摘要：  针对居民供暖系统采用分户控制、分户计量之后带来的抄表问题，提出利用GSM短消息设计热计量表远程无线抄表系统的方案。给出了系统的总体设计思路以及具体的软硬件设计方案，通过该系统实现了热计量表的远程无线抄表。

关键字：  GPRS技术，  无线抄表系统，  

0 引言

随着能源供给体制改革的不断深入，在集中供热系统中对消费的热量进行计量，用户按照计量的热量进行付费的方式，已经成为行业共识[1]。与此同时，现在科学技术的发展对抄表方式也提出了新的要求，要求提高可靠性、实时性及数据处理方便性。传统人工抄表费时、费力、效率极低.掌上机抄表方案只能实现半自动化，不能实现远程通信.完全基于GPRS技术的无线抄表系统设计成本较高，尤其是数据传输过程中要始终保证GPRS网络有效的连接，如信号不好或传送数据过程中出错系统将一直处于连接状态。因此，设计合理、高效、实用的远程无线抄表系统将成为提高整个系统效率的1个重要环节。

1 无线抄表系统

系统总体设计思想：整个系统采用3级微机结构，见图1，底层微机为单户热计量表，中层为集中器和GSM无线传输模块，上层为抄表中心系统。单户表与集中器之间的连接采用M-BUS总线结构实现底层热计量表与集中器间的命令或数据通信，集中器与抄表中心系统之间采用GSM无线网络数传模式。

1.1 GSMTC35I通讯模块

目前国内使用的支持SMS的GSM模块主要有Wavecom的WMO2系列、Siemens的TC35系列、爱立信的DM10/DM20系列、中兴的ZXGM18系列等[2]。其中SiemensTC35系列的TC35I模块以体积小巧、功耗低，便于集成等特点成为目前比较流行的1个SMS模块。TC35I是1个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为3.3～5.5V，可传输语音和数据信号，消耗功率在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和lW，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。

TC35I的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS232接口电路标准，工作在CMOS电平(2.65V)[3]。通过AT命令可双向传输指令和数据，数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位。可选波特率为0.3～115kbit/s，自动波特率为1.2～115kbit/s。它支持文本和PDU格式的SMS，2.4k、4.8k、9.6k的非透明数据和第3组的1类、2类传真。提供标准的UART串行接口，支持GSM07.05所定义的AT命令集的指令，为开发基于GSM的数据通信系统提供了极大的便利。

1.2 监控中心系统

抄表中心系统由中心计算机与GSM上位通讯模块组成，见图2，主要功能是接收下位模块的数据，向下位模块发送设置或查询命令以及实现费用自动核算、报表统计等任务。

图2 监控中心系统

1.3 远程监测终端

单户热计量表作为远程监测终端采用了带RS232接口的热计量表，安装在现场，采集用户消费热量、出入水温度等数据.

1.4 集中器设计

在整个系统中，集中器处于信息传递通路的中间位置，通过M-BUS总线和热计量表之间通信，同时又通过GSM网络和系统主站进行信息交换，在整个系统中起着举足轻重的作用。集中器的主要功能是接收上位模块命令、接收用户查询、执行相应操作后发送结果、接收集中器的定时上传数据任务，并以短消息形式发送到PC机。另外，集中器还设计了历史数据存储功能。集中器由单片机系统与GSM下位模块2部分组成，实际电路主要包括主控芯片、上行通信接口电路、下行通信接口电路、GSM无线模块、EEPROM存储器、电源电路等几个组成电路，其结构图如图3所示。

1台集中器共有K=15路相互隔离的M-BUS总线输出，称K个区域号。受硬件负载能力的限制，每1个区域号下最多可挂接256块单户热量表，挂接采用硬并联的形式，两线可以不分极性。这样，每台集中器最多可与3840块单户热量表进行通讯连接。集中器与热量表间的通信速率设为4800bps，采用半双工、一发群收、不带奇偶校验的串口方式工作。

集中器主控芯片采用STC12C5A60S2芯片，该型号单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换。

下行通信接口电路采用了CMT100芯片，它是1种带供电功能的设备端串行双总线通信系统，它具有通讯设备容量大，通讯速率高，设计简单，布线方便，抗干扰能力强的特点，可以总线供电，单台设备可提供高达500mA的电流。可广泛用于小区的计量集抄等。CMT100是C-MBUS总线控制端通讯专用集成电路，完成数字通讯的调制解调、总线控制、总线电源供给、总线故障检测功能。考虑到主机电路复杂，为增加主机抗干扰能力，控制器应将总线驱动与单片机系统隔离，TXD、RXD、收发控制经高速光耦直接输入芯片。考虑到通讯距离及设备用电状况，系统使用24V电源。

