基于GPRS供水管网抄表系统的设计与实现

    1 引言 

    供水管线是城市基础设施，供水管网管理与维护的成功与否,直接关系到城市居民生活、工业生产和社会发展。随着给水管网的扩展规模迅速扩大，管网信息数据以指数级增加，传统的人工管理系统存在着费人力、速度慢、统计数据准确性差、实时性差等不足，已无法满足管网数据量大、动态更新等要求。充分考虑到数据采集点多且分散野外的特点，系统借助先进成熟的GPRS传输技术，将传感器采集来的水量通过GPRS发送给数据服务中心，并由WEB发布。利用计算机管理减轻工程技术人员的劳动强度，提高工作效率。虽然采用M23G GPRS模块进行研发的厂商很多，但资料很少，这里提供详细的解决方案。由于供水管网终端均在野外，该设计主要解决低功耗问题。同时还解决数据服务中心的安全性和可靠性问题。

    2 系统总概 

    该设计提出远程抄水表系统是一个小型的分布式智能测控系统，终端是由BenQ公司的M23G GPRS模块，Micmchip公司的PICl6F873A和潍微公司WS02型水量计数器构成。由于采用蓄电池供电，所以节能和功耗是比较重要的问题。系统采用定时开启GPRS模块收发数据，其他时间只有PICl6F873A在低功耗模式下采集水量。当M23G模块及外围电路正常启动后，由PICl6F873A和M23G GPRS模块进行USART通信，将启动GPRS功能的AT命令写入到模块中，直到与数据服务中心连接成功，再将定时所计水量传送给数据中心，传送完毕后，关闭模块，实现节能。数据服务中心通过WEB站点发布实时和历史信息。图1为系统总体框架图。 

    3 M23G GPRS模块 

    BenO公司的无线通信模块M23G GPRS是原M23的升级无铅版．其内部集成PPP和TCP／IP协议栈；支持网络类型GPRS CLASS 8，GPRS Class B；支持EGSM 900 MHz，DCS1 800 MHz，PCS 1 900 MHz无铅三频模块。重量轻，体积小，功耗低，工作稳定可靠，性价比高，使用范围广泛。 

    3．1 M23G模块启动电路 

    由于模块PWON引脚拉低至少保持120 ms才能使该模块启动，所以将此引脚直接接地，实现启动模块。在正常上电后，M23G模块如果已检测到正确的SIM卡和网络，LED引脚就保持500 ms的低高电平变换，此时发光二极管GPRS也随之亮或灭。 

    SIM卡作为特殊型智能卡，采用标准的接触式IC卡。该模块遵循ISO7816(接触式集成电路IC卡的规定)和ETSI(欧洲电信标准委员会)的GSMll．11等标准规范，与SIM卡座相连接。SIM_CLK为SIM时钟，SIM_RST为SIM复位，SIM_I0为SIM卡数据输入输出，VRSLM产生SIM卡3 V供电电压。图2为：M23G模块启动电路及SIM卡电路。 

    3．2 M23G模块电源设计 

    M23G的电压工作范围为3．3～4．5 V，此系统采用3.3 V供电。在GPRS模式下，最大电流消耗不大于280 mA。模块的电流消耗为脉冲形式，消耗峰值电流最多可达1．7 A,所以在模块电源部分需要加较大耦合电容，且走线宽度大于50 mil。若是电源从一层走到另外一层时，必然采用均匀的多个过孔来降低干扰。因此要特别注意电源的布线问题，抑制干扰和防止出现纹波烧坏模块。

    3．3 配置M23G模块软件设计
    PICl6F873A通过引脚电平变化中断检测到LED引脚的变化，说明模块硬件初始化完毕。PIC16F873A发送初始化AT指令：设置MS功能：AT+CFUN=1；自动运营商选：AT+COPS=O；设置DTE波特率：AT+IPR=0(自动检测)；设置MS的类别：AT+CGCLASS="B”；GPRS链接设置：AT+CGATT=1：激活：PDP上下文(激活GPRS服务)：AT+CGACT=1；ME错误报告设置：AT+CMEE=2；GPRS网络注册状态：AT+CGREG=2；不允许进入深度睡眠：AT$NOSLEEP=1。初始化结束后进入GPRS数据传输的设置：定义PDP上下文(设置接入网关)：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；用于PDP上下文激活的PCO字符串：AT％CGPCO=1，“PAP..”，l；设置目的地址：AT＄DESTINFO=“目的IP”，l(1：TCP，2：UDP)，端口，0(0：禁用DNS，1：启用DNS)拨号连接：ATD*97#。该过程结束后，就可以发送数据。在对模块配置AT指令时，如果所发送的指令正确，模块返回0K，反之则返回ERROR。需要注意的是，先将模块的硬件启动全部结束后再配置AT指令．且配置按照上述顺序进行即可实现数据通信。

