基于嵌入式Linux和GPRS的远程抄表系统的实现-AET-电子技术应用

基于嵌入式Linux和GPRS的远程抄表系统的实现

郭宏1, 郭源生1, 陈岩

摘要：介绍了远程抄表系统中嵌入式手持终端设计,基于嵌入式Linux和GPRS实现了水表、电表和煤气表的三表远程抄表，并使用Qt设计开发手持终端的用户界面。手持终端部分通过GPRS通信完成与远程监控端和集中器之间的通信，可以实现移动自动抄表。

关键词： 无线网络远程抄表 GPRS Linux 手持终端

Abstract：

Key words :

关键词：远程抄表；嵌入式Linux；自动抄表

随着计算机和智能技术的发展，通信、信息与人们的关系日益紧密，作为家庭载体的住宅对智能化的要求也呈现出多样性，“智能家居”^[1]逐渐进入普通居民的视野，而智能家居中[2]的重要组成部分——远程自动抄表系统，更是得到人们的普遍关注。当前我国普遍采用水表、气表、电表人工入户抄表的方式，这样给用户和抄表人员都带来诸多不便。远程抄表系统可以有效地解决入户抄表存在的弊端。图1所示是实验性家居系统拓扑图。

1 远程抄表系统体系结构

三表远传模块设计包括远传水表、远传电表及远传气表的检测和控制。一般而言，所谓远传水表，是安装在住户家里的一个“发讯水表”，它通过一根连线与位于小区管理中心的一个抄表系统连接。住户家里只要水龙头打开或者关掉，这个水表就会自动向抄表系统发送脉冲信号，位于户外的抄表系统会通过里面的数据采集器将脉冲信号转化为读数信息，写入小区管理中心数据库，便于小区物业的管理。远传电表和远传气表的概念与远传水表类似。

智能家庭网关(emHome)三表远传模块的设计有别于工业实现模式。流量数据的更新是一个实时更新的过程，表数据不断变化。基于emHome的系统主要利用网络传输数据的方式，数据的实时传输会占用相当的网络资源，并且对于三表数据而言，小区管理中心也没有必要检测其实时流量，仅在需要时（收取水、电、气费）进行查询即可。因此在三表远传模块的软件设计中，采取查询式方式实现。主要思路是：(1)家庭网关的操作系统对各表数据实时维持各自的一个全局量，为了防止掉电而丢失数据，同时把它们写入到一个小的文件中，此文件中的三表数据是实时更新的，但不进行网络实时发送；(2)当小区管理中心需要收取各住户三表费用时，通过小区管理中心监控终端发出一个收费信号，家庭网关收到此信号，触发三表模块的发送进程，从文件中提取出三表数据，打包后通过网络上传给小区管理中心监控终端；(3)管理中心通过三表数据，算出各住户的相关费用，完成收费工作，同时会把相关数据写入数据库，以备以后查询汇总；(4)小区管理中心可通过监控终端对三表数据进行初始化，以实现对现场仪表的控制功能。

图2所示是远程抄表系统结构图，该系统采用了由手持终端、集中器和远程监控终端构成的三级网络结构。GPRS网络是基于IP地址的数据分组通信网络，远程监控端部分的上位主机配置固定的IP地址，三表数据集中器采用GPRS模块和服务器端上位机进行通信。从体系结构图可以看出，GPRS模块分布在三级网络中的每一级，实现了GPRS的组网以及三级网络之间的相互通信。底层各个用户家中的电表、煤气表和水表数据信息，由采集器通过RS485总线传输到集中器，集中器通过RS232与GPRS模块连接，其GPRS模块将三表数据通过中国移动通信的GPRS网络传输到手持终端或者远程监控端。

集中器内置的SIM100-E模块实际上是数据采集器与手持终端内置的SIM100-E模块的信息通道。它要完成的基本功能包括：(1)系统初始化，即其本身的资源初始化和通信波特率的设置等； (2)启动本机SIM100模块GSM工作方式，建立与短信基站的连接； (3)等待接收来自手持终端内置的SIM100-E模块的短信并获取对方手机号，与其建立通信连接；(4)接收手持终端的抄表命令、预置数命令等命令。其主程序流程图如图3所示。

2 手持终端设计

手持终端内置的SIM100-E模块实现手持终端与集中器内置的SIM100-E模块之间的数据交换及通信，其工作过程与集中器内置的SIM100-E模块类似，也是通过一系列AT指令来完成。它主要包括以下基本功能：(1)系统初始化，即其本身的资源初始化和通信波特率的设置等；(2)启动本机SIM100模块的GSM工作方式，建立GSM通信连接；(3)等待接收来自集中器的数据；(4)通过短信向集中器内置的SIM100-E模块发送自身手机号，与短信基站建立连接；(5)向集中器内置的SIM100-E模块发送抄表命令，并等待接收抄表数据，之后上传手持终端。其主程序流程图如图4所示。