2 系统软件设计

系统软件主要包括抄表中心上位机软件及集中器下位机软件。抄表中心上位机软件主要功能为数据库管理、查询、设置及报表统计。集中器下位机软件的主要功能为定时巡检、实时数据查询、历史数据存储、上传数据。上位机与下位机之间的通讯采用GSM的短消息方式进行无线数传。

2.1 短消息格式及AT命令

收发短消息一共有3种模式：BlockMode，TEXTMode，PDUMode.PDUMode支持中英文短信，基本上所有的电信局都支持PDUMode的短消息业务，因此应用也最为广泛。

PDU相当于1个数据包，他由构成短消息(SMS)的信息组成。作为1种数据单元，他必须包含源/目的地址、有效时间、数据格式、协议类型和正文。PDUMode收发短信可使用3种编码：7-bit编码、8-bit编码和Unicode(UCS2)编码。7-bit编码用于发送普通的ASICII字符，正文长度可有160字节;8-bit编码通常用于发送数据消息，正文长度可有140字节;UCS2编码用于发送Unicode字符。

GSM引擎模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范.GSM07.07中定义的ATCommand接口提供了1种移动平台与数据终端设备之间的通用接口;GSM07.05对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向GSM模块发送各种命令。与SMS有关的GSMAT指令如表1所列[4]。AT命令的基本格式是：AT+命令字符及相关参数+回车符，AT是帧头。

2.2 上位机软件设计

根据抄表中心计算机要完成的任务，将上位机程序包括数据库管理、设置、查询以及报表统计4个模块。上位机软件采用delphi语言编程。

数据库管理模块针对用户库进行添加、修改或删除等操作，数据库包含单户热量表号、小区编号、楼号、单元号、房间号、累积热量、热量计费等字段。原始数据库要根据安装施工单位对每楼每单元的每块热计量表所登记的备案表进行设置，使单户热量表号与所对应的小区编号、楼号、单元号及房间号一一对应，当有新建小区或拆迁小区时也要对此数据库进行相应的添加或删除操作。

查询模块分为历史数据查询和实时数据查询。历史数据查询针对集中器定时巡检、定时上传的数据进行查询;实时数据查询向GSM无线通讯模块发送at指令并将命令发送至指定查询用户所在的集中器，集中器再根据区域号通过广播的方式向小区内用户发送指令，只有指定查询用户返回实时查询数据，集中器收到累积热量、累积流量、供水温度、回水温度、瞬时流量这5个量后通过GSM无线模块将其上传至上位机。

设置模块主要完成校时、系统清零、热量价格修改、月巡检次数等内容的设定。

报表统计模块主要完成费用统计功能。软件将根据采暖期内热量消耗情况结算供暖费用，并根据需要生成报表。如打印某小区、某楼号、某单元所有用户的供暖费用，以便通知用户缴费。

2.3 下位机软件设计

集中器每年供暖之前(约11月10日)将历史数据清零并进行校时。11月15日为第1次巡检日期，之后每隔10天集中器将对自己辖区内的所有单户热量表进行1次例行巡检，将巡检得到的累积热量存入集中器内部EEPROM芯片FM24C256中。每个采暖期，每块单户热量表共需保存13个4字节数据。

当集中器的GSM无线数传模块收到短消息时，首先读取短消息内容并按协议进行指令解码，再根据指令执行相应的操作。比如，收到查询本集中器管辖区内单户实时数据时，单片机首先开通被查询单户热量表所在区域号的继电器，将AAAA命令和单户表原始编号发送到相应单元，以广播形式对相应单元的所有单户热量表呼叫，呼叫后等待50ms。被开通单元的所有单户表在收到AAAA命令后开始查看发来的单户表原始编号，只有与自己编号相同的单户表才作出响应，按照以下格式将5个实时数据传回集中器：单户表号+累积热量+累积流量+进水温度+回水温度+实时流速+1字节校验和的尾数。集中器通过串口2收到的单户表数据暂存于RAM区，校验和尾数无误后，通过相应的at指令将数据通过GSM无线模块发送给上位机系统。

另外，通信是在复杂的环境里进行的，GSM模块除了收到本系统内部有效的命令、数据外，还会收到一些其他信息、数据，如广告短信、移动公司的各种通知[5]等。由于这些短信的频繁出现，信箱很快会被塞满，如不及时删除势必影响系统正常的数据传输，因此在下位机软件中设置了定时清除短信内容的功能。

3 结束语

本无线抄表系统将测控和现代通信技术结合起来，突破了分户供暖热量计量的瓶颈.数据采集、记录、上传以及费用计量等自动完成，极大地提高了供暖收费管理效率。另外，系统扩容能力强大，现场监控子系统可以按照需要进行扩展，而不受数量限制。系统实现和运营成本低廉，便于大规模推广使用。

在对比实验中发现，此方案在建立连接、通信成功率以及成本消耗上都要优于GPRS无线通信方案.