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1、基于W5100的网络远程抄表系统的设计Design of Network Remote Meter Reading System Based on W5100林涛 赵宏科 李辉 郭晓 陈恩（河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）摘要：针对目前国内人工抄表效率低、实时性差，现有GPRS等无线远程抄表系统可靠性差、成本高等问题，提出了基于硬件协议栈的以太网通信模块W5100的远程抄表方案，并介绍了远程抄表系统的组成和工作原理，对软硬件设计进行了论述。用于水表数据采集的测试结果表明，该系统能够方便快捷地接入网络，稳定可靠地抄取水表数据，在水表等智能仪表抄表领域可高效实现远程自动抄表。关
2、键词：远程抄表，网络，W5100，硬件协议栈，单片机，M_Bus中图分类号： TP319 文献标志码：AAbstract：The existing manual metering has poor performance of real-time and low efficiency ,and GPRS wireless remote meter reading system has such problems as high cost and poor performance of reliability etc. Aimed at these features, in this paper
3、, a new scheme of network remote meter reading system based on Hardware Protocol Stack Chip W5100 used for Ethernet communication is proposed. The paper mainly introduces the composition and working principle of the remote internet meter reading system and discusses the hardware and software design.
4、 Trial Operation results show that the system can connect network Easily and get the reliable data of meter .It can effectively realise the remote automatic meter reading when used in the area of water meter reading。Keywords:Remote meter reading,Network,W5100, Hardware Protocol Stack ,M_Bus0 引言由于仪表数
5、量多, 地理位置分散，传统人工抄表容易造成漏抄、错抄，已无法胜任抄表任务1。随着计算机网络和通信技术的发展，远程自动抄表成为社会发展的需要。现存远程自动抄表系统的区别主要在于通信方式的不同2，其组成形式主要采取GPRS直接远传和短距离无线通信加GPRS远传的方式。短距离无线通信模块主要有ZigBee、WiFi、无线射频模块等3-6。直接GPRS远传适合通信频繁、数据量大的复杂系统7。新兴的自组织网络远程抄表系统能够实现远程抄表。但是自组网技术复杂，加上无线模块的通信距离有限，随着组网层数增加，管理中心和数据采集终端通信时间增长；为提高通信可靠性，需要花费很大精力制定通信协议。以太网兼有传输速率
6、高和传输可靠等优点，可实现远传数据的高速通信8。因此本文提出了一种基于W5100的网络远程抄表解决方案，可广泛应用于水表远程抄表。1 W5100网络接口模块介绍W5100是WIZnet公司生产的内部集成了以太网控制器的多功能固件网络芯片,内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY），兼容IEEE 802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX等网络协议9。硬件TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4等多种网络协议，是一款真正的单片网络接口芯片。W5100提供3种总线接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线，内置16kB发送/接收
