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?qǐng)?bào)報(bào)導(dǎo)，我國(guó)城鎮(zhèn)建筑僅23%節(jié)能，北方供熱計(jì)量改革滯后。《國(guó)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(guó)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(shì)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(shí)性差、隱患多等問題，無(wú)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(lái)越受到社會(huì)各界的青睞。

整個(gè)無(wú)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(gè)用戶通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼站，采取多個(gè)居民樓共用一個(gè)GPRS[1]模塊的方法，解決了傳統(tǒng)無(wú)線抄表系統(tǒng)[2]中每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊必須配置一個(gè) GPRS模塊的缺點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的成本，促進(jìn)了無(wú)線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的推廣。同時(shí)，選取高性能的S3C6410芯片作為中繼站的處理器，使整個(gè)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)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(cè)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(guò)短距離無(wú)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(guò)程中，一方面將處理后的數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)在Nand Flash芯片中，另一方面通過(guò)GPRS模塊遠(yuǎn)程傳送至數(shù)據(jù)管理中心。考慮中繼站對(duì)實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的同步性，中繼站會(huì)定時(shí)向用戶的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送校時(shí)命令。由于選取一個(gè)中央數(shù)據(jù)中繼站服務(wù)多個(gè)居民樓的方式，為保證同一個(gè)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(shí)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(wú)線熱網(wǎng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼站主要有3個(gè)部分組成：中繼站數(shù)據(jù)處理模塊、短距離無(wú)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(shí)性要求，又保證了整個(gè)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(duì)基于S3C6410的數(shù)據(jù)處理模塊的相關(guān)電路進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

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

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

3）Nand Flash。系統(tǒng)采用容量 256MBytes的Nand Flash芯片K9F2G08，來(lái)運(yùn)行程序和存儲(chǔ)臨時(shí)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(shí)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(gè)中繼站負(fù)責(zé)4棟6層4個(gè)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(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以保證整個(gè)冬季熱暖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

表1 數(shù)據(jù)包格式

2.2 無(wú)線數(shù)傳模塊的電路設(shè)計(jì)

選用微功率的KYL-1020U作為無(wú)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(wú)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(wú)線數(shù)傳模塊的使能端。

圖2 無(wú)線模塊電路

通過(guò)設(shè)置不同的無(wú)線模塊通信頻率來(lái)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(duì)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(hào)。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(hào)設(shè)置無(wú)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(duì)點(diǎn)、中心對(duì)多點(diǎn)等數(shù)據(jù)的傳輸，支持最高115200的串口波特率，通過(guò)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(wú)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(guò)調(diào)試器進(jìn)行仿真調(diào)試無(wú)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(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)采集、GPRS數(shù)據(jù)傳輸這3個(gè)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(duì) I/O口、串口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、中斷、看門狗等基本初始化工作外，還要計(jì)算存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送指針，保障數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ)和發(fā)送。為了保證數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采取用戶主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。中繼站定時(shí)向用戶發(fā)送校時(shí)命令，來(lái)保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的同步性。

2）無(wú)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(shí)和通道檢查，執(zhí)行完每個(gè)命令后，都要發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。記錄數(shù)據(jù)后，要修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指針，以便下一組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)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(gè)方面進(jìn)行調(diào)試。

1）讀取Nand Flash中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過(guò)短距離無(wú)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(chǔ)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(guò)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(guò)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(wú)誤后，在超級(jí)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(hào)，最后輸入要發(fā)送的內(nèi)容，以下是調(diào)試過(guò)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(yǔ)

基于S3C6410的無(wú)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(wú)線傳輸和GPRS技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了短距離與長(zhǎng)距離無(wú)線通信[8]的完美結(jié)合，大大降低了系統(tǒng)成本，為無(wú)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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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