秦 飛， 趙建平， 張景順

（曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165）

0 引言

據(jù)今年6月24日人民日報報導(dǎo)，我國城鎮(zhèn)建筑僅23%節(jié)能，北方供熱計(jì)量改革滯后。《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》中明確指出：新建建筑嚴(yán)格執(zhí)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，提高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行率。推進(jìn)北方采暖地區(qū)既有建筑供熱計(jì)量和節(jié)能改造，實(shí)施“節(jié)能暖房”工程，改造供熱老舊管網(wǎng)，實(shí)行供熱計(jì)量收費(fèi)和能耗定額管理。隨著我國能源政策日益完善，推廣和實(shí)行分室控溫和分戶熱計(jì)量已勢在必行。

傳統(tǒng)的城市供暖抄表系統(tǒng)存在著入戶難、實(shí)時性差、隱患多等問題，無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)以其可靠性高、成本低、易實(shí)現(xiàn)、易普及等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到社會各界的青睞。

整個無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)主要由熱量數(shù)據(jù)采集模塊、路由模塊及中繼站模塊組成。每個用戶通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)熱量數(shù)據(jù)的采集，然后通過路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)管理以保證終端數(shù)據(jù)能夠順暢地傳送到中繼站，最后通過中繼站完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及發(fā)送。設(shè)計(jì)的無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼站，采取多個居民樓共用一個GPRS[1]模塊的方法，解決了傳統(tǒng)無線抄表系統(tǒng)[2]中每個數(shù)據(jù)采集模塊必須配置一個 GPRS模塊的缺點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的成本，促進(jìn)了無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的推廣。同時，選取高性能的S3C6410芯片作為中繼站的處理器，使整個系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)時性和更高的可靠性。

1 中繼站設(shè)計(jì)分析

傳統(tǒng)的中繼站采用遠(yuǎn)程測控終端[3]，鑒于其設(shè)計(jì)靈活、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在電力[4]、煤炭、鋼鐵、石化[5]等大中型企業(yè)及城市供熱、供氣、供水等行業(yè)。

通過短距離無線收發(fā)模塊匯集不同居民樓的熱量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中繼站。在中繼站處理過程中，一方面將處理后的數(shù)據(jù)臨時存儲在Nand Flash芯片中，另一方面通過GPRS模塊遠(yuǎn)程傳送至數(shù)據(jù)管理中心?？紤]中繼站對實(shí)時性的要求，系統(tǒng)選用高速、低功耗、高性能的ARM11芯片S3C6410[6]作為微處理器。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了保證整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的同步性，中繼站會定時向用戶的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送校時命令。由于選取一個中央數(shù)據(jù)中繼站服務(wù)多個居民樓的方式，為保證同一個數(shù)據(jù)中繼站下的傳感器的數(shù)據(jù)能夠可靠的上傳，系統(tǒng)應(yīng)用信道時分復(fù)用的設(shè)計(jì)思想，防止信道阻塞。

2 中繼站硬件設(shè)計(jì)

無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼站主要有3個部分組成：中繼站數(shù)據(jù)處理模塊、短距離無線數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 中繼站數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

中繼站數(shù)據(jù)處理模塊選用S3C6410作為核心處理器，既滿足中繼站的實(shí)時性要求，又保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

S3C6410是SAMSUNG 公司基于ARM1176的16/32位的高性能低功耗的RSIC通用微處理器，下面對基于S3C6410的數(shù)據(jù)處理模塊的相關(guān)電路進(jìn)行簡要分析。

1）晶振與實(shí)時時鐘。S3C6410采用12 MHz的無源晶體作為系統(tǒng)的時鐘源，經(jīng)內(nèi)部PLL電路可產(chǎn)生適合CPU工作的時鐘信號，選用32.768 kHz的晶振作為實(shí)時時鐘的時鐘源。本系統(tǒng)使用看門狗復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一個不可預(yù)測的軟件錯誤時，硬件模塊監(jiān)控內(nèi)部硬件狀態(tài)，同時產(chǎn)生復(fù)位信號來脫離該狀態(tài)。

2）JTAG電路。本系統(tǒng)通過JTAG接口燒寫程序，調(diào)試用到了XTCK、XTMS、XTDI、XTDO 和XTRSTn 這幾個引腳。

3）Nand Flash。系統(tǒng)采用容量 256MBytes的Nand Flash芯片K9F2G08，來運(yùn)行程序和存儲臨時數(shù)據(jù)。通信雙方需要定義好數(shù)據(jù)通信協(xié)議的格式，一般需要包含數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)尾等信息。分析可知，用戶記錄一次溫度、網(wǎng)絡(luò)地址、同步時間的數(shù)據(jù)量為32Bytes，其中發(fā)送熱量數(shù)據(jù)包的格式如表1所示。假設(shè)一個中繼站負(fù)責(zé)4棟6層4個單元用戶數(shù)據(jù)的管理，按每十分鐘采集一次數(shù)據(jù)計(jì)算，每天需要占用約900 KBytes的Flash空間。因此，Nand Flash約用135 MBytes來臨時存儲數(shù)據(jù)，可以保證整個冬季熱暖數(shù)據(jù)的存儲。

表1 數(shù)據(jù)包格式

2.2 無線數(shù)傳模塊的電路設(shè)計(jì)

選用微功率的KYL-1020U作為無線數(shù)傳模塊。KYL-1020U體積小，功耗低，穩(wěn)定性及可靠性極高，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1 000 m，可以保證居民樓間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。無線模塊與 S3C6410的接口電路如圖2所示。采用串口1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，引腳TR_CON為無線數(shù)傳模塊的使能端。

