基于G S M的无线智能抄表系统

陈 饶，丁绪星，冯友宏

（安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000）

随着电力市场的发展，尤其是小区﹑学校以及企事业等单位的不断增加，人工抄表显得十分繁琐，而基于无线传感器网络的抄表系统又由于其昂贵的费用而得不到广泛的应用[1]。为解决抄表的问题，本文设计的基于GSM的无线智能抄表系统，充分利用了GSM网络覆盖面广﹑抗干扰能力强等特点，不但解决了人工抄表的效率低和实时性差的问题，而且大大降低了抄表过程中的通信费用。

1 基于GSM的抄表系统的结构

基于GSM的抄表系统由上位机﹑下位机和智能表三部分组成[2]，如图1所示。上位机通过MAX202控制G100短信模块与各下位机进行通信，下位机中的单片机STC12C2052AD通过RS-485与智能表模块进行通信，采集电表中存储的数据，然后再通过G100短信模块以短消息的形式将数据发回给上位机管理系统，最后在上位机管理软件上显示抄表数据[3]。

图1 基于GSM网络的智能抄表系统

2 上位机管理系统

上位机管理系统包括上位机和G100短信模块。上位机通过采用VC++编程的上位机管理软件发出控制指令，再利用G100短信通信模块将指令以短消息的形式发送给指定的下位机，同时，G100短信模块还可以接收下位机通信模块回馈的抄表信息，将抄表数据显示在上位机上。上位机发出的控制指令包括抄表﹑购电﹑巡检﹑报警设置﹑读电表状态﹑数据清零﹑送电和断电，让系统管理员可以有效控制每个电表的工作状态[4]。上位机管理软件监控界面如图2所示。

图2 上位机管理软件监控界面

3 下位机系统结构

3.1 下位机总体硬件结构

下位机的硬件由 STC12C2052AD﹑G100﹑74HC4053D﹑VP3082和EL817等构成[5]。当管理中心发送一条控制指令给下位机的时候，下位机通信模块的信号灯会出现闪烁，并将接收到的指令送入MCU，MCU再处理读入的指令数据，根据相应的指令通过RS-485接口读取智能表的数据，并将数据返回给上位机管理系统[6]。这样，系统管理员无需出门，就可以在上位机管理中心得到所想要的数据，且整个过程耗时不足10 s，具有高效性和实时性。G100模块和下位机之间通过EL817隔离，可以有效避免电路中的干扰。硬件电路原理如图3所示。

3.2 单片机结构和性能

下位机系统选用的单片机是宏晶科技生产的STC12C2052AD，相比8051单片机，其速度要快12倍。使用低频晶振，工作频率35 MHz相当于8051单片机420 MHz的工作频率，可以大幅度降低 EMI，具有加密型强、无法解密、抗干扰性强和超低功耗等优点。单片机采用全双工异步串行口和先进的RISC精简指令集结构，且兼容普通8051指令集。此外，它具有5 KB片内Flash程序存储器，擦写次数在10万次以上。

3.3 GSM模块功能介绍

下位机和上位机通信用的GSM模块为北京捷麦公司生产的G100短信模块，相比其他通信模块，G100模块具有以下优点：

（1）不必关心AT指令集，所有与 AT有关的操作均有模块内部完成；

（2）具有格式和透明传输两种数据传输方式；

（3）完全独立开发，在使用或客户二次开发的过程中能提供良好的技术支持；

（4）支持总线式的被动传输数据方式；

（5）具有省电和正常两种工作方式；

（6）具有4 B密码，可使模块免受广告和通知等数据干扰。

图3 下位机硬件原理图

G100模块自带RS232﹑RS485和TTL3种接口，可以方便地与PC机和单片机进行连机通信，可以快速﹑安全﹑可靠地实现系统方案中的短消息服务。工作电压范

4 网络系统测试

在Eclipse编程环境下，结合MYSQL数据库，利用JAVA程序设计语言开发ZigBee温湿度监控终端。通过该监控终端可以方便地观察ZigBee无线网络的实时状态，包括节点的温湿度值、发送成功率、网络连接状态、节点的剩余电量以及信号强度（RSSI）等。

为了测试系统的性能，搭建实验环境如下：采用10个ZigBee节点，包括1个协调器、2个路由节点和7个带传感器的终端节点。将协调器放在监控室，房间3和房间6放置路由节点，其他7个房间各放置一个终端节点以及一个数字温湿度计。

在同一时刻将布设有终端节点的房间的温湿度计实测值和监控软件所显示的数据记录在表2。

表2 数据记录结果

由表2可以看出，基于ZigBee无线传感网络的温湿度监控系统具有较高的精确度，其温度最大误差不超过0.7℃，相对湿度最大误差不超过 5%RH。

整个系统以CC2530无线收发芯片为核心，利用SHT10温湿度传感器现场采集数据，并通过ZigBee无线网络在监控终端上实现了对温湿度的实时显示和控制。同时，以低成本、低功耗和易封装为目的设计硬件节点。基于ZigBee技术的温湿度监控系统可长时间连续稳定工作，精确度高且实时性好，适用于生产生活中各温湿度监控场合，具有很好的应用价值。

[1]FLOWERS D， OTTEN K， RAIBHARTI N， et al.AN965 microchip sack for the ZigBeeTM protocol[EB/OL].http：//www.microchip.com.（2006-02-16） [2009-8-28].

[2]戴善溪，张效民.基于ZigBee技术的数字式温湿度监测网络设计[J].国外电子测量技术，2010，29（2）：47-49.

[3]美国德州仪器半导体公司.CC2530技术手册[Z].达拉斯城：TEXAS INSTRUMENTS，2010.

[4]瑞士盛世瑞恩传感器公司.SHT10技术手册[Z].苏黎世：Sensirion Sensor Company，2009.

[5]美国德州仪器半导体公司.TPS 780300250DRVR技术手册[Z].达拉斯城： TEXAS INSTRUMENTS，2010.

[6]李银华，姬光锋.基于ZigBee技术的烟叶仓库温湿度监控系统[J].仪表技术与传感器，2009（5）：113-114.

[7]李邦祥，王忠锋，于海斌.ZigBee协议网络层的设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（4）：41-42.

[8]刘世安，彭小娟.基于ZigBee协议的无线温温度监测系统设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011，7（1）：59-60.