基于W5100的網絡遠程抄表系統的設計

Design of the Network Remote Meter Reading System Based on W5100

林　濤　趙宏科　李　輝　郭　曉　陳　恩

(河北工業大學控制科學與工程學院，天津　300130)

基于W5100的網絡遠程抄表系統的設計

Design of the Network Remote Meter Reading System Based on W5100

林濤趙宏科李輝郭曉陳恩

(河北工業大學控制科學與工程學院，天津300130)

摘要：針對目前國內人工抄表效率低、實時性差，現有GPRS等無線遠程抄表系統可靠性差、成本高等問題，提出了基于硬件協議棧的以太網通信模塊W5100的遠程抄表方案。介紹了遠程抄表系統的組成和工作原理，闡述了軟硬件設計。用于水表數據采集的測試結果表明，該系統能夠方便快捷地接入網絡，穩定可靠地抄取水表數據，在水表等智能儀表抄表領域可高效實現遠程自動抄表。

關鍵詞：遠程抄表W5100網絡硬件協議棧單片機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

由于儀表數量多、地理位置分散，傳統人工抄表容易造成漏抄、錯抄，已無法勝任抄表任務[1]。隨著計算機網絡和通信技術的發展，遠程自動抄表成為社會發展的需要。

現存遠程自動抄表系統的區別主要在于通信方式的不同[2]，其組成形式主要采取GPRS直接遠傳和短距離無線通信加GPRS遠傳的方式。短距離無線通信模塊主要有ZigBee、WiFi、無線射頻模塊等[3-6]。直接GPRS遠傳適合通信頻繁、數據量大的復雜系統[7]。新興的自組織網絡遠程抄表系統能夠實現遠程抄表。但是自組網技術復雜，加上無線模塊的通信距離有限，隨著組網層數增加，管理中心和數據采集終端通信時間增長；為提高通信可靠性，需要花費很大精力制定通信協議。以太網兼有傳輸速率高和傳輸可靠等優點，可實現遠傳數據的高速通信[8]。因此本文提出了一種基于W5100的網絡遠程抄表解決方案，可廣泛應用于水表遠程抄表。

1W5100網絡接口模塊介紹

W5100是WIZnet公司生產的內部集成了以太網控制器的多功能固件網絡芯片,內部集成了全硬件的TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層(MAC)和物理層(PHY)，兼容IEEE 802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX等網絡協議[9]。硬件TCP/IP協議棧支持TCP、UDP、IPv4等多種網絡協議，是一款真正的單片網絡接口芯片。

W5100提供3種總線接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線，內置16 kB發送/接收數據緩沖區，最高可兼容100 MB以太網絡，實現高速的數據通信[10]。該芯片主要由4部分組成: 硬件TCP/IP核、MCU接口單元、以太網物理層單元和發送/接收數據緩沖區[11]。

2系統的組成與工作原理

2.1　系統組成

基于W5100的網絡遠程抄表系統組成如圖1所示，系統包括數據采集層、傳輸層和應用層。數據采集層由終端儀表和集中器組成，網絡傳輸層由單片機控制W5100模塊，應用層主要包括數據管理中心。

選用TI公司的16位Flash型MSP430F5438系列單片機作為遠程抄表系統各部分的主控芯片。MSP430系列單片機可快速響應外設中斷，是為超低功耗的應用而設計;外設電流消耗小、處理速度高、數據的吞吐量大，特別適合應用于手持或電池設備[12]。該單片機用于表端控制數據采集、集中器進行數據匯總以及控制W5100模塊工作，完全能夠滿足系統開發的需求。

圖1　遠程抄表系統組成框圖

M_BUS總線是專為計量儀表的數據傳輸而設計的新型總線結構儀表總線，可滿足電池供電或遠傳供電的計量儀表的特殊要求。國家建設部于2004年6月頒布了《戶用計量儀表數據傳輸技術條件》(CJ/T 188—2004)行業標準，明確規定了將MSP430單片機作為計量儀表電路中的主控芯片，將M_BUS作為數據傳輸方式的首選[11]。RJ_45作為以太網通信的接口，是實現集中器接入Internet的樞紐。

2.2　系統工作原理

數據采集層由終端檢測儀表進行數據采集，經M_BUS總線將采集到的數據傳輸給集中器進行數據匯總。總線上主站向從站、從站向主站傳輸數據時，分別采用電壓和電流的變化來表示邏輯“0”和“1”。數據在各層之間傳輸時，幀格式的定義以188協議的規定為標準。網絡層集中器通過W5100模塊接入Internet網絡與數據管理中心進行數據交互。應用層進行數據的存儲、查詢等操作。

該網絡遠程抄表系統有兩種工作模式：定時上報模式和即時抄表模式。工作于定時上報模式時，數據采集層將所需數據進行采集、存儲。到達抄表時刻，集中器將各個終端儀表喚醒，并通過串口連接至M_BUS總線獲取儀表數據。通過W5100模塊接入到以太網，將數據在指定時間自動上報給服務器，由服務器將數據存入數據庫，供用戶和相關部門進行查閱。該系統工作在即時抄表模式時，服務器向集中器發抄表指令，集中器接收到指令后進行將指令解析并下發給指定地址的水表進行相關操作。

