一種無線熱網抄表的數據中繼站設計

秦 飛， 趙建平， 張景順

（曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜 273165）

0 引言

據今年6月24日人民日報報導，我國城鎮建筑僅23%節能，北方供熱計量改革滯后。《國務院關于印發“十二五”節能減排綜合性工作方案的通知》中明確指出：新建建筑嚴格執行建筑節能標準，提高標準執行率。推進北方采暖地區既有建筑供熱計量和節能改造，實施“節能暖房”工程，改造供熱老舊管網，實行供熱計量收費和能耗定額管理。隨著我國能源政策日益完善，推廣和實行分室控溫和分戶熱計量已勢在必行。

傳統的城市供暖抄表系統存在著入戶難、實時性差、隱患多等問題，無線熱網抄表系統以其可靠性高、成本低、易實現、易普及等優點，越來越受到社會各界的青睞。

整個無線熱網抄表系統主要由熱量數據采集模塊、路由模塊及中繼站模塊組成。每個用戶通過ZigBee網絡的終端節點實現熱量數據的采集，然后通過路由器節點實現子節點管理以保證終端數據能夠順暢地傳送到中繼站，最后通過中繼站完成ZigBee網絡與GPRS網絡數據的轉換及發送。設計的無線熱網抄表系統的數據中繼站，采取多個居民樓共用一個GPRS[1]模塊的方法，解決了傳統無線抄表系統[2]中每個數據采集模塊必須配置一個 GPRS模塊的缺點，降低了系統的成本，促進了無線熱網抄表系統的推廣。同時，選取高性能的S3C6410芯片作為中繼站的處理器，使整個系統具有更強的實時性和更高的可靠性。

1 中繼站設計分析

傳統的中繼站采用遠程測控終端[3]，鑒于其設計靈活、適用性廣等優點，現已廣泛應用在電力[4]、煤炭、鋼鐵、石化[5]等大中型企業及城市供熱、供氣、供水等行業。

通過短距離無線收發模塊匯集不同居民樓的熱量數據，并將數據上傳到數據中繼站。在中繼站處理過程中，一方面將處理后的數據臨時存儲在Nand Flash芯片中，另一方面通過GPRS模塊遠程傳送至數據管理中心。考慮中繼站對實時性的要求，系統選用高速、低功耗、高性能的ARM11芯片S3C6410[6]作為微處理器。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構

為了保證整個系統網絡的同步性，中繼站會定時向用戶的傳感器節點發送校時命令。由于選取一個中央數據中繼站服務多個居民樓的方式，為保證同一個數據中繼站下的傳感器的數據能夠可靠的上傳，系統應用信道時分復用的設計思想，防止信道阻塞。

2 中繼站硬件設計

無線熱網抄表系統的數據中繼站主要有3個部分組成：中繼站數據處理模塊、短距離無線數據采集模塊和GPRS遠程數據傳輸模塊。

2.1 中繼站數據處理模塊設計

中繼站數據處理模塊選用S3C6410作為核心處理器，既滿足中繼站的實時性要求，又保證了整個系統的穩定工作。

S3C6410是SAMSUNG 公司基于ARM1176的16/32位的高性能低功耗的RSIC通用微處理器，下面對基于S3C6410的數據處理模塊的相關電路進行簡要分析。

1）晶振與實時時鐘。S3C6410采用12 MHz的無源晶體作為系統的時鐘源，經內部PLL電路可產生適合CPU工作的時鐘信號，選用32.768 kHz的晶振作為實時時鐘的時鐘源。本系統使用看門狗復位，當系統發生一個不可預測的軟件錯誤時，硬件模塊監控內部硬件狀態，同時產生復位信號來脫離該狀態。

2）JTAG電路。本系統通過JTAG接口燒寫程序，調試用到了XTCK、XTMS、XTDI、XTDO 和XTRSTn 這幾個引腳。

3）Nand Flash。系統采用容量 256MBytes的Nand Flash芯片K9F2G08，來運行程序和存儲臨時數據。通信雙方需要定義好數據通信協議的格式，一般需要包含數據頭、數據、校驗位、數據尾等信息。分析可知，用戶記錄一次溫度、網絡地址、同步時間的數據量為32Bytes，其中發送熱量數據包的格式如表1所示。假設一個中繼站負責4棟6層4個單元用戶數據的管理，按每十分鐘采集一次數據計算，每天需要占用約900 KBytes的Flash空間。因此，Nand Flash約用135 MBytes來臨時存儲數據，可以保證整個冬季熱暖數據的存儲。

表1 數據包格式

2.2 無線數傳模塊的電路設計

選用微功率的KYL-1020U作為無線數傳模塊。KYL-1020U體積小，功耗低，穩定性及可靠性極高，最遠傳輸距離可達1 000 m，可以保證居民樓間數據的可靠傳輸。無線模塊與 S3C6410的接口電路如圖2所示。采用串口1進行數據傳輸，引腳TR_CON為無線數傳模塊的使能端。

