引言
水表、電表和氣表的抄錄是城市生活的一個大問題。傳統(tǒng)上采用的人工上門抄表方法不僅效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)漏抄、誤抄等現(xiàn)象。隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了自動抄表系統(tǒng)。
現(xiàn)代智能化系統(tǒng)一般采用兩種：電力載波集抄和總線通信方式。由于我國的電網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)過程中，經(jīng)常會受無線電信號、電磁信號、脈沖信號的干擾，導致傳輸數(shù)據(jù)錯碼、丟碼的情況。總線通信方式集抄系統(tǒng)較為復雜，而且要另外鋪設(shè)通訊電纜，特別對于舊城區(qū)改造項目，就存在更大問題。
但是，如果采用三表GPRS無線集抄系統(tǒng)，以上問題就迎刃而解。本文就介紹基于GPRS的一種設(shè)計方案。
自動抄表系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)
抄表系統(tǒng)中，儀表數(shù)據(jù)與控制信號傳輸?shù)穆窂椒Q為通信通道，它分為上行通道和下行通道。上行通道是傳輸控制器與管理中心計算機之間的通信線路，可以采用電話、無線、專線等各種通信介質(zhì)。
下行通道是數(shù)據(jù)采集器與傳輸控制器之間的通信線路，主要有LonWork總線、CAN總線、RS-485總線等方式。自動抄表系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，主要包括計量表、數(shù)據(jù)采集器、傳輸控制器(集中器)、管理中心計算機等。
圖1 一般自動抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
其中計量表、采集器、集中器稱為自動抄表系統(tǒng)的下位機，管理中心計算機則稱為上位機。上位機可以對下位機進行命令發(fā)送、參數(shù)設(shè)定等控制。
硬件設(shè)計
系統(tǒng)總體框圖
自動抄表系統(tǒng)的硬件主要分為采集器和集中器兩部分。采集器主要是用單片機把計量表中的數(shù)據(jù)采集過來，并存放在內(nèi)存里，通過RS-485總線傳送給集中器；集中器是整個系統(tǒng)中最重要的，也是最復雜的環(huán)節(jié)，它的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。
圖2 集中器設(shè)計框圖
集中器中的單片機選用了C8051F120，其時鐘可達到100M，有8448B的RAM和128K的Flash，兩個URAT中，一個用于GPRS通信，另一個用于與采集器的通信。在很多場合，該單片機幾乎不用擴展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求。C8051F MCU具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，但與標準的8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度有很大提高，運行mC/OS-II操作系統(tǒng)是沒有問題的。Flash的擴展選用SPI總線的AT45D041，它有512KB的FLASH，使用方便，且性價比也比較高； LCD采用中國臺灣矽創(chuàng)電子公司的中文圖形控制芯片ST7920，內(nèi)含中英文字庫，使用起來非常方便。
GPRS模塊
GPRS模塊采用了西門子公司的MC35i，此模塊主要由GSM處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等六部分組成。它通過ZIF連接器上的串口與單片機實現(xiàn)電路接口，通過串口讀取或發(fā)送MC35i模塊中的數(shù)據(jù)和AT指令。
自動抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計下位機的軟件設(shè)計
下位機軟件設(shè)計的重點是GPRS通信的實現(xiàn)。由于GPRS是基于IP協(xié)議的，所以主控制器在與GPRS模塊通訊的時候要發(fā)送符合IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。如果要自己編寫TCP/IP協(xié)議，工作量會比較大，一個簡便的方法是移植操作系統(tǒng)。有些操作系統(tǒng)中包含TCP/IP協(xié)議(如Linux)，但相對于單片機來說，顯得力不從心。有些操作系統(tǒng)不包括此協(xié)議(如mC/OS-II)，就必須同時移植與其兼容的TCP/IP協(xié)議(如uiP協(xié)議)，本系統(tǒng)采用后一種方法。
