基于GPRS的自來水流量監(jiān)測終端的設(shè)計

系統(tǒng)總體構(gòu)成
自來水流量遠程監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由若干監(jiān)測終端、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分組成。其中，監(jiān)測終端安裝于各供水分區(qū)的監(jiān)測點，及時將監(jiān)測到的流量數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆O(shè)在自來水公司的監(jiān)控中心，由中心對各分區(qū)的數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)對各分區(qū)供水的科學(xué)管理。這里所說的供水分區(qū)不是一般的給水系統(tǒng)分區(qū)（并聯(lián)分區(qū)或串聯(lián)分區(qū)），而是在供水管網(wǎng)上安裝流量計將整個供水系統(tǒng)劃分成若干個供水區(qū)域，每個區(qū)域作為一個監(jiān)測點，對管理區(qū)域內(nèi)流進的自來水總量和實際銷售的水量進行量化管理，以此來了解和掌握各區(qū)域內(nèi)的需水量、供銷差、漏失量、未收費水量等情況。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，監(jiān)測終端應(yīng)實現(xiàn)下列功能：

（1）現(xiàn)場采集流量信息，包括瞬時流量、正向總量、反向總量、流量百分比、差值總量、流速等信息。

（2）具有遠程通信功能。定時將采集的流量信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，上傳至監(jiān)控中心。

（3）監(jiān)測終端可以按監(jiān)控中心的指令完成校時。

（4）停電復(fù)電時間記錄。監(jiān)測流量計的供電，一旦停電立即記錄下停電時間，并報告監(jiān)控中心，隨即進入睡眠模式；恢復(fù)供電時，記錄來電時間，也上傳到中心。

（5）歷史數(shù)據(jù)記錄。具有一定的非易失性數(shù)據(jù)存儲區(qū)，可在本地保存斷電/復(fù)電時間以及歷史數(shù)據(jù)。

（6）軟件在線升級。監(jiān)測終端預(yù)留升級接口，可在不改變硬件設(shè)計的情況下根據(jù)用戶的需要對軟件進行升級，滿足不同用戶的需求。

監(jiān)測終端的硬件設(shè)計
監(jiān)測終端由單片機、GPRS DTU(包括SIM卡、天線等)、供電電路、實時時鐘、Flash存儲器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，如圖2所示。其中，虛線框中是需要用硬件實現(xiàn)的部分。

圖2 監(jiān)測終端的硬件組成

1 PIC16F877A單片機
鑒于監(jiān)測終端設(shè)置在無人看管、環(huán)境較惡劣的地方，要求抗干擾能力強、性能可靠，采用了Microchip公司的PIC單片機中的PIC16F877A。

PIC16F877A單片機內(nèi)部有8K*14的Flash程序存儲器和368B的RAM數(shù)據(jù)存儲器；采用哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)線和指令線分離，取數(shù)據(jù)和取指令可以同時進行，執(zhí)行效率高、速度快。

2 GPRS DTU
無線通信模塊采用成都眾山科技有限公司的ZSD2110 GPRS DTU。ZSD2110是一款使用GPRS進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備，支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持透明數(shù)據(jù)傳輸和用戶自由控制傳輸模式，同時支持點對點、點對多點、設(shè)備間、設(shè)備與中心間等各種不同的通信模式。

3 串行通信接口
從圖2中可看出，單片機采集數(shù)據(jù)以及跟DTU之間的通信都是通過串行接口，而PIC16F877A只有一個USART接口。這里采用分時復(fù)用的原則，通過一片4位總線開關(guān)芯片F(xiàn)ST3125在流量計與DTU之間切換，平時與流量計接通，采集數(shù)據(jù)，上傳時間到時，斷開與流量計的連接，接通DTU，上傳數(shù)據(jù)（必要時完成校時）。

