基于嵌入式系统的远程抄表设计

  1 方案介绍

    随着社会发展，科技的进步，现代电子技术、通信技术以及计算机技术的发展也是突飞猛进；它们的结合又演化出许多新的通信方式和通信系统，从而满足了工业自动化、家庭自动化越来越高的数据传输、监控等要求。嵌入式系统将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70％以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。 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。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，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、采集器到集中器为级，集中器到中央处理站为第二级。其中，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，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。

    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，是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。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。因此，通过采集对应的脉冲数来达到检测的目的。

    2．2 数字圈像处理

    数字图像处理技术是将计算机、数字图像输人输出硬件、图像处理软件等相结合组成图像处理 的系统，并对所捕获的图像进行数字化转换、存储、 编辑、传送和使用的技术。
    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。过程如下：⑴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；⑵对图像依次进行平滑滤波、二值化、腐蚀、细化等处理；⑶通过Hough变换算法识别出仪表指针的位置；⑷利用指针位置和仪表读数的对应关系得到读数。

    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工作速率可以达到100 k，发射功率可以调整，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。

    以下给出灵敏度(S)、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，而GSM的交互式SMS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。

    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。

    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：

    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)。

    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。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

    远程抄表系统系统结构如图1所示，步骤如下：⑴光电传感器采集到的信号经采集器处理成仪表的读数值，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；⑵在该协议机制下集中器将接收到的数据封装成PDU数据包，通过GSM网络发送去出；⑶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；⑷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，执行效率更高等特点。

    3．2 软件设计

    为了避免同频干扰问题，集中器和采集器的通信采用TDMA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。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以及协调性，数据传输的同步性及安全性也需要考虑。