1 方案介紹

    隨著社會發(fā)展，科技的進步，現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展也是突飛猛進；它們的結(jié)合又演化出許多新的通信方式和通信系統(tǒng)，從而滿足了工業(yè)自動化、家庭自動化越來越高的數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控等要求。嵌入式系統(tǒng)將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領(lǐng)域占有70％以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河的Vxworks之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因為其高實時性和高可靠性。 此類系統(tǒng)通常包括信號采集、處理、傳輸?shù)然締卧?，結(jié)構(gòu)方案如圖l所示。

    1．1 信號采集

    數(shù)據(jù)采集器主要完成對儀表數(shù)據(jù)的檢測和初步處理及傳輸，而檢測手段很大程度上取決于檢測對象的特性。抄表系統(tǒng)對信號的檢測是面臨的首要問題。對于數(shù)字式智能儀表可以直接讀其存儲單元的數(shù)據(jù)，也可將其運用在指針式儀表的讀數(shù)識別中。

    1．2 通信介質(zhì)

    目前實際應(yīng)用的遠程抄表系統(tǒng)大多采用兩級數(shù)據(jù)匯集結(jié)構(gòu)，即儀表到采集器、采集器到集中器為級，集中器到中央處理站為第二級。其中，級為數(shù)據(jù)傳輸量不大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段，故常采用無線射頻、低壓電力線載波、RS485總線等方式；第二階段則可采用光纜，電纜，租用電信專線DDN(Digital Data Network，數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng))，專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，CDPD(Cellular Digital Packet Data，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù))、GSM(Global System for Mobile Communieafione，移動通信系統(tǒng))／GPRS(Geneml Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù))、CDMA(Code Division MultipleAccess，碼分多址)、3G等公用網(wǎng)信息平臺。對于通信介質(zhì)的選擇主要取決于信息量、實時性等相關(guān)技術(shù)指標。

    1．3 通信接口

    遠程抄表系統(tǒng)的中央處理站采用數(shù)據(jù)匯集器與服務(wù)器相連，此時匯集器只是作為一個外圍設(shè)備，故可采用串行口、USB、以太網(wǎng)接口進行通信。而客戶可通過Web實現(xiàn)對服務(wù)器上數(shù)據(jù)的訪問。在此，數(shù)據(jù)匯集器的引入增強了系統(tǒng)的兼容性與可擴展性，當?shù)诙A段傳輸模式等發(fā)生變化時不會對服務(wù)器軟件硬件產(chǎn)生變更問題。

    2 技術(shù)論證

    2．1 光電傳感器

    光電傳感器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣。光電傳感器將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到光線的強弱或有無對目標物體進行探測。因此，通過采集對應(yīng)的脈沖數(shù)來達到檢測的目的。

    2．2 數(shù)字圈像處理

    數(shù)字圖像處理技術(shù)是將計算機、數(shù)字圖像輸人輸出硬件、圖像處理軟件等相結(jié)合組成圖像處理 的系統(tǒng)，并對所捕獲的圖像進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換、存儲、 編輯、傳送和使用的技術(shù)。
    數(shù)字圖像處理技術(shù)在指針式儀表讀數(shù)識別中的應(yīng)用，就是把被測量轉(zhuǎn)換為指針在表盤上的角位移，以此獲取被測量的大小。過程如下：⑴利用攝像頭獲取儀表圖像，通過圖像采集卡將圖像數(shù)字化后送入計算機內(nèi)存；⑵對圖像依次進行平滑濾波、二值化、腐蝕、細化等處理；⑶通過Hough變換算法識別出儀表指針的位置；⑷利用指針位置和儀表讀數(shù)的對應(yīng)關(guān)系得到讀數(shù)。

    2．3 nRF905和SMS的無線數(shù)據(jù)傳輸

    nRF905是一個為433／868／915 MHz ISM頻段設(shè)計的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，它采用GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。nRF905工作速率可以達到100 k，發(fā)射功率可以調(diào)整，發(fā)射功率是+10 dBm。

    天線接口設(shè)計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線，但實際常采用高增益外置天線和加大發(fā)射功率來適應(yīng)不同通信距離的需求。此外，naF905工作電壓范圍可以從1．9 V～3．6 V，并具有待機模式，更省電、更高效。

    以下給出靈敏度(S)、輸出發(fā)射功率(Pt)、天線增益(Gtx_ant、Grx_ant)、損耗(Los)、中心頻率(f0)與通信距離(R)的定量關(guān)系：

    
    其中：    
    c—微波的傳播速度(光速)。
    

    GSM是—個能夠提供多種業(yè)務(wù)的移動ISDN，而GSM的交互式SMS功能可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。SMS是移動網(wǎng)絡(luò)上一種基本無線業(yè)務(wù)，是信息在移動網(wǎng)絡(luò)上儲存和轉(zhuǎn)寄的過程。

    2．4 差錯控制

    快速性和可靠性是數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計的重點，但它們又往往是一對矛盾。nRF905芯片內(nèi)置了CRC編解碼器。

    設(shè)三字節(jié)序列Tabc=[abc]、Ta00=[a00]和二字節(jié)序列Tbc=[bc]，用多項式表示為：

    改進后CRC算法在相同運行環(huán)境下的效率分析如圖3所示。

    其中：t為執(zhí)行時間(ms)，n為數(shù)據(jù)、校驗組成的序列字節(jié)數(shù)(Byte)。

    2．5 USB總線

    USB是一種通用串行總線，具有同步帶寬、靈活、穩(wěn)定、易于與PC或微控制器接口等優(yōu)點。如圖4所示是采用CH372作為USB擴展芯片，簡化了相應(yīng)的軟硬件自行開發(fā)工作。

   3 系統(tǒng)買現(xiàn)

    遠程抄表系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，步驟如下：⑴光電傳感器采集到的信號經(jīng)采集器處理成儀表的讀數(shù)值，啟用CRC算法，加上校驗字節(jié)，利用通信協(xié)議機制將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去；⑵在該協(xié)議機制下集中器將接收到的數(shù)據(jù)封裝成PDU數(shù)據(jù)包，通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送去出；⑶中央處理站的匯集器將收到的PDU數(shù)據(jù)經(jīng)處理通過USB接口批量傳送剄服務(wù)器上；⑷由服務(wù)中心加以利用。

    3．1 硬件設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集器主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源模塊組成。

    數(shù)據(jù)匯集器區(qū)別于采集器采用以S3C2410作為徽處理器，這主要是基于對ARM(Advanced RISC Machines)與單片機性價比的考慮。采用RISC架構(gòu)的ABM微處理器具有體積小、低功耗、高性能；支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8 位／16位器件；大量使用寄存器，執(zhí)行效率更高等特點。

    3．2 軟件設(shè)計

    為了避免同頻干擾問題，集中器和采集器的通信采用TDMA技術(shù)，把集中器與任意一臺采集之間的通信采用時分的方式分開，集中器通過掃描的方式與各臺采集器進行單臺通信，這樣系統(tǒng)中的集中器與采集器的通信方式就成為點對點的通信方式。并采用如表1所示的幀結(jié)構(gòu)，加上打包、解包機制和雙方的握手協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

   4 結(jié)束語

    基于嵌入式的遠程抄表系統(tǒng)中通信協(xié)議，特別是MAC協(xié)議的優(yōu)化、高頻電路的設(shè)計是難點也是重點，此外設(shè)備間的互操作性以及協(xié)調(diào)性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫约鞍踩砸残枰紤]。