GSM無線大表遠程監測系統的開發與應用

劉淑杰 田 野

（深圳市興源鼎新科技有限公司，廣東 深圳 518000）

一、GSM無線大表遠程監測系統開發的意義及前景

現今政府也已經提出建設資源節約型和環境友好型社會目標，在可持續用水發展道路上要促進用水模式的轉變，來提高用水效率和效益，成為規劃考慮未來用水發展和水資源開發利用問題的一個重要基點，在這種大環境下，如何有效、經濟地降低水損也是國內供水企業面臨的嚴峻而又急需解決的問題。GSM無線大表遠程監測系統的開發與應用對這一問題的解決有其現實的意義。

從遠傳水表的發展趨勢來看，小口徑水表遠傳系統以計量收費為主要功能發展，在大口徑水表遠傳功能上使用單位則更關注于水表運行情況的監測。在小口徑遠傳方面，已有不少成熟產品規模應用；大口徑遠傳方面，因受安裝、供電、距離等限制，以無線傳輸為主要發展方向，在這方面的研究與實際應用卻因多種原因進展遲緩。

二、GSM無線大表遠程監測系統開發實施方案和目標

1、GSM無線大表遠程監測系統的整體設計方案：

GSM無線大表遠程監測系統是將安裝分散的大口徑水表的運行數據，通過發射機以GSM短信方式傳輸給營業收費中心（或監控中心）。監控中心對收到的信息進行判斷、分析處理，計算用戶的用水量，監測水表的運行是否處于正常的狀態，口徑的選擇是否合適及中途有無水的漏耗做出判斷。其結果保存在數據庫中，作為供水企業進行管道維護、水表選型及收費的依據。如圖1所示。

圖1 系統整體設計方案圖

1.1 無線發射機的設計：

該設計電路由傳感器、存儲器、處理器、外部時鐘芯片、485通信電路、無線發射模塊及電源供應電路組成。無線發射模塊作為GSM無線網絡的物理層射頻前端實現數據的無線發送。為了實現高效節能，當傳感器數據采集和數據存儲時，命令微控制器進入“睡眠”狀態并切斷無線通信單元的部分電源。存儲器內存儲數據為24次/小時。無線發射機安裝在現場，其電源供電采用電池方式。

1.2 無線接收機的硬件設計：

該設計由無線接收模塊、存儲器、處理器及電源供應模塊組成。無線接收通信模塊處于實時接收狀態并進行系統監聽，若檢測到PC機發來的命令則上報數據，若沒有（或者有干擾信號）則轉入休眠模式，等待一段時間重新處于監聽狀態，整個監聽+休眠狀態不超過一分鐘，若仍無有效信號，轉入休眠狀態。

1.3 電源

無線發射機采用的器件為低壓器件，電壓要求為5V，采用雙高性能鋰電池供電，也可采用外界電壓供電，經過轉換得到3.3V電源。該系統選定防自泄漏電池，可以保證在水表的使用周期（2-4年）內無需更換電池。

1.4 監控中心的數據處理

從各發射機傳送過來的數據匯集到中心接收機并存入接收機的存儲器中，協調器通過RS-232與上位機相連，通過串行口通信程序向上位機發送采集的數據，上位機收到數據后放到系統數據庫中并進行處理分析。

2.主要技術指標

2.1 電特性：

a.水表存儲與GSM無線發送的信息包括水表出廠編號、水表示值、電子單元工作狀態、抄表時長；b.通信方式：GSM短消息發送（雙向）；c.供電電源：3.6V/4Ah和3.9V/16Ah能量型鋰電池各一節；d.工作電流：待機電流＜20uA，發送消息時工作電流＜350mA；e.抄表間隔時間：默認為1小時（可按用戶抄表需求設定）；f.發送間隔時間：默認為24小時（可按用戶抄表需求設定）；g.數據信息接收方式：GSM中心接收機接收抄表短信（接收機號碼和編碼方式可按用戶需求設定；中心接收機用HEX方式，信息量大）。h.電池壽命：2年-4年（根據設置的采樣及發送頻率定）i.工作環境：溫度：水表5℃～+55℃，電子單元部分-25℃～+55℃；濕度：0～97%RH；

2.2 系統功能：

●發射機配有485通訊接口，可實現出廠后參數設置、數據提取，也可采集譯碼表數據（根據客戶要求)。●CPU定時定量存儲表讀數，默認每天發送一組數據（包括多個時段的用水數量），為水司更好的節約了運行費用。●管理系統能夠準確定位各個終端（無線大表）的安裝位置。●管理系統可以自動抄讀每個表的數據。并生成數據報表及分析曲線。●管理系統能夠分析所有大口徑水表的運行狀態，并對故障及流量異常提出報警提示。●電子部分防水標準達到IP68。