嵌入式系统^[3]是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系，满足远程抄表中手持终端的处理器要求。因此，本设计中的手持终端硬件部分采用韩国三星的嵌入式微处理器ARM920T内核的S3C2410和Linux RedHat8.0操作系统。

S3C2410通过串口实现对SIM100-E的操作，嵌入式处理器对GPRS模块的操作实际就是对串口的数据读写。手持终端的主要工作就是实现串口数据收发，分别通过char Uart0_Getch(char* Revdata)和void Uart0_SendByte(U8 data) 两个函数实现，通过调用SIM300的AT指令实现三表数据的短信形式收发。

Qt^[4]是一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架，它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的功能。Qt完全面向对象，很容易进行扩展，并且允许真正的组件编程。手持终端图形用户接口(GUI)是与用户之间交流的接口，用户可以通过类似于鼠标的定点设备来操作触摸屏上的图标以及控制按钮，而不需要敲入一连串的命令来控制它。Qtopia PDA版是一个强大的平台，专用于基于Linux操作系统的PDA个人数字助理设备，具有可定制的用户界面，支持多种不同的屏幕尺寸以及横向和纵向布局。

3 集中器设计

集中器部分通过GPRS^[5]通信方式接收来自手持终端和服务器的命令，并下达命令给采集器完成相应的数据采集，同时可以把采集得到的数据通过GPRS方式发送给手持终端或者服务器。集中器和众多采集器之间，通过RS-485总线形成一个以集中器为主的主从网络。

集中器的微控制器选择MSP430^[6]作为CPU，它是美国德州仪器公司（TI）推出的16位的精简指令集（RSIC）单片机，具有超低功耗，处理能力强，运行速度快，指令简单，并采用JATG技术, 支持Flash在线编程技术。集中器原理图如图5所示。

GPRS模块选择了性价比较高且操作简单的SIM100-E模块。SIM100-E是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM100-E集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品。

智能化数字量模拟量采集装置是专门用于脉冲为计数单位的家庭用表的新型装置，可以完成1～8路脉冲计量，同时可以采集1～8路模拟量，广泛用于电能表集抄、水表计量及远抄、住宅抄表等场合。采集器装置将三表赋以不同的数据头字节，以区别不同用户和水表、电表与气表。在本系统中只采集了三路数据信息，根据需要可以扩展到8路数据的采集。

4 远程监控端

远程监控端是整个抄表系统的最高数据管理层，作为C/S架构的数据库服务器端，所有用户的三表数据信息都汇集到这里，管理人员对数据库服务器进行实时维护、处理和汇总分析，作出相应的决策。远程监控端通过串口与GPRS模块连接，用户的三表数据可以通过中国移动通信的GPRS网络直接数传到远程监控端。

应用SQL Server2000建立数据库，存储三表信息及历史数据，并采用ADO技术访问数据库，建立与数据源的连接，可远程设定抄表集中器和采集器内的参数，设置预期的采集周期，实现三表等数据的日报、月报，进行费用结算。

由于Visual Basic具有可拖放控件等功能，使用Visual Basic建立远程监控端的图形用户界面，更便于普通家居用户和物业管理人员查询及监控。

链接数据库与图形用户界面，物业管理人员可以对原始记录进行分析汇总，进行实时监控，个人用户可以通过数据库服务器进行三表等物业信息的查询。

本文提出并初步实现了基于嵌入式Linux和GPRS通信技术的三级架构的远程无线抄表系统。开发了嵌入式手持终端，使用Qt设计出手持终端用户界面，实现了远程抄表的自动抄送，有效地弥补了传统抄表的不足，增加了自动抄表的灵活性。

参考文献

[1] 陈文华.嵌入式智能家居控制器的研究与实现[D].北京：北京工商大学, 2005.

[2] 余启家,殷瑞祥.基于ARM 及GPRS 的智能家居系统的实现[J].微计算机信息,2007，23（7-2）:119-121.

[3] 魏洪兴，胡亮，曲学楼.嵌入式系统设计与实例开发实验教材II—基于ARM9微处理器与Linux操作系统[M].北京：清华大学出版社, 2005.

[4] SUMMERFIELD M. C++ GUI Qt 3编程[M].齐亮,译.北京：北京航空航天大学出版社, 2006.

[5] BATES R J.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M].北京：人民邮电出版社, 2004.