CN206388029U - 一种基于gprs和m‑bus的远程无线热抄表系统 - Google Patents

Abstract

一种基于GPRS和M‑BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于它包括电源转换模块、MCU模块、M‑BUS数据转换模块、射频模块和通信模块；优越性在于：运营费用低、在线传输速率快、实时性强、控制可靠，市场的认可度高；底层通信采用M‑BUS总线通信方式，解决了RS485总线需要在总线终端加匹配电阻，损失部分总线功耗，减弱了带负载能力这一难题；解决了局部节点组网通信距离短等问题；且布线方便、管理简单。

Description

一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统

(一)技术领域：

本实用新型属于抄表技术领域，特别是一种基于GPRS(通用分组无线服务技术General Packet Radio Service)和M-BUS(远程抄表系统Symphonic Meter-Bus)的远程无线热抄表系统。

(二)背景技术：

改革开放以来，我国的经济迅猛发展，各项工程建设取得了令人瞩目的巨大成就。随着科技的进步和发展，远程抄表系统已经成为建设智能小区中重要组成部分。我国在这个领域起步较晚,但是发展势头非常迅猛。

目前远程抄表多半采用短信通信定时上报方式进行抄表，这种抄表方式比较落后、费用高、实时性差、远程控制能力差、无法及时准确监控现场热表的运行情况等缺点，针对目前抄表方式存在种种弊端，提出并设计了基于GPRS和M-BUS的实时在线无线网络远程抄表系统，该系统具有实时在线、远程传输、控制可靠等优点。

随着电子技术和无线网络迅速的发展，基于GPRS无线网络的远程实时在线抄表技术越来越成熟，传统人工抄表和基于GSM(全球移动通信系统Global System for MobileCommunication)主动上报抄表方式很容易被基于GPRS和M-BUS的实时在线抄表方式所取代，该系统具有广阔和良好的应用发展前景。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，它可以克服现有技术的不足，是一种安全可靠、结构简单、稳定准确的无线抄表系统。

本实用新型的技术方案：一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于它包括电源转换模块、MCU(微控制单元Micro Controller Unit)模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块；其中，所述电源转换模块的输入端经接线端子与外部电源相连，其输出端分别为MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块供电；所述MCU模块分别与M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块呈双向连接。

所述电源转换模块是由开关电源和DC/DC电压转换芯片构成，电压24V转3.3V采用LM2576S-3.3稳压芯片，电压24V转3.9V采用LM2576S-ADJ稳压芯片；所述开关电源的输出端连接DC/DC电压转换芯片的输入端；所述DC/DC电压转换芯片的输出端将转换后的电输送给MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块。

所述M-BUS数据转换模块是由数据采集单元和数据转换单元组成；所述数据采集单元有与待抄热表上两条无极性数据线相连的1号M-输入端子和2号M+输入端子；所述数据采集单元的输入端采集待抄热表的数据，其输出端与数据转换单元的输入端连接；所述数据转换单元的输出端有与MCU模块相连的5号Tin端子和6号Rout端子。

所述1号M-输入端子和2号M+输入端子之间有TVS保护和短路保护。

所述5号Tin端子和6号Rout端子与MCU模块之间通过UART(通用异步收发传输器Universal Asynchronous Receiver Transmitter)相连。

所述射频模块是由GPRS无线模块和SIM卡电路构成；所述GPRS无线模块选用华为MG301芯片，GPRS芯片的开机、复位、数据传送引脚与MCU模块相连，数据交互通过UART与MCU模块相连，数据收发引脚和SIM卡引脚与SIM卡座相连；MG301模块共有68个引脚，系统设计时所用到的引脚是:电源引脚、数据收发引脚、复位引脚、SIM卡引脚、模块工作状态引脚、开关机控制引脚。

所述通信模块是由RS485通讯电路和RS232通讯电路组成，所述通信模块的电源输入引脚与电源转换模块的输出端相连；RS485和RS232通讯电路数据交互端经UART与MCU模块连接；所述RS485通讯电路和RS232通讯电路的数据输入端经外部端子与外部数据线相连。