    4 PICl6F873A与抄表数据处理 

    4．1 PICl6F873A简介 

    PICl6F873A是Microchip公司推出的基于8位的高性能RISC指令系统、哈佛总线和两级指令流结构单片机。该器件具有20个输入／输出可编程端口，13个中断源。I2C和SPI串口总线端口，通用同异步收发器USART等。 

    水量计数器采用WS02型自保持开关传感器。此专利产品检测电路简单，只需在信号线上接入30 kΩ电阻，此电阻连接电源，输出高低电平。检测电路如图3所示。比如：要求装配好的远传水表每10千克水发送一个脉冲信号．则应将指针安装在xO．001位置。每当到达10千克水时．产生一个高电平，利用PIC16F873A的RB4引脚电平变化中断功能．记录数据。并且在定时开启GPRS前，将当日的所记录水量存入PIC16F873A的E2PROM中，防止丢失数据或由其他意外情况引起的误处理。 

    利用PIC16F873A定时器／计数器TMRl工作于异步计数器模式，即使PIC16F873A进入睡眠状态，TMRl仍可持续运行，溢出时产生中断请求。在TMRl自带振荡器的两个外部引脚上跨接一只廉价的32．168 kHz微型石英晶体振荡器．作为TMRl工作的时间基准。此设计具有实时时钟，即定时开启GPRS模块，定时发送数据，从而实现节能，并可通过数据服务中心修改定时发送时间。 

    4．2 数据服务中心的构建 

    数据服务中心负责整个系统数据的采集处理和发布．协调系统的正常运作，是整个系统的重要组成部分。其主要功能包括：向各数据采集终端发送配置指令，接收采集终端发送的各项数据，对数据处理分析并保存至数据库，以及发布数据等。 

    系统中，安装的水量采集终端数量比较多，要将水量数据长期保存和随时查看，同时对数据的安全性也有极高要求，为了更好均衡系统性能．使数据服务中心能长期稳定运行，因此数据服务中心由多台服务器分别承担数据存储，数据采集，数据对外发布，提供网络各项服务多项任务。 

    数据采集服务器上的主程序为确保数据的实时性，将始终处于运行状态。该程序用Visual C++6．0编写．通过建立服务端，用WinSock监听并建立来自终端的连接后，在网络上与各终端进行通信，收发终端数据信息。为达到并发的需求，数据采集主程序采用多线程机制，为新建立的连接创建一个单独的收发数据线程，充分保障各个采集终端的数据传输独立性、及时性和安全性。为确保数据采集程序能长期稳定运行，另建一个守护进程对主程序进行实时监控。采集到的终端数据经过解析、处理后存储至数据库服务器的Oracle数据库中。在数据的发布上，与传统应用系统的C／S模式相比较，借助Internet的B／S架构因其对用户要求低，简洁方便，低成本及易于维护利于升级等各项优势，更适用于新型自动水量监测系统。在该体系结构中，可以划分为3层：浏览器—Web服务器—数据库服务器。在B／S架构中，以.NET和JAVA两大平台最为流行，但J2EE在扩展性，移植性等方面更占优势，并能提供较好的安全机制，加上有众多的开源支持，因此水量查询的Web站点采用Java编写，利用成熟的开源框架。

    Struts+Spring+Hibernate实现，这些优秀的开源框架使得开发周期大大缩短，同时很好地封装底层实现细节，开发人员能专注于业务逻辑领域。站点布署在Tomcat服务器中，通过从数据库中取得实时和历史数据后，在站点上生成动态网页供用户通过Internet查询、访问、存储和打印，且利用强大的开源报表工具JasperReport，可以将所需数据生成报表供外部用户下载存档使用。不同权限的用户通过登录站点可以对有关数据进行各项维护操作。

    5 结语 

    目前，我国城市管网更新改造的任务逐年加大，迫切需要使用管网水利检测优化设计系统。通过对主管网的水量检测数据，与专业理论、方法相结合，进行深度开发研究，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持。该系统不只局限于供水行业，略加修改可用在排水、燃气等行业，具有广泛应用价值。