3遠程抄表系統軟件設計

與系統的硬件結構組成相對應，該網絡遠程抄表系統的軟件設計主要包括終端數據采集模塊、W5100網絡通信模塊、數據管理中心三部分。

3.1　W5100網絡通信模塊軟件設計

W5100網絡接口模塊是本網絡遠程抄表系統實現的關鍵。由于W5100內部集成了網絡接入協議，所以只需要對其寄存器進行正確的配置，即可接入以太網；在創建套接字之后，即可完成數據的發送和接收，從而進行遠程網絡數據交互。單片機通過SPI總線與W5100模塊進行通信。對W5100的寄存器設置包括基本寄存器的設置和套接字寄存器的設置。

W5100通信流程如圖2所示。

圖2　W5100通信流程圖

TCP是以連接為基礎的通信方式，通信有保障，不會出現中間的丟包、亂序等問題，應用層只需關注業務即可。由于抄表系統對數據的可靠性要求較高，因此采用TCP通信協議。它必須首先建立連接，然后利用連接的IP地址和端口號進行數據傳輸。TCP有兩種連接方式：一種是服務器模式(被動開啟)，另一種是客戶端模式(主動開啟)。系統工作于定時上報模式時，集中器上的W5100工作于客戶端模式，向系統服務器發送連接請求。連接成功后將抄表數據發送給系統服務器；系統工作于即時抄表模式時，集中器上的W5100工作于服務器模式，等待系統服務器的連接請求和指令。網絡連接成功后，W5100利用套接字進行網絡通信，完成數據的收發。

3.2　終端數據采集模塊軟件設計

終端數據采集模塊軟件主要包括以下幾個部分：初始化、指令處理模塊、抄表模塊、通信管理模塊。

初始化部分包括單片機的初始化、系統時鐘初始化、I/O端口的配置、串口的初始化。初始化完畢后，采集終端MCU進入低功耗模式以節省電能，直到自動抄表時刻到達或者收到數據管理中心即時抄表指令，才會執行相關的操作。

指令處理模塊包括指令的接收和發送、校驗、解析與封裝。當采集終端接收到指令時，對指令進行校驗，判斷內容，決定對其重新封裝或者直接轉發給表；若校驗錯誤則置位相應錯誤標志，回復校驗錯誤應答。

抄表模塊完成對水表的操作，即向表發送抄表指令,收到抄表數據以后進行校驗，校驗正確則進行存儲；校驗錯誤則重新發送3遍抄表指令，直到收到正確的抄表數據。收不到抄表數據，則放棄本次操作，并向管理中心上報，然后繼續執行下一塊表的抄表操作。

通信模塊負責管理中心和終端數據采集部分的上行和下行數據傳輸。下行將封裝好的管理中心的指令進行轉發，上行將收到的抄表數據進行封裝，并通過W5100返回給管理中心。其軟件流程圖如圖3所示。

圖3　通信模塊軟件流程圖

3.3　數據管理中心軟件設計

數據管理中心主要包括以下功能模塊：系統設置模塊、抄表管理模塊、用戶管理數據管理模塊、打印管理模塊。系統設置模塊可以設置系統工作模式、系統時間校準，主要是集中器時間的設置，用于定時自動抄表。儀表管理模塊用于設置定時抄表時間、所要抄表地址、對表進行操作(增加、刪除表等)。用戶管理模塊主要完成用戶的添加、刪除、查找和修改用戶信息的功能，還可以對用戶權限進行設置。該系統用戶權限包括兩種：普通用戶和系統管理員。系統管理員只有一個，可以對所有普通用戶信息進行查看和編輯；普通用戶只能查看和修改自己的信息和對資源消費情況，而不能對其他用戶和管理員的信息進行操作。打印管理模塊用于選擇與數據管理中心連接的打印機，將需要打印的數據進行打印。數據管理中心軟件模塊結構圖如圖4所示。

圖4　數據管理中心軟件模塊結構圖

4系統運行結果分析

該遠程抄表系統用于水表抄表的試運行結果良好，能夠可靠地抄取水表數據，實時對表進行操作(開關閥控制等)和監控表的狀態，功耗低，能滿足抄表系統實時性要求。軟件設計具有執行效率高、可擴展性好和可移植性高等優點。因此，該遠程抄表系統具有

廣闊的市場前景。

5結束語

相對于傳統的基于有線連接或基于GPRS或GSM短消息的遠程抄表系統，新興的無線自組織網絡抄表系統具有很多優勢，如不會掉線、通信速度快、實時性好; 設備運行和維護成本低；可進行不定期、長時間的數據傳輸，可靠性好。隨著互聯網的覆蓋范圍不斷擴大，該遠程抄表系統具有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

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中圖分類號：TP319

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503012

河北省支撐基金資助項目(編號：13210307D)。

修改稿收到日期：2014-08-10。

第一作者林濤(1970-)，男，2007年畢業于河北工業大學控制理論與控制決策專業，獲博士學位，教授；主要從事計算機網絡控制理論、網絡管理與安全、嵌入式系統及網絡控制等方面的研究。