无线摄像式智能抄表系统的设计与实现＊

吴卫军，瑚 琦，郑 遂，张祥安

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

自动抄表技术的发展经历了多个阶段，目前常用的自动抄表系统按照通信方式可分为有线和无线两种。有线传输抄表方式适用于集中的计量终端和距离较近的场所，常见的有公用电话网、有线电视网、RS485双绞线和电力线载波；无线传输抄表方式应用比较灵活，常用的有车载自动抄表系统和GSM／GPRS抄表系统。

目前，在智能电网的改造和建设过程中，常用的办法是用智能一体化电表直接替换原来的电网设备。这种方式不仅资金投入量大，而且浪费资源。为此，现设计了无线摄像式智能抄表系统，该系统只需在现有网络基础上，安装简单的具有图像处理和识别能力的抄表终端，就能实现无线智能抄表，尤其适合在广大的农村地区使用［1－2］。

1 无线摄像抄表系统的工作原理

无线摄像抄表系统的工作原理如图1所示，系统由无线摄像式抄表器［3］、数据处理中继器［4－5］、数据集中器［6－7］和控制中心服务器构成。首先抄表器对电能表计数表头拍照，然后通过SI4432无线模块把图像数据传输给中继器，如果数据接收无误，中继器再把图像数据通过ZigBee转发给数据集中器，数据集中器对接收到的图像数据进行数字识别后再通过GPRS把识别出的电能表读数发给控制中心，从而完成远程无线抄表。

图1 无线智能摄像抄表系统工作原理图Fig.1 Operating principle of camera－based wireless meter reading system

2 无线摄像抄表系统的硬件结构

如图1所示，系统硬件主要由无线摄像式抄表器、数据处理中继器、数据集中器和控制中心服务器4个部分组成。抄表器直接安装在原有电度表的表盘上采用定时摄像的方式采集电能表读数区域的图片；中继器安装在电度表比较集中区域的电杆顶端，用来延长数据传输距离和验证数据的完整性；集中器主要用来处理图像数据和管理下级节点；控制中心是整个系统的核心终端，用来控制系统和收集用户数据。系统的各部分组成具体如下：

2.1 无线摄像式抄表器

无线摄像式抄表器的硬件框图如图2所示，它由微处理器MSP430F447、图像传感器OV7670、FIFO存储器芯片AL422B和SI4432无线模块组成。在抄表器中，微处理器既要满足电池供电能力有限引起的功耗要求，又要有一定的数据处理能力和相关的外设接口。MSP430F447有着强大的数据处理能力和超低功耗的特点，自带32k的FLASH和1k的RAM，有I2C，UART等丰富的外设接口，能很好地满足抄表器低功耗的要求；图像传感器采用Ommivision生产的CMOS芯片OV7670，该芯片体积小，工作电压低，支持VGA，GIF等各种格式，主芯片通过标准的SCCB总线来配置其寄存器，通过FIFO芯片来存储图像数据。在系统中为了降低无线传输的数据量，微处理器通过SCCB总线配置其输出黑白图像数据；SI4432是Silicon Labs生产的一款远距离无线芯片，接收灵敏度为－117dBm，发射功率为11～20dBm，有效通信距离为1.7km，在系统中SI4432无线模块工作在470MHz频率，发射功率设置为最大；AL422B是一款容量为393216字节的FIFO存储芯片，其所有的寻址，刷新等操作都是在芯片内部的控制系统内完成的，具有独立的读写操作能力。

图2 无线摄像抄表器的硬件框图Fig.2 Hardware block diagram of camera－based wireless meter reading machine

抄表器直接安装在原有电度表的表盘上，摄像头正对电能表的读数区域。当抄表器定时唤醒后，LED被点亮，CMOS开始拍照，拍照后的数据先通过8位数据总线存储在FIFO芯片中，然后MSP430通过8位数据总线从FIFO芯片中读取数据。当一帧图像采集完成后，关闭LED和CMOS，同时将数据通过SI4432无线模块发送给中继器，一次采集完成后抄表器进入休眠状态，直到下次定时唤醒。由于SI4432无线模块的传输距离有限，因此实际安装时采集器与中继器距离不超过300m。

