系统工作于定时上报模式时，集中器上的W5100工作于客户端模式，向系统服务器发送连接请求。连接成功后将抄表数据发送给系统服务器；系统工作于即时抄表模式时，集中器上的W5100工作于服务器模式，等待系统服务器的连接请求和指令。网络连接成功后，W5100利用套接字进行网络通信，完成数据的收发。

3.2　终端数据采集模块软件设计

终端数据采集模块软件主要包括以下几个部分：初始化、指令处理模块、抄表模块、通信管理模块。

初始化部分包括单片机的初始化、系统时钟初始化、I/O端口的配置、串口的初始化。初始化完毕后，采集终端MCU进入低功耗模式以节省电能，直到自动抄表时刻到达或者收到数据管理中心即时抄表指令，才会执行相关的操作。

指令处理模块包括指令的接收和发送、校验、解析与封装。当采集终端接收到指令时，对指令进行校验，判断内容，决定对其重新封装或者直接转发给表；若校验错误则置位相应错误标志，回复校验错误应答。

抄表模块完成对水表的操作，即向表发送抄表指令,收到抄表数据以后进行校验，校验正确则进行存储；校验错误则重新发送3遍抄表指令，直到收到正确的抄表数据。收不到抄表数据，则放弃本次操作，并向管理中心上报，然后继续执行下一块表的抄表操作。

通信模块负责管理中心和终端数据采集部分的上行和下行数据传输。下行将封装好的管理中心的指令进行转发，上行将收到的抄表数据进行封装，并通过W5100返回给管理中心。其软件流程图如图3所示。

图3　通信模块软件流程图

3.3　数据管理中心软件设计

数据管理中心主要包括以下功能模块：系统设置模块、抄表管理模块、用户管理数据管理模块、打印管理模块。系统设置模块可以设置系统工作模式、系统时间校准，主要是集中器时间的设置，用于定时自动抄表。仪表管理模块用于设置定时抄表时间、所要抄表地址、对表进行操作(增加、删除表等)。用户管理模块主要完成用户的添加、删除、查找和修改用户信息的功能，还可以对用户权限进行设置。该系统用户权限包括两种：普通用户和系统管理员。系统管理员只有一个，可以对所有普通用户信息进行查看和编辑；普通用户只能查看和修改自己的信息和对资源消费情况，而不能对其他用户和管理员的信息进行操作。打印管理模块用于选择与数据管理中心连接的打印机，将需要打印的数据进行打印。数据管理中心软件模块结构图如图4所示。

图4　数据管理中心软件模块结构图

4系统运行结果分析

该远程抄表系统用于水表抄表的试运行结果良好，能够可靠地抄取水表数据，实时对表进行操作(开关阀控制等)和监控表的状态，功耗低，能满足抄表系统实时性要求。软件设计具有执行效率高、可扩展性好和可移植性高等优点。因此，该远程抄表系统具有

广阔的市场前景。

5结束语

相对于传统的基于有线连接或基于GPRS或GSM短消息的远程抄表系统，新兴的无线自组织网络抄表系统具有很多优势，如不会掉线、通信速度快、实时性好; 设备运行和维护成本低；可进行不定期、长时间的数据传输，可靠性好。随着互联网的覆盖范围不断扩大，该远程抄表系统具有非常广阔的应用前景。

参考文献

[1] 陈超成,叶进,张红梅,等.基于GPRS的无线抄表监控系统[J].桂林电子科技大学学报,2013,33(5):374-378.

[2] 王益祥,牛江平.远程无线抄表系统的研究[J].自动化仪表,2011,32(3):4-7.

[3] 宫召杰,郭忠文,马鸿洋,等.基于GPRS的无线自组织网络远程抄表系统[J].计算机应用研究,2006,23(4):187-189.

[4] 冯军,宁志刚,阳璞琼.基于ZigBee的无线抄表系统设计[J].电力自动化设备,2010(8):108-111.

[5] 杨顺,李明明.基于ARM和WiFi技术的远程自动抄表系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(11):3068-3071.

[6] 黄泽界.一种基于ZigBee技术远程无线抄表系统的实现[J].现代电子技术,2014(11):6.

[7] 王炳乂,刘爽,张伟,等.基于硬件协议栈W5100的图像采集传输系统[J].电子技术应用,2009(3):92-93.

[8] 于春雪.W5100在远程电力质量监测设备中的应用[J].电力系统通信,2011,32(9):59-64.

[9] Geng L.Current measurement device design based on MSP430 single-chip microcontroller[C]//E-Product E-Service and E-Entertainment(ICEEE),2010 International Conference on IEEE,2010:1-3.

[10]Guangwei W,Haoran Z.Design of embedded ethernet communication interface based on ARM and W5100[J].Microcomputer & Its Applications,2011,5:020.

中图分类号：TP319

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503012

河北省支撑基金资助项目(编号：13210307D)。

修改稿收到日期：2014-08-10。

第一作者林涛(1970-)，男，2007年毕业于河北工业大学控制理论与控制决策专业，获博士学位，教授；主要从事计算机网络控制理论、网络管理与安全、嵌入式系统及网络控制等方面的研究。