基于Web技術(shù)和嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：馮麗慧，陳愛國，張磊

現(xiàn)代城市中新建生活小區(qū)中的水、電、氣等設(shè)施通常是統(tǒng)一規(guī)劃、集中管理，而如何高效地進(jìn)行管理則充分體現(xiàn)了小區(qū)智能化程度的高低。國內(nèi)外陸續(xù)提出了一系列的解決方案，其中以建立在智能儀表上的自動抄表系統(tǒng)為關(guān)注的重點(diǎn)。隨著Internet和Intranet的快速發(fā)展和普及，Web技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，致使運(yùn)用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，已經(jīng)越來越多地成為設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)不可或缺的一部分。同樣，微電子技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個新領(lǐng)域，具有功能強(qiáng)、實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高和結(jié)構(gòu)小巧等優(yōu)點(diǎn)?；?a target="_blank">嵌入式Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)上又融合Web技術(shù)和嵌入式技術(shù)，可提供比傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更為強(qiáng)大的功能，將成為今后遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的主流方向。

1 基于Web服務(wù)器的自動抄表系統(tǒng)

1.1 抄表方式的分類

國內(nèi)外已開發(fā)出多種自動化抄表系統(tǒng)，按抄表方式的不同將它們大致分為3類：儲值卡（TM卡、IC卡或射頻卡）智能儀表抄表系統(tǒng)、無線電抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)傳智能儀表有線聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中多采用遠(yuǎn)傳有線聯(lián)網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)。這種抄表方式是將各種儀表的計(jì)量信息通過饋線傳送到一個數(shù)據(jù)集中采集器上，若干個數(shù)據(jù)集中采集器再相互連接組成一個局域網(wǎng)，然后在某個特定區(qū)域內(nèi)建立一個工作子站，通過子站中的Web服務(wù)器經(jīng)過網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)相連。自動抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文中通過在現(xiàn)場抄表器中嵌入Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及與遠(yuǎn)程主機(jī)的數(shù)據(jù)交互。抄表器通過嵌入式Web服務(wù)器可以直接連接到Internet上。由于嵌入式系統(tǒng)有著實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)小巧等特點(diǎn)，將它用于抄表系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：一個嵌入Web服務(wù)器的抄表器出現(xiàn)故障，不會影響到其他的現(xiàn)場抄表器的抄表，具有較好的可靠度和適應(yīng)性。

1.2 抄表器功能分析

本文是基于嵌入式Web服務(wù)器的自動抄表器的設(shè)計(jì)。該抄表器功能可分為2個部分：前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和通訊功能。

（1）前端數(shù)據(jù)采集：前端數(shù)據(jù)采集主要是抄表器通過RS 485讀取智能儀表數(shù)值的過程。

（2）數(shù)據(jù)存儲：采集到的數(shù)據(jù)要存儲在抄表器的非易失存儲器內(nèi)。

（3）通訊功能：嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧。它主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

①響應(yīng)瀏覽器的請求，解析瀏覽器提交的表單，讀出控制數(shù)據(jù)，將控制數(shù)據(jù)通過串口傳送到前端數(shù)據(jù)采集控制子系統(tǒng)，再根據(jù)從串口接收到的數(shù)據(jù)生成動態(tài)網(wǎng)頁返回給瀏覽器。也就是抄表器響應(yīng)上位機(jī)軟件的請求，將從串口接收到的數(shù)據(jù)按規(guī)定格式發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)再對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

②考慮到嵌入式Web服務(wù)器的資源有限，不可能用作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，所以必須在以太網(wǎng)或Internet上有一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用來存儲采樣數(shù)據(jù)，嵌入式Web服務(wù)器根據(jù)上位機(jī)的請求，將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或Internet傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

2 抄表器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體硬件設(shè)計(jì)

該抄表器選取Winbond（華邦）公司的8位單片機(jī)W78E516B作為整個抄表器的主芯片，并配以簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)抄表器的以下功能。因?yàn)橐獙CP／IP協(xié)議嵌入到單片機(jī)中，使用網(wǎng)卡芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，需要選用有較大的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間的芯片，所以采用Winbond（華邦）公司的8位單片機(jī)W78E516B，它自帶64 kB的FLASH ROM，256 B的RAM和256 B XRAM，免去了外部擴(kuò)展程序存儲器的麻煩。抄表器硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2.2 主要外圍電路設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)存儲器：為了有較大的數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放接收的和發(fā)送的數(shù)據(jù)包，需要外部擴(kuò)展32 kB的SRAM，這樣可提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度，并處理復(fù)雜的TCP／IP。同時外部的RAM也用做串行口的輸入輸出緩沖。所以本設(shè)計(jì)采用HY62256。

（2）非易失存儲器：在程序中用來存儲嵌入式Web系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置（IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、物理地址、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器IP地址）和數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置（采樣間隔、采樣通道、數(shù)據(jù)被送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的時間間隔）等。本設(shè)計(jì)采用的X5045是8管腳的非易失性存儲器，內(nèi)部集成4 kb的可用存儲區(qū)間，具有看門狗的功能。使用SPI總線與單片機(jī)連接。

（3）以太網(wǎng)控制器：為了完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，本設(shè)計(jì)選用的以太網(wǎng)控制器為RTL8019AS，單片機(jī)通過RTL8019AS連接入以太網(wǎng)，并且選用脈沖變壓器20F001N，用來對網(wǎng)絡(luò)上的脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波。RJ45接口用來連接網(wǎng)絡(luò)，可直接連接到HUB。

（4）數(shù)據(jù)采集端通訊接口：采用RS 485總線，采用半雙工通信來實(shí)現(xiàn)通信。

3 軟件設(shè)計(jì)部分

整個下位機(jī)采集系統(tǒng)其實(shí)是一個多機(jī)通信系統(tǒng)，為了避免總線沖突，小區(qū)抄表器與智能儀表之間采用主從式通信。主機(jī)發(fā)送的信息傳送到各個從機(jī)或指定從機(jī)，而各個從機(jī)發(fā)送的信息只能發(fā)送給主機(jī)。在主機(jī)發(fā)送命令后，從機(jī)將對接收到的命令幀的地址代碼進(jìn)行判斷，只有當(dāng)命令幀中的地址代碼與本機(jī)地址一致時，從機(jī)才接收命令幀，并對命令幀進(jìn)行報(bào)頭、報(bào)文長度、累加和和報(bào)尾等校驗(yàn)，所有校驗(yàn)通過，從機(jī)才根據(jù)具體的命令代碼向主機(jī)發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答幀。同理，主機(jī)接收到從機(jī)的應(yīng)答幀后也作相應(yīng)的校驗(yàn)來決定是否向從機(jī)重發(fā)命令幀，以保證主機(jī)與從機(jī)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性。抄表系統(tǒng)軟件部分如圖3所示。

4 結(jié) 語

本文討論內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議棧抄表器的設(shè)計(jì)。并對其相應(yīng)的自動抄表系統(tǒng)進(jìn)行了簡介，與傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)更清晰、組網(wǎng)更簡潔，可降低抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和管理成本。

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