摘  要： 介紹了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中嵌入式手持終端設(shè)計(jì),基于嵌入式Linux和GPRS實(shí)現(xiàn)了水表、電表和煤氣表的三表遠(yuǎn)程抄表，并使用Qt設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)手持終端的用戶界面。手持終端部分通過(guò)GPRS通信完成與遠(yuǎn)程監(jiān)控端和集中器之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自動(dòng)抄表。 

    關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程抄表； 嵌入式Linux； 自動(dòng)抄表

     隨著計(jì)算機(jī)和智能技術(shù)的發(fā)展，通信、信息與人們的關(guān)系日益緊密，作為家庭載體的住宅對(duì)智能化的要求也呈現(xiàn)出多樣性，“智能家居”^[1]逐漸進(jìn)入普通居民的視野，而智能家居中[2]的重要組成部分——遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，更是得到人們的普遍關(guān)注。當(dāng)前我國(guó)普遍采用水表、氣表、電表人工入戶抄表的方式，這樣給用戶和抄表人員都帶來(lái)諸多不便。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可以有效地解決入戶抄表存在的弊端。圖1所示是實(shí)驗(yàn)性家居系統(tǒng)拓?fù)鋱D。 

1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    三表遠(yuǎn)傳模塊設(shè)計(jì)包括遠(yuǎn)傳水表、遠(yuǎn)傳電表及遠(yuǎn)傳氣表的檢測(cè)和控制。一般而言，所謂遠(yuǎn)傳水表，是安裝在住戶家里的一個(gè)“發(fā)訊水表”，它通過(guò)一根連線與位于小區(qū)管理中心的一個(gè)抄表系統(tǒng)連接。住戶家里只要水龍頭打開(kāi)或者關(guān)掉，這個(gè)水表就會(huì)自動(dòng)向抄表系統(tǒng)發(fā)送脈沖信號(hào)，位于戶外的抄表系統(tǒng)會(huì)通過(guò)里面的數(shù)據(jù)采集器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為讀數(shù)信息，寫入小區(qū)管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)，便于小區(qū)物業(yè)的管理。遠(yuǎn)傳電表和遠(yuǎn)傳氣表的概念與遠(yuǎn)傳水表類似。 

    智能家庭網(wǎng)關(guān)(emHome)三表遠(yuǎn)傳模塊的設(shè)計(jì)有別于工業(yè)實(shí)現(xiàn)模式。流量數(shù)據(jù)的更新是一個(gè)實(shí)時(shí)更新的過(guò)程，表數(shù)據(jù)不斷變化。基于emHome的系統(tǒng)主要利用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的方式，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸會(huì)占用相當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)資源，并且對(duì)于三表數(shù)據(jù)而言，小區(qū)管理中心也沒(méi)有必要檢測(cè)其實(shí)時(shí)流量，僅在需要時(shí)（收取水、電、氣費(fèi)）進(jìn)行查詢即可。因此在三表遠(yuǎn)傳模塊的軟件設(shè)計(jì)中，采取查詢式方式實(shí)現(xiàn)。主要思路是：(1)家庭網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)對(duì)各表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)維持各自的一個(gè)全局量，為了防止掉電而丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)把它們寫入到一個(gè)小的文件中，此文件中的三表數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)更新的，但不進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送；(2)當(dāng)小區(qū)管理中心需要收取各住戶三表費(fèi)用時(shí)，通過(guò)小區(qū)管理中心監(jiān)控終端發(fā)出一個(gè)收費(fèi)信號(hào)，家庭網(wǎng)關(guān)收到此信號(hào)，觸發(fā)三表模塊的發(fā)送進(jìn)程，從文件中提取出三表數(shù)據(jù)，打包后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳給小區(qū)管理中心監(jiān)控終端；(3)管理中心通過(guò)三表數(shù)據(jù)，算出各住戶的相關(guān)費(fèi)用，完成收費(fèi)工作，同時(shí)會(huì)把相關(guān)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，以備以后查詢匯總；(4)小區(qū)管理中心可通過(guò)監(jiān)控終端對(duì)三表數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的控制功能。 