3、關鍵技術和解決關鍵技術途徑：

3.1 關鍵技術

[1]嵌入式系統的低功耗設計。[2]M2M技術。[3]防水技術。[4]數據信息壓縮技術。[5]信息加密技術。[6]信息同步技術。

3.2 解決關鍵技術的途徑

[1]發射機只有采用低功耗設計，才能保證電池的使用壽命。具體設計步驟如下：

①處理器的選擇。對一個嵌入式系統的選型是從其CPU和操作系統（OS）開始，選擇CPU的時候，除了性能的優劣（比如時鐘頻率等）及所提供的接口和功能，還要重視其功耗特性。因為CPU是嵌入式系統功率消耗的主要來源---對于發射機來講，它幾乎占據了除無線模塊以外的整個系統功耗的一半以上（視系統具體情況而定）。CPU的性能（Performance）和功耗（PowerConsumption）進行比較和選擇，采用每執行1M次指令所消耗的能量來進行衡量。

②接口驅動電路的低功耗設計。接口電路的低功耗設計，在這個環節里，除了考慮選用靜態電流較低的外圍芯片外，還考慮以下幾個因素：◆上拉電阻/下拉電阻的選取；◆對懸空腳的處理；◆Buffer的必要性

上拉電阻值在能夠正常驅動后級的情況下（即考慮IC的VIH或VIL）,盡可能選取更大的阻值。此外當一個信號在多數情況下時為低的時候，也可以考慮用下拉電阻以節省功率。將CMOS器件的未使用的輸入端接到VCC或地，來避免無法進入休眠狀態或其他莫名其妙的故障。檢查芯片的最大輸出電流IOH和IOL是否足以驅動下級IC，并通過選取合適的前后級芯片來避免Buffer的使用來節約能量。

③動態電源管理（DPM）。動態的電源管理就是在系統運行期間通過對系統的時鐘或電壓的動態控制來達到節省功率的目的，這種動態控制是與系統的運行狀態密切相關的，這個工作往往通過軟件來實現。

a、選取不同工作模式：CPU內部的各種頻率都是通過外部晶振頻率經由內部鎖相環（PLL）倍頻式后產生的。可以通過內部寄存器設置各種工作頻率的高低控制功耗。

b、關閉不需要的外設控制器：在盡可能節省功耗的情況下將其關閉，否則會消耗電流。

④電源供給電路。在數字電路設計中，我們采用線性穩壓（LinearRegulator）的方式供電。因為其電路結構簡單，所需元件數量少，輸入和輸出壓差可以很大。在適當的情況下使用DC-DC的電壓轉換線路，可以有效地節約能量，降低整機功耗。

[2]M2M技術實現：從數據流的角度考慮，在M2M技術中，信息總是以相同的順序流動。但無論哪一種M2M技術與應用，都涉及到5個重要的技術部分：機器、M2M硬件、通信網絡、中間件、應用。

a、機器(Machines)：在無線大表抄表系統中，整個發射機就是一個機器。

b、M2M硬件：無線抄表系統發射機需要考慮功耗，使用的無線數傳模塊是GR64；接收機不需要考慮功耗，使用TC35i（此模塊的功耗要稍大一些）。

c、通信網絡：通信網絡在整個M2M技術框架中處于核心地位，無線大表抄表系統使用的是無線移動通信網絡。

d、中間件(Middleware)：在無線抄表系統中，無線接收機定義為M2M系統的中間件用來接收數據終端的信息，并將信息傳輸到無線抄表系統中。

e、應用：無線抄表系統軟件是無線大表抄表系統設計的應用層。將收集的數據變成有價值的信息，對原始數據進行不同的加工和處理，并將結果呈現給需要信息的觀察者和決策者。

[3]對安裝電子單元部分的防水盒采用防凍材料，防水盒內部獨特防水結構設計，并采用密封膠對防水盒密封。防水盒采用一次性密封，防水等級可達IP68。

[4]數據信息壓縮技術的實現。由于無線發射機采用的是電池供電的GSM短信傳輸，在一次發送的信息中，包含的數據量越大，對抄表系統軟件在流量監控、分析就越詳細；同時能夠降低多次發送短信所消耗的能量，增加電池使用壽命。

[5]信息加密技術的實現。無線大表抄表系統中的信息加密主要是為了實現防止垃圾短信息的干擾。利用計算機采用加密法，改變負載信息的數碼結構。

[6]信息同步。信息同步到達，實現實時的在線檢測功能，應用到水平衡測試系統中，可以大大減少水平衡測試的人力成本。即該系統可以監控分析多只表在同一時間的流量數據。我們在接收機部分設計硬件電路與軟件電路相配合來實現。

三、GSM無線大表遠程監測系統的實際應用

GSM無線大表遠程監測系統試生產完成后，在深圳煙草工業有限公司試用，共安裝了34只大口徑遠傳水表，配置了34臺無線發射機，一臺中心接收機，一套監測軟件。在試用過程中，各項技術指標均達到了設計要求，實現了流量監測、數據分析等功能。

總結

GSM無線大表遠程監測系統具有的數據自動采集、計量裝置監測、供水網絡負荷監測及強大的數據統計分析功能，是供水企業對工農業用水，實行申請用水、定額供水、有償供水、超額停供或者加倍收費的制度的科學手段。在最直接地產生企業經濟效益的同時，也減少了社會水資源的浪費。

[1]楊萬海.多傳感器數據融合及其應用.

[2]郭淵博.ZigBee技術與應用——CC2430設計、開發與實踐.