所述RS485通讯电路中有SP34816芯片；所述RS232通讯电路中有MAX3232芯片。

所述MCU模块是由单片机、外部时钟电路、复位电路、数据存储和JATG(联合测试行为组织Joint Test Action Group)接口电路组成；所述MCU模块经UART与GPRS无线模块的MG301芯片、M-BUS转换模块、RS485通讯电路和RS232通讯电路连接，所述复位电路采用TPS3820芯片，数据储存采用ATMEL1508芯片。

所述单片机采用飞思卡尔公司K10系列MK10DN512VLL10芯片；所述K10单片机芯片与M-BUS数据转换模块的5号Tin端子和6号Rout端子之间通过UART通信串口相连；所述K10单片机芯片与通信模块的数据交互端连接。

所述远程无线抄表系统由抄表数据管理中心、抄表设备和热表组成；所述远程无线抄表系统与抄表设备之间是通过GPRS网络进行远程通信；所述抄表设备与热表之间通过M-BUS总线形成一个主从网络。

本实用新型的具体工作方法如下：

(1)抄表设备上电之后，系统时钟、端口、串口等模块开始初始化，从存储芯片中读取抄表设备参数，如果读取设备参数不正确，则设备不能正常工作；

(2)当抄表设备读取设备参数成功之后，GPRS上电启动注册2G网络，然后进行通信参数设置，打开GPRS数据业务与服务器建立连接；

(3)当抄表设备与服务器建立连接后，数据通过GPRS模块，判断数据是否是对热表操作，如果指令不是对热表操作，那么就是对抄表设备进行参数设置操作。GPRS模块内嵌TCP/IP(传输控制协议/因特网互联协议——Transmission Control Protocol/InternetProtocol)通讯协议，只需给GPRS模块正确的上电时序和发送正常开机控制指令，就能正常通信，实现抄表管理系统和抄表设备之间的数据交互。GPRS完成启动、注册、打开TCP/IP通讯、与服务器建立网络连接，若此时GPRS状态指示灯开始闪烁，表明GPRS连接和通信正常，可以开始进行抄表工作；

(4)远程抄表设备与热表之间采用的M-BUS总线相连接，它们之间的数据交互都是通过M-BUS总线进行的。GPRS登陆之后，抄表设备根据已设置填写的抄表地址，当接到“发送抄表指令”时，开始抄表。若抄表设备抄表成功，数据将正常上传。如果指令是对表操作将指令透传给热表，等待热表回复，当热表回复的数据给抄表设备时，对数据进行检测，如果数据正确完整将抄表数据通过GPRS透传给服务器，如果检测到数据不正确时，需要重新发送指令给热表；

(5)第一块表抄表成功、数据存储完毕之后，接着读取抄表设备下第二块表的地址，抄表设备检测到抄表指令之后，直接透传给热表，热表接受到指令立刻抄表，并把数据返回给抄表设备，抄表设备检测数据正确性和完整性之后，将数据上传给抄表管理系统，抄表管理系统检测数据的正确性和完整性之后，解析和存储数据。

本实用新型的工作原理：

本系统所采用的开关电源可将220VAC转换成24VDC，其输出功率为100W,电流达到4.5A。24V经稳压滤波处理后直接给DC/DC电压转换芯片供电，24V经过LM2576S-3.3稳压后得到3.3V为MCU模块中的处理芯片K10供电，同时为通信模块中的RS485通讯、RS232通讯供电，24V经过LM2576S-ADJ稳压后得到3.9V为射频模块中的GPRS芯片MG301供电。

