1 、方案介紹

隨著科技的發展，現代電子技術、通信技術和計算機技術的發展也是突飛猛進，并且它們的結合又演化出許多新的通信方式和通信系統，以滿足工業自動化、家庭自動化越來越高的數據傳輸、監控等要求。此類系統通常包括信號采集、處理、傳輸等基本單元，結構方案如圖l所示。

1．1 信號采集

數據采集器主要完成對儀表數據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。其中，指示表因其結構簡單、使用方便，在科學實驗和生產中得以廣泛使用，因此抄表系統對信號的檢測是面臨的首要問題。對于數字式智能儀表可以直接讀其存儲單元的數據，而傳統的儀表通常采用光電傳感器來計數，但隨著數字圖像處理技術的不斷發展，也可將其運用在指針式儀表的讀數識別中。

1．2 通信介質

目前實際應用的遠程抄表系統大多采用兩級數據匯集結構，即儀表到采集器、采集器到集中器為第一級，集中器到中央處理站為第二級。其中，第一級為數據傳輸量不大、傳輸距離較近的底層數據采集階段，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，數字數據網），專用無線數據傳輸系統，CDPD（Cellular Digital Packet Data，蜂窩數字分組數據）、GSM（Global System for Mobile Communieafione，全球移動通信系統）／GPRS（Geneml Packet Radio Service，通用無線分組業務）、CDMA（Code Division MultipleAccess，碼分多址）、3G等公用網信息平臺。對于通信介質的選擇主要取決于信息量、實時性等相關技術指標。

1．3 通信接口

遠程抄表系統的中央處理站采用數據匯集器與服務器相連，此時匯集器只是作為一個外圍設備，故可采用串行口、USB、以太網接口進行通信。而客戶可通過Web實現對服務器上數據的訪問。在此，數據匯集器的引入增強了系統的兼容性與可擴展性，當第二階段傳輸模式等發生變化時不會對服務器軟件硬件產生變更問題。

2 、技術論證

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，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電傳感器將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到光線的強弱或有無對目標物體進行探測。據此原理，通過采集對應的脈沖數達到檢測的目的。

2．2 數字圈像處理

數字圖像處理技術在指針式儀表讀數識別中的應用，就是把被測量轉換為指針在表盤上的角位移，以此獲取被測量的大小。具體過程就是：首先，利用攝像頭獲取儀表圖像，通過圖像采集卡將圖像數字化后送入計算機內存；接著，對圖像依次進行平滑濾波、二值化、腐蝕、細化等處理；然后，通過Hough變換算法識別出儀表指針的位置；最后，利用指針位置和儀表讀數的對應關系得到讀數。

數字圖像處理技術在本系統中暫未使用，只作探討。

2．3 nRF905和SMS的無線數據傳輸

nRF905是一個為433／868／915 MHz ISM頻段設計的真正單片UHF無線收發芯片，它采用GFSK調制解調技術。nRF905最高工作速率可以達到100 k，發射功率可以調整，最大發射功率是+10 dBm。

天線接口設計為差分天線，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射功率來適應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。滿足歐洲電信工業標準。

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

GSM是—個能夠提供多種業務的移動ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業務數字網絡），而GSM的交互式SMS（Short Message Service，短消息服務）功能可以實現數據傳輸。SMS是移動網絡上一種基本無線業務，是信息在移動網絡上儲存和轉寄的過程。此外，目前市場上流行的大部分手機模塊提供了GSM-SMS-AT指令系統，可方便實現硬件和軟件接口，通過數據口以串行方式接收指令并向外輸出數據，從而實現遠程數據傳輸。

2．4 差錯控制

快速性和可靠性是數字通信系統設計的重點，但它們又往往是一對矛盾。nRF905芯片內置了CRC編解碼器。當然，實際應用中也可編程引入改進了的CRC校驗算法，實現差錯控制。

基于時空權衡引入查表和變字節計算思想來改進傳統CRC算法，以滿足系統的需要。

設三字節序列Tabc=［abc］、Ta00=［a00］和二字節序列Tbc=［bc］，用多項式表示為：

2．5 USB總線

USB是一種通用串行總線，具有同步帶寬、靈活、穩定、易于與PC或微控制器接口等優點，并可提供主輔端點，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸等模式。如圖4所示是采用CH372作為USB擴展芯片，簡化了相應的軟硬件自行開發工作。

3 、系統買現

遠程抄表系統的系統結構如圖1所示，具體的工作流程為：首先，光電傳感器采集到的信號經采集器處理成儀表的絕對讀數值，將該值封裝到數據幀的相應位置，啟用CRC算法，加上校驗字節，利用通信協議機制將數據幀發送出去；接著，在該協議機制下集中器將接收到的數據封裝成PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）數據包，通過GSM網絡發送去出；然后，中央處理站的匯集器將收到的PDU數據經處理通過USB接口批量傳送剄服務器上；最后，由服務中心加以利用。

3．1 硬件設計

數據采集器主要由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源模塊組成。數據傳輸單元采用高性價比的ATmegal28L作為徽控制器，電源模塊采用線性電源以降低誤碼率，并配備顯示調試接口和EEPROM存儲單元。而數據集中器主要是在數據采集器的基礎上增加了GSM短信收發模塊。

數據匯集器區別于采集器采用以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，指令執行速度更快，執行效率更高等特點。因此，在無線通訊、工業控制領域，消費類電子產品、網絡產品、成像和安全產品中得以廣泛應用。

就此系統而言，匯集器使用ARM處理器對于以后升級、網絡傳輸功能的增強、效率的優化極其有利，對于擴展開發也可采用ARM內核ZIG-BEE無線單片機來代替。而采集器和集中器具有實時性要求不高、處理任務較單一和面向采集現場的數量較大等特點，因此采用ATmegal28L為核心處理器達到了性價比的最優配置。

3．2 軟件設計

為了避免同頻干擾的問題，集中器與采集器的通信采用TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）技術，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，即整個點對多點系統的通信就成為若干個點對點通信的組合。并采用如表1所示的幀結構，加上打包、解包機制和雙方的握手協議實現數據傳輸。

4 、結束語

基于嵌入式的遠程抄表系統中通信協議，特別是MAC協議的優化、高頻電路的設計是難點也是重點，此外設備間的互操作性、協調性，數據傳輸的同步性、安全性也需要考慮。

目前，此遠程抄表在“溫州市晟恒科貿有限公司倉庫溫濕度監測”中得到了初步應用。