7、数据缓冲区，最高可兼容100M以太网络，实现高速的数据通信10。该芯片主要由四部分组成: 硬件TCP/IP核、MCU接口单元、以太网物理层单元和发送/接收数据缓冲区11。2 系统的组成与工作原理21 系统组成 基于W5100的网络远程抄表系统组成如图1所示，系统包括数据采集层、传输层和应用层。数据采集层由终端仪表和集中器组成，网络传输层由单片机控制W5100模块，应用层主要包括数据管理中心。请根据我刊网站首页相关下载中的图表绘制要求进行本文图示信息的绘制。图1 远程抄表系统组成Fig.1 Structure of Network Remote Meter Reading System选用TI公
8、司的16位Flash型MSP430F5438系列单片机作为远程抄表系统各部分的主控芯片。MSP430系列单片机可快速响应外设中断，是为超低功耗的应用而设计;外设电流消耗最小，处理速度高，数据的吞吐量大，特别适合于应用于手持或电池设备12。该单片机用于表端控制数据采集、集中器进行数据汇总以及控制W5100模块工作，完全能够满足系统开发的需求。M_BUS总线是专为计量仪表的数据传输而设计的新型总线结构仪表总线，可满足电池供电或远传供电的计量仪表的特殊要求。国家建设部于2004年6月颁布了户用计量仪表数据传输技术条件(CJT1882004)行业标准，明确规定了将MSP430单片机作为计量仪表电路中的
9、主控芯片，将M_BUS作为数据传输方式的首选11。RJ_45作为以太网通讯的接口，是实现集中器接入Internet的枢纽。2.2 系统工作原理数据采集层由终端检测仪表进行数据采集，经M_BUS总线将采集到的数据传输给集中器进行数据汇总。总线上主站向从站、从站向主站传输数据时，分别采用电压和电流的变化来表示逻辑“0”和“1”。数据在各层之间传输时，帧格式的定义以188协议的规定为标准。网络层集中器通过W5100模块接入Internet网络与数据管理中心进行数据交互。应用层进行数据的存储、查询等操作。该网络远程抄表系统有两种工作模式：定时上报模式和即时抄表模式，工作于定时上报模式时，数据采集层将所
10、需数据进行采集、存储。到达抄表时刻，集中器将各个终端仪表唤醒，并通过串口连接至M_BUS总线获取仪表数据，通过W5100模块接入到以太网，将数据在指定时间自动上报给服务器，由服务器将数据存入数据库，供用户和相关部门进行查阅。该系统工作在即时抄表模式时，服务器向集中器发抄表指令，集中器接收到指令后进行将指令解析并下发给指定地址的水表进行相关操作。3 远程抄表系统软件设计与系统的硬件结构组成相对应，该网络远程抄表系统的软件设计主要包括终端数据采集模块、W5100网络通讯模块、数据管理中心三部分。3.1 终端数据采集模块软件设计终端数据采集模块软件主要包括以下几个部分：初始化、指令处理模块、抄表模块
11、、通信管理模块。初始化部分包括单片机的初始化、系统时钟初始化、I/O端口的配置、串口的初始化。初始化完毕后采集终端MCU进入低功耗模式以节省电能，直到自动抄表时刻到达，或者收到数据管理中心即时抄表指令，才会执行相关的操作。指令处理模块包括指令的接收和发送、校验、解析与封装。当采集终端接收到指令时，对指令进行校验，判断内容，决定对其重新封装或者直接转发给表；若校验错误则置位相应错误标志，回复校验错误应答。 抄表模块完成对水表的操作，即向表发送抄表指令,收到抄表数据以后进行校验，校验正确则进行存储；否则校验错误则重新发送3遍抄表指令，直到收到正确的抄表数据；收不到抄表数据，则放弃本次操作，向管理中
12、心上报，继续执行下一块表的抄表操作。通信模块负责管理中心和终端数据采集部分的上行和下行数据传输。下行将封装好的管理中心的指令进行转发，上行将收到的抄表数据进行封装，并通过W5100返回给管理中心。其软件流程图如图2所示。图2 通信模块软件流程图Fig.2 Software flowchart of the communication model3.2 W5100网络通讯模块软件设计W5100网络接口模块是本网络远程抄表系统实现的关键。由于W5100内部集成了网络接入协议，所以只需要对其寄存器进行正确的配置，即可接入以太网；在创建套接字之后，即可完成数据的发送和接收，从而进行远程网络数据交互。单
13、片机通过SPI总线与W5100模块进行通讯。对W5100的寄存器设置包括基本寄存器的设置和套接字寄存器的设置。TCP是以连接为基础的通信方式，通信有保障，不会出现中间的丢包、乱序等问题，应用层只需关注业务即可。由于抄表系统对数据的可靠性要求较高，因此采用TCP通信协议。它必须首先建立连接，然后利用连接的IP地址和端口号进行数据传输。TCP有两种连接方式：一种是服务器模式（被动开启），另一种是客户端模式（主动开启）。系统工作于定时上报模式时，集中器上的W5100工作于客户端模式，向系统服务器发送连接请求。连接成功后将抄表数据发送给系统服务器；系统工作于即时抄表模式时，集中器上的W5100工作于服