2.2 图像传输处理中继器

中继器主要用来延长数据传输距离和验证数据的完整性，它由MCU处理器、外部SRAM、SI4432无线传输模块和ZigBee无线模块组成，外置天线并配有锂电池、太阳能极板和防水外壳。其中MCU采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6处理器，它基于ARM的Cortex－M3内核，最高工作频率可达72MHz，具有单周期的乘法和除法器件，具有512k的FLASH，支持SRAM、NOR和NAND存储器，内部集成了RTC，多种外设接口模式以及DMA控制器等；SRAM选择256×16kB容量大小的存储器，以保证图像数据的完全存储；SI4432无线传输模块支持远距离通信，ZigBee无线模块具有自动组网功能，且工作在2.4GHz的开放频带。

中继器的工作原理是：当接收到抄表器的请求指令后，主芯片控制SI4432开始接收图像数据，并将图像数据保存在外接SRAM存储器中，当验证图像数据完整无误后再把数据通过ZigBee转发给集中器处理，中继器是太阳能和蓄电池供电，故可以长时间连续工作而不用维护。

2.3 数据集中器

集中器主要用来处理图像数据和管理下级节点，硬件结构框图如图3所示：它由ARM 处理器、NAND FLASH、ZigBee无线传输模块、GPRS收发模块和SD卡等组成，其处理器仍然采用STM32F103ZET6处理器，带2GB的Nand FLASH和SD存储器，以保证足够的存储空间和处理速度；无线传输模块仍然选择支持ZigBee的CC2530模块；GPRS选用西门子的GPRS模块，通过串口与MCU连接，只需内置SIM卡即可实现远距离数据传输；电源由220V转5V的AC－DC模块组成，整体外部配有防水功能的合金屏蔽盒，两个吸盘式天线从模块引出并外置。

集中器的工作原理是：在接到中继的传输请求后，按照分配的地址顺序，接收并判断各个终端的图像数据并在内部进行图像处理，处理完毕后通过GPRS把数值上传到控制中心，从而完成用户电表的数据采集；另外控制中心也可以通过给GPRS指令来控制下级节点，大大增强了系统的稳定性和可控性。

图3 数据集中器的硬件框图Fig.3 Hardware block diagram of Concentrator

2.4 控制中心

控制中心是一台有独立外网IP地址的服务器，GPRS把数据上传至网络后，服务器联网后即可接收集中器通过GPRS发送过来的数据，同时还能给其发送指令来控制整个系统的运行，在控制中心可以实时地查看智能电网区域内的用户电表读数。

3 无线摄像抄表系统的数据处理流程

在无线抄表系统中，1个控制中心理论上可以控制上万个采集器，不过在实际工作中，为了充分考虑采集时间，现设定的阈值是1个控制器最多控制500个采集器。由于采集器数量比较多，因此在软件设计时需充分考虑数据传输协议，以此来保证数据的完整性和准确性。采集器是数据最原始的来源，是系统与用户的桥梁，它的设计决定着系统后续处理的稳定性，其工作流程图如图4所示。

集中器是控制中心和下面节点之间的桥梁，配有高性能的ARM内核处理器，它把抄表器传输过来的图片进行处理得到电能表的数值。集中器的软件设计决定着整个系统的稳定性和准确性，其数据处理流程如图5所示。

图4 采集器的数据处理流程Fig.4 Data processing flow chart of of the collector

图5 数据集中器的数据处理流程Fig.5 Data processing flow chart of the concentrator

4 结束语

无线摄像抄表系统安装简单、维护成本低，用户无需更换已有的常规电度表，系统通过自动定时摄像得到电能表读数区的图片信息，进行图像数字识别后将数据传送到控制中心，从而完成远程自动抄表，在广大农村电网改造过程中，具有很好的推广价值。

［1］ 陈拥军，姜 宪.农村电力需求评价和电网规划［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［2］ 王义辉，陆丰勤，陈庆伟.现代电能质量监测装置的数据采集系统设计［J］.淮阴工学院学报，2006，15（5）：51－54.

［3］ 张 岐.基于 MSP430的远程无线监控模块设计［J］.牡丹江大学学报，2007，16（6）：110－111.

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［5］ 任秀丽.ZigBee无线通信协议实现技术的研究［J］.计算机工程与应用，2007，43（6）：143－144.

［6］ 韩晓萍，邵宏强，李佰国.GPRS技术在电力远程抄表系统中的应用［J］.电子测量与仪器学报，2005，19（4）：81－84.

［7］ 栗玉霞，徐建政，刘爱兵.GPRS技术在自动抄表系统中的应用［J］.电力自动化设备，2003，23（12）：52－54.