具有远程管理和报警功能的智能水表系统

何璋函 周金治

摘 要目前国内为解决上门抄表与收费难、工作量大的问题，最适宜采用的水表应该是预付费的智能水表。该系统采用MSP430F169单片机作为主芯片，处理采集到的数据及发送关断与开启水阀信号，并用到网络芯片CS8900A与服务器通信，共同实现预先收费-欠费断水的功能。其包含网络通信模块、串口通信模块、本地显示模块和流量检测模块等，具有网络充值、余额不足及断水短信提示、自动供水断水、按键查询、本地显示等功能。

【关键词】智能水表系统 以太网 GSM MSP430F169 TCP/IP

智能水表是近年来以自动控制技术和信息网络技术为支撑，以信息化管理需求为依托而发展起来的高新技术产品，占有很大的市场量。但是发展近20年，在应用方面，故障率偏高，严重影响水费回收，处于尴尬局面。而造成这种被动局面主要因素是产品技术不过关、性能不稳定。

从目前的国情来看，智能卡水表仍将在未来几十年中，占智能水表行业的主流。然而智能卡水表存在抗攻击干扰难题。随着互联网技术的成熟发展，远传水表将成为今后水表发展的主要方向，是抄表方式向信息化、数字化、自动化方向发展的重要手段。

本文做的是有线远传，采用总线方式，将各户的远传线路并接在一起，通过地址扫描，实现抄表。做到了网络化的远传水表和集中管理模式且具有短信报警功能，为用户提供方便。

1 系统总体设计

本系统包括两部分，用户水表和用水管理中心。用户水表利用德州仪器（TI）公司超低耗单片机MSP430F169作为主控芯片，其包括电源、时钟、按键、显示、水阀控制、短信报警、以太网控制、模拟水流采样等部分，实现了水流量采集以及数据的存储与处理功能，另外在MSP430单片机程序中实现TCP/IP协议，用以太网控制芯片CS8900实现网络接口，使嵌入式系统接入因特网与用户管理中心通信，接收用水单价数据及系统时间，发送用户用水量及余额等。水表主芯片通过串口MAX232向GSM模块传送AT指令，实现短消息业务，向用户发出提示短信。用水管理中心是基于Delphi技术和Access数据库的设计，通过以太网与水表建立联系，实现远程抄表与集中管理。

2 硬件及软件设计

2.1 模拟水流采样设计

模拟水流采样电路主要由51单片机控制，通过其内部定时器使某一个端口交替地出现高低电平，产生模拟水流脉冲，由51单片机计数，用段式LED显示脉冲频率和累计脉冲数，检测水表计量。

2.2 MSP430 F169单片机的软硬件设计

MSP430F169是16位的超低功耗单片机，工作电压为1.8～3.6V，内部有64KB的FLASH存储器和2KB的RAM，有足够的空间存储程序和用户数据信息，外接8MHz的主频时钟以及32KHz的低速时钟以满足不同的功耗应用。总体流程图如图2。

各部分设计如下：

2.2.1 水流采集部分

选择开启MSP430F169单片机具有捕获功能的端口采集51单片机发出的模拟水流脉冲。

2.2.2 液晶显示部分

选用的是JDL12864G，内置128个16×8点阵字符，显示汉字，方便用户阅读。利用MSP430F169单片机中具有中断功能的4个端口作为按键查询接口，下降沿触发，进入中断后，对用户数据更新再显示，四个按键对应显示日用水量、月用水量、剩余水量及系统时间。

2.2.3 水阀控制部分

当检测到余额已不足最小计价单位时，将MEP430F169单片机的一个引脚置低控制51不产生脉冲信号，用户充值后再将其置高。

2.2.4 短信提示部分

即串口通信部分，是MSP430F169单片机的串口接收引脚URXD和发送引脚UTXD通过MAX232进行电平转换后与西门子TC3系列的TC35i的GSM[模块连接。利用RS232协议向GSM模块传送标准的AT命令，最终向用户发送提示短信，方便用户了解用水情况。

2.2.5 网络接口转换部分

硬件，采用16位的以太网控制器CS8900A。该控制器集成度高，与主控芯片接口简单。本系统选择8位I/O工作模式。其16个寄存器通过4根地址线和2根控制线对其进行读写控制。在控制器与终端设备接口RJ45之间接入通信网络变压器20F-01R，起阻抗匹配和高电压隔离等作用。软件，主要是驱动CS8900A，以函数的形式给其它模块提供读写其寄存器的接口、产生读写时钟等。系统上电后，先对CS8900A进行初始化配置，接着MSP430F169单片机把本机的MAC地址以配置序列字的形式发给CS8900A，CS8900A把MAC地址存储在寄存器中。完成配置后，MSP430F169单片机便可以对CS8900A进行数据读写。

2.2.6 TCP/IP协议部分

16位的MSP430F169单片机构建的嵌入式系统，处理能力和资源都十分有限，通常不能运行操作系统。因此要对标准的TCP/IP协议进行简化，构建一套通信可靠、功能相对完善的微型TCP/IP协议栈。根据TCP/IP协议不同层次特点，需要实现的各层协议如表1。

TCP/IP模块定义了网络用来收发数据的各种协议，使用CS8900A所提供的各种读写函数来发送和接收数据，同时为上层应用程序提供简单易用的API接口函数。其中，最重要的函数是DoNetworkStuff（），该函数主要是处理网络和TCP事件，周期性地被用户程序调用，而且调用越频繁越好。另外调用函数TCPPassiveOpen（）或TCPActiveOpen（）建立网络通信连接。当接收机接收到数据后，返回一个接收正确信号。当发送机在超过设定时间后仍未收到接收正确信号时，TCP/IP模块自动进行数据包重发。当数据发送完毕，可以通过函数TCPClose（）关闭连接。

2.3 用水管理中心服务器模块设计

用水管理中心服务器是基于Delphi7和Access数据库设计的，结构简单易操作。在服务器端及水表客户端，可以实现服务器IP地址及通讯端口的设置。服务器端设定计算机的4025端口作为通信端口，ServerSocket组件是通信的响应方，监听及被动接收水表客服端的请求，并进行回复。后台采用Access数据库，存储用户基本信息和充值信息。

根据用水管理中心管理用户的需要，分为四大功能模块，其功能模块示意图如图3。

3 结论

水表中MSP430F169主芯片采集51单片机发出的脉冲并存储，进行数据处理，通过按键查询，LCD显示用户当日、当月、剩余用水量及时间。当用户余额不足系统设定值时，向用户发送报警短信，提示充值。当用户余额用完，水表自动发送关断水阀的信号，同时也会发送报警短信，提示已停水。用水管中心服务器，通过Internet建立用户和水厂的信息交互，并存储用户一年的用水信息，可对用户进行集中管理。

本文在MSP430F169单片机中嵌入了精简的TCP/IP协议，采用C/S模式，实现远程抄表、集中管理用户信息等功能。其功耗低、实用性强，对用户水表进行实时监控，还实现了水流量测试和对历史数据的掉电存储功能。

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作者简介

何璋函（1993-），男，现为成都信息工程大学电子工程学院大学本科在读学生。主要研究方向为信息与控制技术。

通讯作者简介

周金治（1971-），男，硕士学位。现在供职于西南科技大学信息工程学院。主要研究方向为计算机网络与物联网技术。

作者单位

1.成都信息工程大学电子工程学院 四川省成都市 610225

2.西南科技大学信息工程学院 四川省绵阳市 621010