基于WLAN的智能抄表系统

摘要：针对当前抄表系统的不足，提出了一种基于WLAN无线网络技术和4G无线网络相结合的远程无线抄表方法，

此方法的采用一方面节省了通信线路的建设费用。又能够将采集到的数据信息及时准确的传输到后台处理中心。

关键词：WLAN 无线网络 远程抄表

中图分类号：TN925.93 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0106-02

在传统的电能管理中，使用的是人工抄表方式，即每月定期抄表，然后手工输入计算机，再进行核算和收费的模式。这种人工抄表会耗费大量的人力、物力与财力。在传统抄表模式下，仍存在抄表周期长，用户用电量无法及时读取等问题，给电力管理部门分析用电情况带来很大的困难。

自动抄表系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作效率和抄表数据的准确性。本文提出了一种基于WLAN无线网络[2]和4G无线公网技术的无线抄表系统解决方案。此方案不仅能满足远程自动抄表系统的迫切需要, 还能促进抄表系统自动化的发展，而且在科研上提出了一种新的设计思想，即将WLAN无线网络和4G无线公网通信技术结合在一起[3]。

1、方案总体设计

基于WLAN无线网络的智能抄表系统的网络部分共分为两部分，一部分是负责上行通信4G无线公网；另一部分是负责下行通信的WLAN无线局域网。上行通信网络主要负责集中器与后台服务器之间的通信；下行通信主要负责集中器和数据采集器的通信。如图1所示，基于WLAN无线网络的智能抄表系统框图。

系统包含若干采集器及一个集中器。通过在小区内加装数据采集器和集中器即可实现无线抄表，通信时的数据格式遵循相关的规约[4]。系统在预先设定的时间或通过直接下达抄表指令读取计量表的计量数据，经4G网络传送至数据管理中心，无需人工干预，从而节省了大量的人力物力。

2、系统硬件设计

系统硬件设计主要有两部分组成，集中器的设计和数据采集器的设计。

2.1 集中器硬件设计

集中器是整个系统的数据传输枢纽，是数据上行通信和下行通信的传输桥梁。集中器以无线方式与数据采集器进行通信，向数据采集器发送地址和数据采集命令，汇聚采集器的数据；接收数据管理中心的指令，对采集的数据进行处理，并将采集的数据通过4G网络上传至数据管理中心。集中器的硬件主要包括CPU处理单元、数据存储单元、电源单元、WLAN无线通信单元、4G无线通信单元、报警单元、通信接口单元和人机交互单元等。

2.1.1 CPU处理单元

CPU处理单元采用Atmel公司生产的AT91RM9200芯片，该部分是整个集中器的核心控制部分，运行集中器的操作系统及应用软件，完成数据汇聚、处理、转发控制以及状态巡检等功能，该处理器具有较强的运算能力和丰富的片上资源，最高工作频率可达到180MHz。

2.1.2 数据存储单元

存储单元有2个部分：SDRAM和FLASH。采用2块容量为32MB、16根数据线的SDRAM，2块芯片并行组成32位，直接与微处理器相连，用以运行程序；FLASH采用64MB Nand Flash，存储操作系统、程序和数据。

2.1.3 电源单元

本系统可直接接市电AC220V，经过内部转换可输出+3.3V、+5V和+12V。

2.1.4 WLAN无线单元

WLAN无线单元采用Si4432作为射频收发芯片，工作在半双工状态，射频处理器采用低功耗、低成本芯片STM32F103，二者通过SPI进行数据通信。

2.1.5 4G通信单元

4G是以正交频分复用技术为核心。其最大数据传输速率达到100Mbit/s。OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。本方案中，4G网络主要是集中器和后台服务器的数据通信桥梁。

2.2 数据采集器的设计

数据采集器主要由电表和无线传输单元构成，电表负责计量用户用电量，无线单元负责集中器和电表的数据传输。

无线传输单元与电表之间通信完全符合电表645通信规约。数据采集器主要包括CPU处理单元、数据存储单元、射频通信单元、电源单元和通信接口单元。

2.2.1 CPU处理单元

CPU处理单元是采集器的控制核心，完成对计量表的数据采集。系统采用ST公司生产的STM32F103的32为CPU，具有128Kb 的Flash，20Kb 的SRAM，工作频率最高能够达到72MHz，具有低功耗模式，片内集成多种频率的RC振荡器，具有上电自动复位、看门狗、启动延时等功能。

2.2.2 数据存储单元

数据存储单元采用M25P10-A Flash存储芯片，与处理器之间通过SPI总线连接。在抄表过程中，无论是读取速度还是存储容量，还是在低功耗方面都满足现场的需要。

2.2.3 射频通信单元

射频通信部分采用基于WLAN无线通信协议的单元。该单元与集中器中的WLAN无线单元采用同一款型号。参照2.1.4。

3、软件设计

系统软件设计包括两部分：数据采集软件和集中器软件，用C编写。

3.1 采集器软件设计

系统上电后，首先对硬件进行初始化，并进行相关的参数配置及注册，之后根据集中器的命令来完成对应的操作。如图2所示，采集器工作PAD图。

3.2 集中器软件设计

集中器的设计由操作系统和应用软件组成。操作系统采用开原的嵌入式Linux操作系统。应用软件部分用户可以根据实际需要编写设备驱动，为主程序提供接口。通过对API函数的调用，从而实现数据聚合、处理、信息转发、采集器注册、集中器状态巡检等功能。

3.2.1 上行单元

上行单元主要通过4G网络汇集数据发送至数据管理中心，同时收来自数据管理中心的指令，完成相关操作。数据上传根据管理中心的指令实时传送。

3.2.2 下行单元

下行单元主要实现集中器和采集器之间的通信。系统启动后，首先处理数据采集器的注册请求，完成注册后，会送注册成功信息；然后启动定时器，周期性的发送心跳信号，对数据采集器进行状态巡检；按照预先设定好的时间或按数据管理中心的指令下达抄表命令。

3.2.3 数据单元

对抄表数据进行处理，分析当前各集中器的计量数据特点，根据数据采集器会送的状态信息，评估集中器信号覆盖范围内各个数据采集器的状态，生成报表，并将结果上报数据管理中心。

4、结语

本文提出的无线抄表系统将短距离无线通信技术和4G无线通信技术结合起来，实现远程集中抄表，数据采集器和集中器以无线方式通信，集中器和后台服务器之间也通过无线方式，无需布线，布置灵活，可随时增加节点，扩大网络规模。利用480MHz国家专用抄表频段，实现数据的汇聚，抄表范围大，干扰小，可靠性高。集中器汇聚过来的数据通过4G网络转发，数据传速度快，实时性好。通过实际应用测试，取得了预期的效果，有较大的商业应用前景。

参考文献

[1]黄祖华,郭华.远程自动抄表系统的现状及发展趋势[J].浙江建筑,2006,23(5):69-71.

[2]梁炜，张晓玲.WLAN-PA:用于过程自动化的工业无线网络系统与通信规范[J].仪器仪表标准化与计量,2009(2):30～36.

[3]王勃,李佳.无线传感器网络概述[J].技术与市场,2008(12):10-12.

[4]多功能电能表通信规约.DL/T645-1997.

作者简介

冯本勇，男，1975年出生，硕士研究生，研究方向无线传感器网络、智能控制。