一种基于内嵌TCP/IP的抄表器的设计

现代城市中新建生活小区中的水、电、气等设施通常是统一规划、集中管理，而如何高效地进行管理则充分体现了小区智能化程度的高低。国内外陆续提出了一系列的解决方案，其中以建立在智能仪表上的自动抄表系统为关注的重点。随着Internet和Intranet的快速发展和普及，Web技术弥补了传统监控系统的不足，致使运用Web技术实现设备的远程监控，已经越来越多地成为设备监控系统不可或缺的一部分。同样，微电子技术也在不断地创新和进步，嵌入式系统成为计算机应用的一个新领域，具有功能强、实时性强、可靠性高和结构小巧等优点。基于嵌入式Web的远程监控在传统远程监控的基础上又融合Web技术和嵌入式技术，可提供比传统远程监控系统更为强大的功能，将成为今后远程监控技术发展的主流方向。  

1 基于Web服务器的自动抄表系统  

1.1 抄表方式的分类  

国内外已开发出多种自动化抄表系统，按抄表方式的不同将它们大致分为3类：储值卡(TM卡、IC卡或射频卡)智能仪表抄表系统、无线电抄表系统、远传智能仪表有线联网抄表系统。实际应用中多采用远传有线联网自动抄表系统。这种抄表方式是将各种仪表的计量信息通过馈线传送到一个数据集中采集器上，若干个数据集中采集器再相互连接组成一个局域网，然后在某个特定区域内建立一个工作子站，通过子站中的Web服务器经过网关与以太网相连。自动抄表系统结构如图1所示。  


  
本文中通过在现场抄表器中嵌入Web服务器，实现对现场数据进行数据采集、数据存储、数据转发及与远程主机的数据交互。抄表器通过嵌入式Web服务器可以直接连接到Internet上。由于嵌入式系统有着实时性强、可靠性高、结构小巧等特点，将它用于抄表系统有如下优点：一个嵌入Web服务器的抄表器出现故障，不会影响到其他的现场抄表器的抄表，具有较好的可靠度和适应性。  

1.2 抄表器功能分析  

本文是基于嵌入式Web服务器的自动抄表器的设计。该抄表器功能可分为2个部分：前端数据采集、数据存储和通讯功能。  

(1)前端数据采集：前端数据采集主要是抄表器通过RS 485读取智能仪表数值的过程。  

(2)数据存储：采集到的数据要存储在抄表器的非易失存储器内。  

(3)通讯功能：嵌入式Web服务器实现TCP／IP协议栈。它主要实现的功能有：  

①响应浏览器的请求，解析浏览器提交的表单，读出控制数据，将控制数据通过串口传送到前端数据采集控制子系统，再根据从串口接收到的数据生成动态网页返回给浏览器。也就是抄表器响应上位机软件的请求，将从串口接收到的数据按规定格式发送到上位机，上位机再对接受的数据进行处理。  

②考虑到嵌入式Web服务器的资源有限，不可能用作数据库服务器，所以必须在以太网或Internet上有一台数据库服务器，用来存储采样数据，嵌入式Web服务器根据上位机的请求，将缓冲区内的数据通过以太网或Internet传送到数据库服务器。  

2 抄表器的硬件设计  

2.1 整体硬件设计  

该抄表器选取Winbond(华邦)公司的8位单片机W78E516B作为整个抄表器的主芯片，并配以简单的外围电路实现抄表器的以下功能。因为要将TCP／IP协议嵌入到单片机中，使用网卡芯片实现单片机的上网和数据传输，需要选用有较大的程序存储空间和数据存储空间的芯片，所以采用Winbond(华邦)公司的8位单片机W78E516B，它自带64 kB的FLASH ROM，256 B的RAM和256 B XRAM，免去了外部扩展程序存储器的麻烦。抄表器硬件设计原理如图2所示。  


  
2.2 主要外围电路设计  

(1)数据存储器：为了有较大的数据存储区存放接收的和发送的数据包，需要外部扩展32 kB的SRAM，这样可提高单片机的数据传输速度，并处理复杂的TCP／IP。同时外部的RAM也用做串行口的输入输出缓冲。所以本设计采用HY62256。  

(2)非易失存储器：在程序中用来存储嵌入式Web系统的网络参数设置(IP地址、子网掩码、默认网关、物理地址、数据库服务器IP地址)和数据采集参数设置(采样间隔、采样通道、数据被送到数据库服务器的时间间隔)等。本设计采用的X5045是8管脚的非易失性存储器，内部集成4 kb的可用存储区间，具有看门狗的功能。使用SPI总线与单片机连接。  

(3)以太网控制器：为了完成对网络数据的发送和接收，本设计选用的以太网控制器为RTL8019AS，单片机通过RTL8019AS连接入以太网，并且选用脉冲变压器20F001N，用来对网络上的脉冲进行转换和滤波。RJ45接口用来连接网络，可直接连接到HUB。  

(4)数据采集端通讯接口：采用RS 485总线，采用半双工通信来实现通信。  

3 软件设计部分  

整个下位机采集系统其实是一个多机通信系统，为了避免总线冲突，小区抄表器与智能仪表之间采用主从式通信。主机发送的信息传送到各个从机或指定从机，而各个从机发送的信息只能发送给主机。在主机发送命令后，从机将对接收到的命令帧的地址代码进行判断，只有当命令帧中的地址代码与本机地址一致时，从机才接收命令帧，并对命令帧进行报头、报文长度、累加和和报尾等校验，所有校验通过，从机才根据具体的命令代码向主机发送相应的应答帧。同理，主机接收到从机的应答帧后也作相应的校验来决定是否向从机重发命令帧，以保证主机与从机数据通信的准确性。抄表系统软件部分如图3所示。  


  
4 结 语  

本文讨论内嵌TCP／IP协议栈抄表器的设计。并对其相应的自动抄表系统进行了简介，与传统抄表系统相比，结构更清晰、组网更简洁，可降低抄表系统的网络建设和管理成本。