4 DS1302實時時鐘
實時時鐘用于提供系統(tǒng)采樣、定時上傳、記錄斷電/復(fù)電時間等操作的時間基準(zhǔn)，是本系統(tǒng)不可缺少的一部分。本設(shè)計選用了DS1302實時時鐘芯片。

DS1302使用32.768kHz的外部晶振，該振蕩電路不需要外接任何電阻或電容，設(shè)計簡單。需要注意的是，在晶振的選擇上，只能選用負載電容為6pF的32.768kHz晶振，否則可能會導(dǎo)致晶振不能起振，DS1302不計時的問題。

5 SPI Flash存儲器
采用串行Flash作為外部存儲器，記錄歷史數(shù)據(jù)和斷電/復(fù)電時間。與以往的并行存儲器或鐵電存儲器相比，串行存儲器具有很大優(yōu)勢。并行存儲器存儲容量大，讀寫速度快，但是抗干擾能力差；鐵電存儲器采用串行接口，抗干擾能力強，也具有很高的靈活性，可以單字節(jié)讀寫(不需要擦除，可直接改寫數(shù)據(jù))，但其存儲密度小，單位成本高，讀寫速度較慢。而本系統(tǒng)中采用的M25P16存儲器綜合了這二者的優(yōu)點，不僅存儲容量大，讀寫速度快，而且抗干擾能力強，占用MCU引腳資源少。

6 供電電路及掉電檢測
整個電路板上器件都工作在5V電壓下。

除了正常供電外，為保證在突然斷電的情況下，能及時記錄斷電時間，以備向監(jiān)控中心報告，還需要備用電源以及斷電檢測電路。本系統(tǒng)主電源采用UPS供電，可保證在交流電斷電的情況下仍能工作，另外從220V交流電直接接一電源作為掉電檢測電路的輸入，經(jīng)光耦隔離，連接到單片機的RB0引腳，斷電時，觸發(fā)單片機的RB0外部中斷實現(xiàn)斷電保護，讀取當(dāng)前DS1302的時間保存到Flash存儲器，并經(jīng)DTU上傳到監(jiān)控中心，然后使單片機進入低功耗工作狀態(tài)。恢復(fù)供電時，同樣要記錄復(fù)電時間并上傳。

監(jiān)測終端的軟件設(shè)計
在監(jiān)測終端的軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計，根據(jù)功能將程序劃分為多個模塊分別設(shè)計。這種設(shè)計方法不僅使得程序結(jié)構(gòu)清晰，而且為以后新功能的擴展以及程序的移植提供了便利，在調(diào)試過程中也便于對軟件故障的定位。

軟件在MPLAB IDE8.10環(huán)境下，采用PICC編譯器，用C語言實現(xiàn)。主程序流程如圖3所示。監(jiān)測終端上電后，先進行初始化，然后進入循環(huán)，根據(jù)條件調(diào)用各個子程序。其中初始化包括各I/O端口的方向設(shè)置、SPI初始化、中斷標(biāo)志的設(shè)置等。寫數(shù)據(jù)到Flash時，須先判斷整個Flash是否寫滿，惹是須先擦除才能寫入新數(shù)據(jù)。

圖3 主程序流程圖

在本系統(tǒng)中，單片機需處理多個任務(wù)，而且有的任務(wù)又是隨機的，故MCU采用查詢和中斷相結(jié)合的工作方式。其中，定時上報采用查詢方式，如圖3所示，而斷電檢測、來電喚醒則通過PIC單片機的RB0電平變化中斷來完成。但是，在中斷服務(wù)程序中，只簡單的設(shè)置掉電/復(fù)電標(biāo)志，并不執(zhí)行其他復(fù)雜的操作，相應(yīng)的掉電/復(fù)電服務(wù)是在主程序中檢測到掉電/復(fù)電標(biāo)志后才執(zhí)行的。這是因為PIC16F877A單片機只有8層深度的硬件堆棧,在中斷里調(diào)用子程序極易出現(xiàn)堆棧溢出的情況。為了保證程序的可靠運行，故將讀取DS1302的時間、轉(zhuǎn)入睡眠模式等操作都放在主程序中執(zhí)行，使中斷服務(wù)程序盡量短小，提高系統(tǒng)運行的可靠性。