圖2 無線模塊電路

通過設置不同的無線模塊通信頻率來防止傳感器與中繼站間的通信信道出現混亂，傳感器與其對應的中繼站設置相同的通信頻率[7]。S3C6410根據撥碼開關設置的相應數據位的高低電平，確定中繼站的信道號。撥碼開關接口的高、低電平，分別代表1、0信息。S3C6410根據信道號設置無線模塊的通信頻率。

2.3 GPRS模塊的電路設計

GPRS模塊采用宏電公司生產的 H7210 GPRS DTU，適用于點對點、中心對多點等數據的傳輸，支持最高115200的串口波特率，通過電平轉換芯片MAX3232與S3C6410的串口連接。GPRS模塊采用串口2進行數據傳輸，接口電路如圖3所示。

圖3 GPRS模塊電路

2.4 電源模塊的電路設計

S3C6410需要1.8 V內核電源和3.3 V功能外設電源雙電源供電。短距離無線模塊、MAX3232電平轉換芯片均需要3.3 V直流電源供電。正常情況下，交流電經變壓、整流、濾波、穩壓后變換為合適的直流電后為各模塊供電。若意外停電，則由12 V后備蓄電池供電，交流電恢復正常后為蓄電池充電。為了節能降耗，采用 TI的最新 DC/DC開關電源TPS5430DDA實現。

3 中繼站的軟件設計

中繼站的軟件程序在ARM RealView MDK開發環境下編寫，通過調試器進行仿真調試無誤后，利用JTAG仿真器將可執行程序下載到S3C6410芯片中。

3.1 中繼站軟件結構

中繼站軟件從功能上可分為3大部分，分別為數據處理模塊、無線數據采集模塊和GPRS數據傳輸模塊。

3.2 程序流程圖

下面圍繞數據處理、無線數據采集、GPRS數據傳輸這3個功能進行具體的軟件設計，流程圖如圖4所示。

1）主程序流程圖（見圖 4(a)）。主程序除了要完成對 I/O口、串口、實時時鐘、中斷、看門狗等基本初始化工作外，還要計算存儲器中數據存儲和發送指針，保障數據的正確存儲和發送。為了保證數據上傳的實時性，系統采取用戶主動發送數據的方式。中繼站定時向用戶發送校時命令，來保證系統網絡的同步性。

2）無線數據采集程序流程圖（見圖 4(b)）。接收的命令包括記錄數據、校時和通道檢查，執行完每個命令后，都要發送一個應答信號。記錄數據后，要修改數據存儲指針，以便下一組數據存儲到正確的地址空間。

3）GPRS數據傳輸模塊程序流程圖（見圖4(c)）。中斷發生后，先對接收的數據進行校驗，然后根據接收到的不同指令執行不同的操作，每種操作完成后均要返回應答。

圖4 中繼站程序流程

4 中繼站系統的調試

圍繞中繼站的具體功能，從以下兩個方面進行調試。

1）讀取Nand Flash中的數據。系統通過短距離無線數傳模塊發送00～ff數據信息，接收到數據后存儲在芯片K9F2G08中，然后從K9F2G08讀出數據，從而判斷是否能正確的接收發送的數據，以下是調試過程和結果。

[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模塊發送短信息。通過GPRS模塊發送短信息，驗證遠程數據管理中心能否接收到中繼站的熱暖數據。檢查相應的程序無誤后，在超級終端中演示如下：首先選擇波特率為9.6kbps，連接完成后設定模塊為text字符工作模式，接著輸入接收短信息的手機號，最后輸入要發送的內容，以下是調試過程和結果。

[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 結語

基于S3C6410的無線熱網抄表系統的數據中繼站，綜合考慮了短距離無線傳輸和GPRS技術的特點和優勢，實現了短距離與長距離無線通信[8]的完美結合，大大降低了系統成本，為無線熱網抄表系統的推廣提供了一定的技術支持。整個系統的實時性好、工作可靠，具有廣泛的應用前景。設計的中繼站還有待于擴展一些新的功能，以充分發揮S3C6410處理器的最大潛能。

[1] 劉永錄,衣紅鋼,鞏憲鋒,等.基于 GSM/GPRS的無線數據采集系統[J].信息安全與通信保密,2005(11):112-120.

[2] 張長志,趙飛,夏晶晶.基于虛擬IP的GPRS遠程抄表系統的應用[J].通信技術,2012,44(12):134-135.

[3] 劉振華.嵌入式遠程測控終端的設計與實現[D].湖北:華中科技大學,2011.

[4] 王中,林嵐.淺析大型發電廠遠動終端RTU維護策略[J].科技情報開發與經濟,2011,21(34):220-222.

[5] 董明明,孔萬蓉,陳梓馥,等.基于RTU油井遠程測控系統的數據采集與傳輸層軟件設計[J].物聯網技術,2012,2(02):25-29.

[6] 陳安全,周安棟,羅勇,等.基于ARM11的通信設備狀態監測終端設計[J].通信技術,2012,45(06):128-129.

[7] 白慧靜.油井遠程無線計量管理系統的設計[D].山東:曲阜師范大學物理工程學院,2011.

[8] 周赪.物聯網概述[J].信息安全與通信保密,2011(10):63-64,68.