mC/OS-II介紹及移植
mC/OS-II是為嵌入式應用編寫的通用軟件，具有源碼公開、可移植、可裁剪、支持多任務和內(nèi)核服務運行時間可確定等特點。所以，mC/OS-II支持從8位到32位的CPU，經(jīng)過裁剪后代碼最小小于2KB，所需的最小數(shù)據(jù)RAM空間為4KB。
mC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體內(nèi)容如下：
(1)os_cpu.h中需要設(shè)置1個常量來標識堆棧增長方向，
即:#define OS_STK_GROWTH 0 //8051 堆棧從下向上增長；
(2)os_cpu.h中需要聲明3個用于開關(guān)中斷和任務切換的宏，
即:#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0 //關(guān)中斷；
#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 //開中斷；
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw() //任務間的切換；
(3)os_cpu.h中需要聲明10個數(shù)據(jù)類型；
即:typedef unsigned char BOOLEAN 等；
(4)os_cpu_a.asm需要改寫4個匯編語言的函數(shù)，集中了所有與處理器相關(guān)的匯編語言代碼模塊；
(5)os_cpu_c.c需要用c語言編寫6個簡單函數(shù)， 即1個初始化任務堆棧和5個任務創(chuàng)建鉤掛函數(shù)，其中5個任務創(chuàng)建鉤掛函數(shù)可根據(jù)實際情況加入；
(6)修改主頭文件include.h，將上面的3個文件和其它自己的頭文件加入。
完成上述工作后，mC/OS-II就可以運行在單片機上了。
uip的移植
uIP的移植設(shè)計重點放在IP、ICMP和TCP協(xié)議的實現(xiàn)上，要將這三個模塊合為一個有機的整體，而將UDP和ARP協(xié)議實現(xiàn)作為可選模塊。uIP0.9的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 uIP協(xié)議栰接口
uIP0.9處于網(wǎng)絡通信的中間層，其上層協(xié)議在這里被稱之為應用程序，而下層硬件或固件被稱之為網(wǎng)絡設(shè)備驅(qū)動。uIP可以看作是一個代碼庫為系統(tǒng)提供確定的函數(shù)。圖3展示了uIP系統(tǒng)底層和應用程序之間的關(guān)系。
在基于8051的mC/OS-II中，移植uIP不需要對現(xiàn)有的TCP/IP源代碼做任何修改，但是必須為網(wǎng)絡設(shè)備如網(wǎng)卡芯片、串口等寫一個驅(qū)動程序。同時，現(xiàn)有系統(tǒng)的集成部分也要進行相應的處理，例如當有數(shù)據(jù)到達或周期性的定時器計數(shù)滿等情況下，主控制系統(tǒng)應該調(diào)用uIP函數(shù)。移植的具體步驟如下：
(1)在目錄uip-0.9/下創(chuàng)建一個自己的目錄，例如uip0.9/C8051F/。
(2)把uip_arch.c文件從目錄uip-0.9/unix/中復制到目錄uip-0.9/ C8051F中。
(3)把uipopt.h文件目錄從uip-0.9/unix中復制到目錄uip-0.9/ C8051F中，并對其修改，以滿足系統(tǒng)需要。
(4)編寫串口驅(qū)動程序和主控函數(shù)。
(5)編譯源代碼。
上位機軟件
管理中心計算機抄表軟件以IIS作為Web Server，數(shù)據(jù)庫端使用SQL Server 數(shù)據(jù)庫，運行WIN98/2000/XP、NT的操作系統(tǒng)，易于使用。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒有限制。它具有以下的功能與特點：安全可靠，抄表速度快，具有完善的系統(tǒng)日志，以及廣播對時、自動抄表和設(shè)備管理功能。并且用戶界面清晰美觀，操作簡單，具有完善的在線幫助功能。
結(jié)語
遠程無線自動抄表系統(tǒng)利用GPRS通信技術(shù)，實現(xiàn)了多表數(shù)據(jù)抄收的功能，解決了實時性、抄收成本及通信距離等問題。隨著GPRS通信技術(shù)的不斷成熟和自動抄表技術(shù)的不斷完善，這種遠程無線自動抄表技術(shù)也將會得到更好的發(fā)展和提高。■