M-BUS数据转换模块实现数据和数据格式之间的转换，将M-BUS数据传输方式转换为标准TTL电平，直接与MCU模块连接，M-BUS总线是一种半双工通信总线，仅使用两条无极性的数据线来同时实现数据传输和为从站仪表供电，而各个子站并联在总线上。下传采用电压信号，从远程抄表集中器(主站)向热表(从站)端传输的数字信号采用总线电压值的变化来进行调制。两总线之间电压在12V到42V之间表示逻辑“1”，两总线之间电压在-10V到12V之间表示逻辑“0”。而上传数据使用电流环方式，从热表终端(从站)向远程抄表集中器(主站)传输的数据信号采用电流值的变化来表示，也就是由热表终端向集中器(主站)发送的数据流是一种电流脉冲序列，通常用的电流值1.5mA表示状态“1”，热表终端通过使电流增加11mA到20mA来表示状态“0”。在稳态时线路上的值为持续的“1”状态。

射频模块即数据传输终端，GPRS模块内嵌TCP/IP通讯协议，只需给GPRS模块正确的上电时序和发送正常开机控制指令，就能正常通信，实现抄表管理系统和抄表设备之间的数据交互。

MCU与GPRS模块之间数据交互是通过异步串行通信接口实现的。MG301复位管脚用于实现模块硬件复位，通过拉低复位引脚超过10ms后，模块启动硬件复位，当硬件复位完成后，软件启动开机流程，开机后软件会根据实际设置情况上报相关信息。MG301模块没有预留SIM卡座，由放置在接口板上SIM卡座，将SIM卡相关信号引到外部。上述开关机控制引脚与K10单片机相连，实现MCU模块MG301模块的上电控制，当MG301模块上电启动后，主控MCU通过串口向GPRS发送AT指令，控制MG301模块运行。这些引脚与外围电路连接，共同搭建起GPRS通信模块电路，保证抄表设备的远程通信功能。上述模块工作状态引脚与外部LED灯相连，通过该接口输出的脉冲信号来控制用户接口板上的LED状态指示灯，显示网络连接的状态。LED状态指示灯闪烁的不同模式，代表了不同的网络状态，休眠模式：持续低电平；搜索网状态或无网络时(包含无SIM卡或未解PIN码时)：周期为1s，高电平输出0.1s；已注册上2G网络：周期为3s，高电平输出0.1s；GPRS数据业务：周期为0.125s，高电平输出0.1s。

通讯模块即RS485通信和RS232通信，其方便底层的硬件调试，为了提高、优化整个硬件系统通信的可靠性与兼容性，本系统采用RS485通信和RS232通信两种通信方式。RS485的电气特性：采用差分信号负逻辑，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示；逻辑"1"以两线间的电压差为+(2～6)V表示，485通讯接口只需要两根通讯线，连接RS485通信链路时用一对双绞线将接口的“A”、“B”端连接起来即可，这种数据传输的连接，是半双工的通讯方式。RS232使用-12V表示逻辑“1”，12V表示逻辑“0”，是全双工通讯方式，可用3条通信线(RX,TX,GND)通信。

MCU模块即底层数据处理中心，MCU模块中的JATG接口电路即抄表设备下载电路，是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试。上述复位电路，实现MCU异常自动复位功能，远程无线抄表设备是实时在线，设备一直处于运行的状态，当程序因为客观因素MCU工作不正常时，所设计的自动复位电路能够自动复位，使设备能重新复位上电运行，保证设备稳定运行。

MCU模块主要负责控制抄表设备的运行。当MCU接收到下发抄表指令后需要检查指令是否正确和完整，只有正确和完整的抄表指令才被下发到热表。另外MCU需要控制M-BUS电路的开启和关闭，当抄表设备与热表进行数据交互时，M-BUS电路是开启的，当MCU判断抄表已经完成，MCU控制M-BUS电路及时关闭，防止M-BUS电路长时间开启而造成芯片发热。当抄表信息返回到抄表设备的MCU中，需要检测抄表信息是否正确和完整，只有完整和正确的热表信息才能上传抄表管理系统。

底层数据处理中心即远程抄表设备的MCU，主要负责控制抄表设备的运行与GPRS数据的传输。在抄表设备上开发了GPRS通信控制程序，实现数据传输终端与数据管理中心之间的实时在线通信，M-BUS总线驱动，实现M-BUS与热表之间通讯，并且制定数据管理中心、抄表设备与热表之间的通讯协议。远程数据管理中心、抄表设备、热表之间数据采用透明转发的方式，远程数据管理中心通过通讯协议管理系统下所有的抄表设备和热表,包括抄表设备基本信息和运行参数的修改，热表数据的抄收等操作。