14、务器模式，等待系统服务器的连接请求和指令。网络连接成功后，W5100利用套接字进行网络通信，完成数据的收发。W5100通讯流程图如图3所示。图3 W5100通训流程图Fig.3 Software flowchart of W51003.3数据管理中心软件设计数据管理中心主要包括以下功能模块：系统设置模块、抄表管理模块、用户管理数据管理模块、打印管理模块。系统设置模块可以设置系统工作模式、系统时间校准，主要是集中器时间的设置，用于定时自动抄表。仪表管理模块用于设置定时抄表时间、所要抄表地址、对表进行操作（增加、删除一块表等）。用户管理模块主要完成用户的添加、删除、查找和修改用户信息的功能，还可以
15、对用户权限进行设置。该系统用户权限包括两种：普通用户和系统管理员。系统管理员只有一个，可以对所有普通用户信息进行查看和编辑；普通用户只能查看和修改自己的信息和对资源消费情况，而不能对其他用户和管理员的信息进行操作。打印管理模块用于选择与数据管理中心连接的打印机，将需要打印的数据进行打印。数据管理中心软件模块结构图如图4所示。图4 数据管理中心软件模块结构图Fig.4 Composition of data management center software4 系统运行结果分析该远程抄表系统用于水表抄表的试运行结果良好，能够可靠的抄取水表数据，实时对表进行操作（开关阀控制等）和监控表的状态，功
16、耗低，能满足抄表系统实时性要求。软件设计具有执行效率高、可扩展性好和可移植性高等优点。因此该远程抄表系统具有广阔的市场前景。5 结束语基于W5100的网络远程抄表系统相对于传统的基于有线连接或基于GPRS或GSM短消息的远程抄表系统，和新兴的无线自组织网络抄表系统具有很多优势，如不会掉线, 通讯速度快，实时性好; 设备运行和维护成本低；可进行不定期、长时间的数据传输，可靠性好。随着互联网的覆盖范围不断扩大，该远程抄表系统具有非常广阔的应用前景。参考文献： 1 陈超成,叶进,张红梅,等.基于GPRS的无线抄表监控系统J.桂林电子科技大学学报, 2013, 33(5): 374-378.2王益祥,
17、 牛江平. 远程无线抄表系统的研究J. 自动化仪表, 2011, 32(3): 4-7.3宫召杰, 郭忠文, 马鸿洋, 等. 基于GPRS的无线自组织网络远程抄表系统J. 计算机应用研究, 2006, 23(4): 187-189.4冯军, 宁志刚, 阳璞琼. 基于ZigBee的无线抄表系统设计J. 电力自动化设备, 2010 (8): 108-111.5 杨顺, 李明明. 基于 ARM 和 WiFi 技术的远程自动抄表系统设计J. 计算机测量与控制, 2013, 21(011): 3068-3071.6 黄泽界.一种基于ZigBee技术远程无线抄表系统的实现J. 现代电子技术, 2014(1
18、1): 006. 7王炳乂, 刘爽, 张伟, 等. 基于硬件协议栈W5100的图像采集传输系统J. 电子技术应用, 2009 (3): 92-93.8于春雪. W5100 在远程电力质量监测设备中的应用J. 电力系统通信, 2011, 32(9): 59-64.9Geng L. Current measurement device design based on MSP430 Single-Chip microcontrollerC/E-Product E-Service and E-Entertainment (ICEEE), 2010 International Conference on
19、. IEEE, 2010: 1-3.10Guangwei W, Haoran Z. Design of embedded ethernet communication interface based on ARM and W5100 J. Microcomputer & Its Applications, 2011, 5: 020.11国家建设部.CJT1882004户用计量仪表数据传输技术条件S.北京：中国标准出版社，2004.基金项目：河北省支撑基金资助项目 (编号：13210307D)。修改稿收到日期： 作者简介：第一作者：林涛（1970-），男，2007年毕业于河北工业大学控制理论与控制决策专业，获博士学位，河北工业大学教授、硕士生导师，主要从事计算机网络控制理论，网络管理与安全，嵌入式系统等方面的研究；