基于嵌入式系统的远程抄表研究与实现

摘要：随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的发展，远程无线数据传输系统在各大领域得到了广泛应用。基于此介绍了远程抄表系统各种实现方案，讨论了有关信号检测、通信介质、差错控制、通信接口等关键技术，并最终给出了系统的实现方案。
关键词：ARM；nRF905；USB

1 方案介绍
    随着科技的发展，现代电子技术、通信技术和计算机技术的发展也是突飞猛进，并且它们的结合又演化出许多新的通信方式和通信系统，以满足工业自动化、家庭自动化越来越高的数据传输、监控等要求。此类系统通常包括信号采集、处理、传输等基本单元，结构方案如图l所示。

1．1 信号采集
    数据采集器主要完成对仪表数据的检测和初步处理及传输，而检测手段很大程度上取决于检测对象的特性。其中，指示表因其结构简单、使用方便，在科学实验和生产中得以广泛使用，因此抄表系统对信号的检测是面临的首要问题。对于数字式智能仪表可以直接读其存储单元的数据，而传统的仪表通常采用光电传感器来计数，但随着数字图像处理技术的不断发展，也可将其运用在指针式仪表的读数识别中。
1．2 通信介质
    目前实际应用的远程抄表系统大多采用两级数据汇集结构，即仪表到采集器、采集器到集中器为第一级，集中器到中央处理站为第二级。其中，第一级为数据传输量不大、传输距离较近的底层数据采集阶段，故常采用无线射频、低压电力线载波、RS485总线等方式；第二阶段则可采用光缆，电缆，租用电信专线DDN(Digital Data Network，数字数据网)，专用无线数据传输系统，CDPD(Cellular Digital Packet Data，蜂窝数字分组数据)、GSM(Global System for Mobile Communieafione，全球移动通信系统)／GPRS(Geneml Packet Radio Service，通用无线分组业务)、CDMA(Code Division MultipleAccess，码分多址)、3G等公用网信息平台。对于通信介质的选择主要取决于信息量、实时性等相关技术指标。[!--empirenews.page--]
1．3 通信接口
    远程抄表系统的中央处理站采用数据汇集器与服务器相连，此时汇集器只是作为一个外围设备，故可采用串行口、USB、以太网接口进行通信。而客户可通过Web实现对服务器上数据的访问。在此，数据汇集器的引入增强了系统的兼容性与可扩展性，当第二阶段传输模式等发生变化时不会对服务器软件硬件产生变更问题。

2 技术论证
2．1 光电传感器
    光电传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电传感器将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到光线的强弱或有无对目标物体进行探测。据此原理，通过采集对应的脉冲数达到检测的目的。
2．2 数字圈像处理
    数字图像处理技术在指针式仪表读数识别中的应用，就是把被测量转换为指针在表盘上的角位移，以此获取被测量的大小。具体过程就是：首先，利用摄像头获取仪表图像，通过图像采集卡将图像数字化后送入计算机内存；接着，对图像依次进行平滑滤波、二值化、腐蚀、细化等处理；然后，通过Hough变换算法识别出仪表指针的位置；最后，利用指针位置和仪表读数的对应关系得到读数。
    数字图像处理技术在本系统中暂未使用，只作探讨。
2．3 nRF905和SMS的无线数据传输
    nRF905是一个为433／868／915 MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，它采用GFSK调制解调技术。nRF905最高工作速率可以达到100 k，发射功率可以调整，最大发射功率是+10 dBm。
    天线接口设计为差分天线，便于使用低成本的PCB天线，但实际常采用高增益外置天线和加大发射功率来适应不同通信距离的需求。此外，naF905工作电压范围可以从1．9 V～3．6 V，并具有待机模式，更省电、更高效。满足欧洲电信工业标准。