    圖2所示是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)采用了由手持終端、集中器和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端構(gòu)成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端部分的上位主機(jī)配置固定的IP地址，三表數(shù)據(jù)集中器采用GPRS模塊和服務(wù)器端上位機(jī)進(jìn)行通信。從體系結(jié)構(gòu)圖可以看出，GPRS模塊分布在三級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的每一級(jí)，實(shí)現(xiàn)了GPRS的組網(wǎng)以及三級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信。底層各個(gè)用戶家中的電表、煤氣表和水表數(shù)據(jù)信息，由采集器通過(guò)RS485總線傳輸?shù)郊衅?，集中器通過(guò)RS232與GPRS模塊連接，其GPRS模塊將三表數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)移動(dòng)通信的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞殖纸K端或者遠(yuǎn)程監(jiān)控端。 

    集中器內(nèi)置的SIM100-E模塊實(shí)際上是數(shù)據(jù)采集器與手持終端內(nèi)置的SIM100-E模塊的信息通道。它要完成的基本功能包括：(1)系統(tǒng)初始化，即其本身的資源初始化和通信波特率的設(shè)置等； (2)啟動(dòng)本機(jī)SIM100模塊GSM工作方式，建立與短信基站的連接； (3)等待接收來(lái)自手持終端內(nèi)置的SIM100-E模塊的短信并獲取對(duì)方手機(jī)號(hào)，與其建立通信連接；(4)接收手持終端的抄表命令、預(yù)置數(shù)命令等命令。其主程序流程圖如圖3所示。

2 手持終端設(shè)計(jì)

    手持終端內(nèi)置的SIM100-E模塊實(shí)現(xiàn)手持終端與集中器內(nèi)置的SIM100-E模塊之間的數(shù)據(jù)交換及通信，其工作過(guò)程與集中器內(nèi)置的SIM100-E模塊類似，也是通過(guò)一系列AT指令來(lái)完成。它主要包括以下基本功能：(1)系統(tǒng)初始化，即其本身的資源初始化和通信波特率的設(shè)置等；(2)啟動(dòng)本機(jī)SIM100模塊的GSM工作方式，建立GSM通信連接；(3)等待接收來(lái)自集中器的數(shù)據(jù)；(4)通過(guò)短信向集中器內(nèi)置的SIM100-E模塊發(fā)送自身手機(jī)號(hào)，與短信基站建立連接；(5)向集中器內(nèi)置的SIM100-E模塊發(fā)送抄表命令，并等待接收抄表數(shù)據(jù)，之后上傳手持終端。其主程序流程圖如圖4所示。 

    嵌入式系統(tǒng)^[3]是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系，滿足遠(yuǎn)程抄表中手持終端的處理器要求。因此，本設(shè)計(jì)中的手持終端硬件部分采用韓國(guó)三星的嵌入式微處理器ARM920T內(nèi)核的S3C2410和Linux RedHat8.0操作系統(tǒng)。 

    S3C2410通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM100-E的操作，嵌入式處理器對(duì)GPRS模塊的操作實(shí)際就是對(duì)串口的數(shù)據(jù)讀寫。手持終端的主要工作就是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)，分別通過(guò)char Uart0_Getch(char* Revdata)和void Uart0_SendByte(U8 data) 兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)用SIM300的AT指令實(shí)現(xiàn)三表數(shù)據(jù)的短信形式收發(fā)。 

    Qt^[4]是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，它提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的功能。Qt完全面向?qū)ο?，很容易進(jìn)行擴(kuò)展，并且允許真正的組件編程。手持終端圖形用戶接口(GUI)是與用戶之間交流的接口，用戶可以通過(guò)類似于鼠標(biāo)的定點(diǎn)設(shè)備來(lái)操作觸摸屏上的圖標(biāo)以及控制按鈕，而不需要敲入一連串的命令來(lái)控制它。Qtopia PDA版是一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，專用于基于Linux操作系統(tǒng)的PDA個(gè)人數(shù)字助理設(shè)備，具有可定制的用戶界面，支持多種不同的屏幕尺寸以及橫向和縱向布局。 

