系統總體構成

　　自來水流量遠程監測系統的結構如圖1 所示。系統由若干監測終端、無線數據傳輸網絡和監控中心三部分組成。其中，監測終端安裝于各供水分區的監測點，及時將監測到的流量數據通過GPRS網絡傳輸到設在自來水公司的監控中心，由中心對各分區的數據進行分析，從而實現對各分區供水的科學管理。這里所說的供水分區不是一般的給水系統分區（并聯分區或串聯分區），而是在供水管網上安裝流量計將整個供水系統劃分成若干個供水區域，每個區域作為一個監測點，對管理區域內流進的自來水總量和實際銷售的水量進行量化管理，以此來了解和掌握各區域內的需水量、供銷差、漏失量、未收費水量等情況。

圖1  系統結構圖

　　其中，監測終端應實現下列功能：

　　（1）現場采集流量信息，包括瞬時流量、正向總量、反向總量、流量百分比、差值總量、流速等信息。

　　（2）具有遠程通信功能。定時將采集的流量信息通過GPRS網絡，上傳至監控中心。

　　（3）監測終端可以按監控中心的指令完成校時。

　　（4）停電復電時間記錄。監測流量計的供電，一旦停電立即記錄下停電時間，并報告監控中心，隨即進入睡眠模式；恢復供電時，記錄來電時間，也上傳到中心。

　　（5）歷史數據記錄。具有一定的非易失性數據存儲區，可在本地保存斷電/復電時間以及歷史數據。

　　（6）軟件在線升級。監測終端預留升級接口，可在不改變硬件設計的情況下根據用戶的需要對軟件進行升級，滿足不同用戶的需求。

　　監測終端的硬件設計

　　監測終端由單片機、 GPRS DTU(包括SIM卡、天線等)、供電電路、實時時鐘、Flash存儲器以及數據采集設備組成，如圖2所示。其中，虛線框中是需要用硬件實現的部分。

圖 2 監測終端的硬件組成

　　1 PIC16F877A單片機

　　鑒于監測終端設置在無人看管、環境較惡劣的地方，要求抗干擾能力強、性能可靠，采用了Microchip公司的PIC單片機中的PIC16F877A。

　　PIC16F877A單片機內部有 8K*14的Flash程序存儲器和368B的RAM數據存儲器；采用哈佛結構，數據線和指令線分離，取數據和取指令可以同時進行，執行效率高、速度快。

　　2 GPRS DTU

　　無線通信模塊采用成都眾山科技有限公司的ZSD2110 GPRS DTU。ZSD2110是一款使用GPRS進行無線數據傳輸的終端設備，支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復雜網絡協議，支持透明數據傳輸和用戶自由控制傳輸模式，同時支持點對點、點對多點、設備間、設備與中心間等各種不同的通信模式。

　　3 串行通信接口

　　從圖2中可看出，單片機采集數據以及跟DTU之間的通信都是通過串行接口，而PIC16F877A只有一個USART接口。這里采用分時復用的原則，通過一片4位總線開關芯片FST3125在流量計與DTU之間切換，平時與流量計接通，采集數據，上傳時間到時，斷開與流量計的連接，接通DTU，上傳數據（必要時完成校時）。

　　4 DS1302實時時鐘

　　實時時鐘用于提供系統采樣、定時上傳、記錄斷電/復電時間等操作的時間基準，是本系統不可缺少的一部分。本設計選用了DS1302實時時鐘芯片。

　　DS1302使用32.768kHz的外部晶振，該振蕩電路不需要外接任何電阻或電容，設計簡單。需要注意的是，在晶振的選擇上，只能選用負載電容為6pF的32.768kHz晶振，否則可能會導致晶振不能起振，DS1302 不計時的問題。

　　5 SPI Flash存儲器

　　采用串行Flash作為外部存儲器，記錄歷史數據和斷電/復電時間。與以往的并行存儲器或鐵電存儲器相比，串行存儲器具有很大優勢。并行存儲器存儲容量大，讀寫速度快，但是抗干擾能力差；鐵電存儲器采用串行接口，抗干擾能力強，也具有很高的靈活性，可以單字節讀寫(不需要擦除，可直接改寫數據)，但其存儲密度小，單位成本高，讀寫速度較慢。而本系統中采用的M25P16存儲器綜合了這二者的優點，不僅存儲容量大，讀寫速度快，而且抗干擾能力強，占用MCU引腳資源少。

　　6 供電電路及掉電檢測

　　整個電路板上器件都工作在5V電壓下。

　　除了正常供電外，為保證在突然斷電的情況下，能及時記錄斷電時間，以備向監控中心報告，還需要備用電源以及斷電檢測電路。本系統主電源采用UPS供電，可保證在交流電斷電的情況下仍能工作，另外從220V交流電直接接一電源作為掉電檢測電路的輸入，經光耦隔離，連接到單片機的RB0引腳，斷電時，觸發單片機的RB0外部中斷實現斷電保護，讀取當前DS1302的時間保存到Flash存儲器，并經DTU上傳到監控中心，然后使單片機進入低功耗工作狀態。恢復供電時，同樣要記錄復電時間并上傳。

 　　監測終端的軟件設計

　　在監測終端的軟件設計中，采用模塊化設計，根據功能將程序劃分為多個模塊分別設計。這種設計方法不僅使得程序結構清晰，而且為以后新功能的擴展以及程序的移植提供了便利，在調試過程中也便于對軟件故障的定位。

　　軟件在MPLAB IDE8.10環境下，采用PICC編譯器，用C語言實現。主程序流程如圖3所示。監測終端上電后，先進行初始化，然后進入循環，根據條件調用各個子程序。其中初始化包括各I/O端口的方向設置、SPI初始化、中斷標志的設置等。寫數據到Flash時，須先判斷整個Flash是否寫滿，惹是須先擦除才能寫入新數據。

圖 3 主程序流程圖

　　在本系統中，單片機需處理多個任務，而且有的任務又是隨機的，故MCU采用查詢和中斷相結合的工作方式。其中，定時上報采用查詢方式，如圖3所示，而斷電檢測、來電喚醒則通過PIC單片機的RB0電平變化中斷來完成。但是，在中斷服務程序中，只簡單的設置掉電/復電標志，并不執行其他復雜的操作，相應的掉電/復電服務是在主程序中檢測到掉電/復電標志后才執行的。這是因為PIC16F877A單片機只有8層深度的硬件堆棧,在中斷里調用子程序極易出現堆棧溢出的情況。為了保證程序的可靠運行，故將讀取DS1302的時間、轉入睡眠模式等操作都放在主程序中執行，使中斷服務程序盡量短小，提高系統運行的可靠性。