本实用新型主要是基于GPRS和M-BUS远程无线抄表系统设计和实现，根据用户的需求、结合当前远传无线抄表技术的发展，设计一套安全、可靠、稳定、准确的无线抄表系统，远程服务器端通过GPRS网络将抄表命令下传给抄表设备，抄表设备通过M-BUS将抄表命令发送给仪表，仪表接到抄表命令后迅速抄表，并将抄表数据通过M-UBS总线回传给抄表设备，抄表设备通过GPRS无线网络将数据发送给服务器，这样仪表管理人员可在服务器端抄到现场仪表数据。该系统能实时监控现场仪表的运行情况，而且可以确保数据的实时性。

本实用新型的优越性在于：采用GPRS远程无线抄表方式，运营费用低、在线传输速率快、实时性强、控制可靠，市场的认可度高；底层通信采用M-BUS总线通信方式，解决了RS485总线需要在总线终端加匹配电阻，损失部分总线功耗，减弱了带负载能力这一难题；解决了局部节点组网通信距离短等问题；M-BUS总线通信方式具有功耗低，几乎不消耗仪表上的电量，且布线方便、管理简单。

(四)附图说明：

图1为本实用新型所涉一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统的总体结构示意图。

图2为本实用新型所涉一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统中电源转换模块的工作原理示意图。

图3为本实用新型所涉一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统中M-BUS数据转换模块的端子示意图。

图4为本实用新型所涉一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统中MCU模块的结构示意图。

图5为本实用新型所涉一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统总体层次示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统(见图1)，其特征在于它包括电源转换模块、MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块；其中，所述电源转换模块的输入端经接线端子与外部电源相连，其输出端分别为MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块供电；所述MCU模块分别与M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块呈双向连接。

所述电源转换模块是由开关电源和DC/DC电压转换芯片构成，电压24V转3.3V采用LM2576S-3.3稳压芯片，电压24V转3.9V采用LM2576S-ADJ稳压芯片；所述开关电源的输出端连接DC/DC电压转换芯片的输入端；所述DC/DC电压转换芯片的输出端将转换后的电输送给MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块(见图2)。

所述M-BUS数据转换模块是由数据采集单元和数据转换单元组成；所述数据采集单元有与待抄热表上两条无极性数据线相连的M+输入端子2和M-输入端子1(见图3)；所述数据采集单元的输入端采集待抄热表的数据，其输出端与数据转换单元的输入端连接；所述数据转换单元的输出端有与MCU模块相连的Tin端子5和Rout端子6。

所述M+输入端子2和M-输入端子1之间有TVS保护和短路保护。

所述Tin端子5和Rout端子6与MCU模块之间通过UART相连。

所述射频模块是由GPRS无线模块和SIM卡电路构成；所述GPRS无线模块选用华为MG301芯片，GPRS芯片的开机、复位、数据传送引脚与MCU模块相连，数据交互通过UART与MCU模块相连，数据收发引脚和SIM卡引脚与SIM卡座相连。MG301模块共有68个引脚，系统设计时所用到的引脚是:电源引脚、数据收发引脚、复位引脚、SIM卡引脚、模块工作状态引脚、开关机控制引脚。

所述通信模块是由RS485通讯电路和RS232通讯电路组成，所述通信模块的电源输入引脚与电源转换模块的输出端相连；RS485和RS232通讯电路数据交互端经UART与MCU模块连接；所述RS485通讯电路和RS232通讯电路的数据输入端经外部端子与外部数据线相连。

所述RS485通讯电路中有SP34816芯片；所述RS232通讯电路中有MAX3232芯片。

所述MCU模块是由单片机、外部时钟电路、复位电路、数据存储和JATG接口电路组成；所述MCU模块经UART与GPRS无线模块的MG301芯片、M-BUS转换模块、RS485通讯电路和RS232通讯电路连接(见图4)，所述复位电路采用TPS3820芯片，数据储存采用ATMEL1508芯片。