3 集中器設(shè)計(jì)

    集中器部分通過(guò)GPRS^[5]通信方式接收來(lái)自手持終端和服務(wù)器的命令，并下達(dá)命令給采集器完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)可以把采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS方式發(fā)送給手持終端或者服務(wù)器。集中器和眾多采集器之間，通過(guò)RS-485總線形成一個(gè)以集中器為主的主從網(wǎng)絡(luò)。 

    集中器的微控制器選擇MSP430^[6]作為CPU，它是美國(guó)德州儀器公司（TI）推出的16位的精簡(jiǎn)指令集（RSIC）單片機(jī)，具有超低功耗，處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，指令簡(jiǎn)單，并采用JATG技術(shù), 支持Flash在線編程技術(shù)。集中器原理圖如圖5所示。 

    GPRS模塊選擇了性價(jià)比較高且操作簡(jiǎn)單的SIM100-E模塊。SIM100-E是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS雙頻模塊，主要為語(yǔ)音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線接口。SIM100-E集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開(kāi)發(fā)一些GSM/GPRS的無(wú)線應(yīng)用產(chǎn)品。 

    智能化數(shù)字量模擬量采集裝置是專門用于脈沖為計(jì)數(shù)單位的家庭用表的新型裝置，可以完成1～8路脈沖計(jì)量，同時(shí)可以采集1～8路模擬量，廣泛用于電能表集抄、水表計(jì)量及遠(yuǎn)抄、住宅抄表等場(chǎng)合。采集器裝置將三表賦以不同的數(shù)據(jù)頭字節(jié)，以區(qū)別不同用戶和水表、電表與氣表。在本系統(tǒng)中只采集了三路數(shù)據(jù)信息，根據(jù)需要可以擴(kuò)展到8路數(shù)據(jù)的采集。 

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控端

    遠(yuǎn)程監(jiān)控端是整個(gè)抄表系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)管理層，作為C/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端，所有用戶的三表數(shù)據(jù)信息都匯集到這里，管理人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)、處理和匯總分析，作出相應(yīng)的決策。遠(yuǎn)程監(jiān)控端通過(guò)串口與GPRS模塊連接，用戶的三表數(shù)據(jù)可以通過(guò)中國(guó)移動(dòng)通信的GPRS網(wǎng)絡(luò)直接數(shù)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控端。 

    應(yīng)用SQL Server2000建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)三表信息及歷史數(shù)據(jù)，并采用ADO技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立與數(shù)據(jù)源的連接，可遠(yuǎn)程設(shè)定抄表集中器和采集器內(nèi)的參數(shù)，設(shè)置預(yù)期的采集周期，實(shí)現(xiàn)三表等數(shù)據(jù)的日?qǐng)?bào)、月報(bào)，進(jìn)行費(fèi)用結(jié)算。 

    由于Visual Basic具有可拖放控件等功能，使用Visual Basic建立遠(yuǎn)程監(jiān)控端的圖形用戶界面，更便于普通家居用戶和物業(yè)管理人員查詢及監(jiān)控。 

    鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)與圖形用戶界面，物業(yè)管理人員可以對(duì)原始記錄進(jìn)行分析匯總，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，個(gè)人用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行三表等物業(yè)信息的查詢。 

    本文提出并初步實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式Linux和GPRS通信技術(shù)的三級(jí)架構(gòu)的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)了嵌入式手持終端，使用Qt設(shè)計(jì)出手持終端用戶界面，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表的自動(dòng)抄送，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)抄表的不足，增加了自動(dòng)抄表的靈活性。 

參考文獻(xiàn)

[1] 陳文華.嵌入式智能家居控制器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京工商大學(xué), 2005. 

[2] 余啟家,殷瑞祥.基于ARM 及GPRS 的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007，23（7-2）:119-121. 

[3] 魏洪興，胡亮，曲學(xué)樓.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教材II—基于ARM9微處理器與Linux操作系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2005. 

[4] SUMMERFIELD M. C++ GUI Qt 3編程[M].齊亮,譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006. 

[5] BATES R J.通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社, 2004. 

[6] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2000.