    以下给出灵敏度(S)、最大输出发射功率(Pt)、天线增益(Gtx_ant、Grx_ant)、损耗(Los)、中心频率(f0)与通信距离(R)的定量关系：

    
    其中：    
    c—微波的传播速度(光速)。
    
    GSM是—个能够提供多种业务的移动ISDN(Integrated
Services Digital Network，综合业务数字网络)，而GSM的交互式SMS(Short Message Service，短消息服务)功能可以实现数据传输。SMS是移动网络上一种基本无线业务，是信息在移动网络上储存和转寄的过程。此外，目前市场上流行的大部分手机模块提供了GSM-SMS-AT指令系统，可方便实现硬件和软件接口，通过数据口以串行方式接收指令并向外输出数据，从而实现远程数据传输。

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2．4 差错控制
    快速性和可靠性是数字通信系统设计的重点，但它们又往往是一对矛盾。nRF905芯片内置了CRC编解码器。当然，实际应用中也可编程引入改进了的CRC校验算法，实现差错控制。
    基于时空权衡引入查表和变字节计算思想来改进传统CRC算法，以满足系统的需要。
    设三字节序列Tabc=[abc]、Ta00=[a00]和二字节序列Tbc=[bc]，用多项式表示为：

    当然，根据上述思想可以实现按字节、半字节计算CRC的算法。改进后CRC算法在相同运行环境下的效率分析如图3所示。

    其中：t为执行时间(ms)，n为数据、校验组成的序列字节数(Byte)。

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2．5 USB总线
    USB是一种通用串行总线，具有同步带宽、灵活、稳定、易于与PC或微控制器接口等优点，并可提供主辅端点，支持控制传输、批量传输、中断传输等模式。如图4所示是采用CH372作为USB扩展芯片，简化了相应的软硬件自行开发工作。

3 系统买现
    远程抄表系统的系统结构如图1所示，具体的工作流程为：首先，光电传感器采集到的信号经采集器处理成仪表的绝对读数值，将该值封装到数据帧的相应位置，启用CRC算法，加上校验字节，利用通信协议机制将数据帧发送出去；接着，在该协议机制下集中器将接收到的数据封装成PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)数据包，通过GSM网络发送去出；然后，中央处理站的汇集器将收到的PDU数据经处理通过USB接口批量传送刭服务器上；最后，由服务中心加以利用。
3．1 硬件设计
    数据采集器主要由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块组成。数据传输单元采用高性价比的ATmegal28L作为徽控制器，电源模块采用线性电源以降低误码率，并配备显示调试接口和EEPROM存储单元。而数据集中器主要是在数据采集器的基础上增加了GSM短信收发模块。
    数据汇集器区别于采集器采用以S3C2410作为徽处理器，这主要是基于对ARM(Advanced RISC Machines)与单片机性价比的考虑。采用RISC架构的ABM微处理器具有体积小、低功耗、高性能；支持Thumb(16位)／ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8 位／16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快，执行效率更高等特点。因此，在无线通讯、工业控制领域，消费类电子产品、网络产品、成像和安全产品中得以广泛应用。
    就此系统而言，汇集器使用ARM处理器对于以后升级、网络传输功能的增强、效率的优化极其有利，对于扩展开发也可采用ARM内核ZIG-BEE无线单片机来代替。而采集器和集中器具有实时性要求不高、处理任务较单一和面向采集现场的数量较大等特点，因此采用ATmegal28L为核心处理器达到了性价比的最优配置。
3．2 软件设计
    为了避免同频干扰的问题，集中器与采集器的通信采用TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)技术，把集中器与任意一台采集之间的通信采用时分的方式分开，集中器通过扫描的方式与各台采集器进行单台通信，这样系统中的集中器与采集器的通信方式就成为点对点的通信方式，即整个点对多点系统的通信就成为若干个点对点通信的组合。并采用如表1所示的帧结构，加上打包、解包机制和双方的握手协议实现数据传输。

4 结束语
    基于嵌入式的远程抄表系统中通信协议，特别是MAC协议的优化、高频电路的设计是难点也是重点，此外设备间的互操作性、协调性，数据传输的同步性、安全性也需要考虑。
    目前，此远程抄表在“温州市晟恒科贸有限公司仓库温湿度监测”中得到了初步应用。