所述单片机采用飞思卡尔公司K10系列MK10DN512VLL10芯片；所述K10单片机芯片与M-BUS数据转换模块的Tin端子5和Rout端子6之间通过通信串口相连；所述K10单片机芯片与通信模块的数据交互端连接。

所述远程无线抄表系统由抄表数据管理中心、抄表设备和热表组成(见图5)；所述远程无线抄表系统与抄表设备之间是通过GPRS网络进行远程通信；所述抄表设备与热表之间通过M-BUS总线形成一个主从网络。

Claims (10)

1.一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于它包括电源转换模块、MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块；其中，所述电源转换模块的输入端经接线端子与外部电源相连，其输出端分别为MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块供电；所述MCU模块分别与M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块呈双向连接。

2.根据权利要求1所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述电源转换模块是由开关电源和DC/DC电压转换芯片构成，电压24V转3.3V采用LM2576S-3.3稳压芯片，电压24V转3.9V采用LM2576S-ADJ稳压芯片；所述开关电源的输出端连接DC/DC电压转换芯片的输入端；所述DC/DC电压转换芯片的输出端将转换后的电输送给MCU模块、M-BUS数据转换模块、射频模块和通信模块。

3.根据权利要求1所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述M-BUS数据转换模块是由数据采集单元和数据转换单元组成；所述数据采集单元有与待抄热表上两条无极性数据线相连的1号M-输入端子和2号M+输入端子；所述数据采集单元的输入端采集待抄热表的数据，其输出端与数据转换单元的输入端连接；所述数据转换单元的输出端有与MCU模块相连的5号Tin端子和6号Rout端子。

4.根据权利要求3所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述1号M-输入端子和2号M+输入端子之间有TVS保护和短路保护；所述5号Tin端子和6号Rout端子与MCU模块之间通过UART相连。

5.根据权利要求1所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述射频模块是由GPRS无线模块和SIM卡电路构成；所述GPRS无线模块选用华为MG301芯片，GPRS芯片的开机、复位、数据传送引脚与MCU模块相连，数据交互通过UART与MCU模块相连，数据收发引脚和SIM卡引脚与SIM卡座相连；MG301模块共有68个引脚，系统设计时所用到的引脚是：电源引脚、数据收发引脚、复位引脚、SIM卡引脚、模块工作状态引脚、开关机控制引脚。

6.根据权利要求1所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述通信模块是由RS485通讯电路和RS232通讯电路组成，所述通信模块的电源输入引脚与电源转换模块的输出端相连；RS485和RS232通讯电路数据交互端经UART与MCU模块连接；所述RS485通讯电路和RS232通讯电路的数据输入端经外部端子与外部数据线相连。

7.根据权利要求6所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述RS485通讯电路中有SP34816芯片；所述RS232通讯电路中有MAX3232芯片。

8.根据权利要求1所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述MCU模块是由单片机、外部时钟电路、复位电路、数据存储和JATG接口电路组成；所述MCU模块经UART与GPRS无线模块的MG301芯片、M-BUS转换模块、RS485通讯电路和RS232通讯电路连接，所述复位电路采用TPS3820芯片，数据储存采用ATMEL1508芯片。

9.根据权利要求8所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述单片机采用飞思卡尔公司K10系列MK10DN512VLL10芯片；所述K10单片机芯片与M-BUS数据转换模块的5号Tin端子和6号Rout端子之间通过UART通信串口相连；所述K10单片机芯片与通信模块的数据交互端连接。

10.根据权利要求1所述一种基于GPRS和M-BUS的远程无线热抄表系统，其特征在于所述远程无线抄表系统由抄表数据管理中心、抄表设备和热表组成；所述远程无线抄表系统与抄表设备之间是通过GPRS网络进行远程通信；所述抄表设备与热表之间通过M-BUS总线形成一个主从网络。