圖2 無線模塊電路

通過設(shè)置不同的無線模塊通信頻率來防止傳感器與中繼站間的通信信道出現(xiàn)混亂，傳感器與其對應(yīng)的中繼站設(shè)置相同的通信頻率[7]。S3C6410根據(jù)撥碼開關(guān)設(shè)置的相應(yīng)數(shù)據(jù)位的高低電平，確定中繼站的信道號。撥碼開關(guān)接口的高、低電平，分別代表1、0信息。S3C6410根據(jù)信道號設(shè)置無線模塊的通信頻率。

2.3 GPRS模塊的電路設(shè)計(jì)

GPRS模塊采用宏電公司生產(chǎn)的 H7210 GPRS DTU，適用于點(diǎn)對點(diǎn)、中心對多點(diǎn)等數(shù)據(jù)的傳輸，支持最高115200的串口波特率，通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與S3C6410的串口連接。GPRS模塊采用串口2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口電路如圖3所示。

圖3 GPRS模塊電路

2.4 電源模塊的電路設(shè)計(jì)

S3C6410需要1.8 V內(nèi)核電源和3.3 V功能外設(shè)電源雙電源供電。短距離無線模塊、MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片均需要3.3 V直流電源供電。正常情況下，交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后變換為合適的直流電后為各模塊供電。若意外停電，則由12 V后備蓄電池供電，交流電恢復(fù)正常后為蓄電池充電。為了節(jié)能降耗，采用 TI的最新 DC/DC開關(guān)電源TPS5430DDA實(shí)現(xiàn)。

3 中繼站的軟件設(shè)計(jì)

中繼站的軟件程序在ARM RealView MDK開發(fā)環(huán)境下編寫，通過調(diào)試器進(jìn)行仿真調(diào)試無誤后，利用JTAG仿真器將可執(zhí)行程序下載到S3C6410芯片中。

3.1 中繼站軟件結(jié)構(gòu)

中繼站軟件從功能上可分為3大部分，分別為數(shù)據(jù)處理模塊、無線數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3.2 程序流程圖

下面圍繞數(shù)據(jù)處理、無線數(shù)據(jù)采集、GPRS數(shù)據(jù)傳輸這3個功能進(jìn)行具體的軟件設(shè)計(jì)，流程圖如圖4所示。

1）主程序流程圖（見圖 4(a)）。主程序除了要完成對 I/O口、串口、實(shí)時時鐘、中斷、看門狗等基本初始化工作外，還要計(jì)算存儲器中數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送指針，保障數(shù)據(jù)的正確存儲和發(fā)送。為了保證數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時性，系統(tǒng)采取用戶主動發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。中繼站定時向用戶發(fā)送校時命令，來保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的同步性。

2）無線數(shù)據(jù)采集程序流程圖（見圖 4(b)）。接收的命令包括記錄數(shù)據(jù)、校時和通道檢查，執(zhí)行完每個命令后，都要發(fā)送一個應(yīng)答信號。記錄數(shù)據(jù)后，要修改數(shù)據(jù)存儲指針，以便下一組數(shù)據(jù)存儲到正確的地址空間。

3）GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊程序流程圖（見圖4(c)）。中斷發(fā)生后，先對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后根據(jù)接收到的不同指令執(zhí)行不同的操作，每種操作完成后均要返回應(yīng)答。

圖4 中繼站程序流程

4 中繼站系統(tǒng)的調(diào)試

圍繞中繼站的具體功能，從以下兩個方面進(jìn)行調(diào)試。

1）讀取Nand Flash中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過短距離無線數(shù)傳模塊發(fā)送00～ff數(shù)據(jù)信息，接收到數(shù)據(jù)后存儲在芯片K9F2G08中，然后從K9F2G08讀出數(shù)據(jù)，從而判斷是否能正確的接收發(fā)送的數(shù)據(jù)，以下是調(diào)試過程和結(jié)果。

[root@S3C6410 /]# Flash –r

Open /dev/Flash/0 with 8bit mode

Reading 256 bytes in K9F2G08 from 0x0 0000: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f

0010: 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f

0020: 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2a 2b 2c 2d 2e 2f

0030: 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 3a 3b 3c 3d 3e 3f

0040: 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f

0050: 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 5a 5b 5c 5d 5e 5f

0060: 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f

…

2）利用GPRS模塊發(fā)送短信息。通過GPRS模塊發(fā)送短信息，驗(yàn)證遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心能否接收到中繼站的熱暖數(shù)據(jù)。檢查相應(yīng)的程序無誤后，在超級終端中演示如下：首先選擇波特率為9.6kbps，連接完成后設(shè)定模塊為text字符工作模式，接著輸入接收短信息的手機(jī)號，最后輸入要發(fā)送的內(nèi)容，以下是調(diào)試過程和結(jié)果。

[root@S3C6410 /]# GPRStest

GPRS Modem Communication Test Example

May 1 2010 16:20:55

0 --- 1200

1 --- 2400

2 --- 4800

3 --- 9600

Baud rate select for GPRS modem: 3

AT command >AT

OK

AT+CMGF=1

OK

AT+CMGF=13792395940

> Hello. Welcome to GPRS test!

+CMGF: 206

OK

5 結(jié)語

基于S3C6410的無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼站，綜合考慮了短距離無線傳輸和GPRS技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了短距離與長距離無線通信[8]的完美結(jié)合，大大降低了系統(tǒng)成本，為無線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的推廣提供了一定的技術(shù)支持。整個系統(tǒng)的實(shí)時性好、工作可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)的中繼站還有待于擴(kuò)展一些新的功能，以充分發(fā)揮S3C6410處理器的最大潛能。

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[3] 劉振華.嵌入式遠(yuǎn)程測控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].湖北:華中科技大學(xué),2011.

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[6] 陳安全,周安棟,羅勇,等.基于ARM11的通信設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測終端設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2012,45(06):128-129.

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