基于LPC2138和GPRS技術的無線抄表系統(tǒng)

0 引言
    隨著經濟的飛速發(fā)展，用電量需求越來越大，電能表的數(shù)量也迅速增加，同時，居民住宅的質量和檔次越來越高，住戶對住宅環(huán)境、物業(yè)管理水平的要求也日益提高。傳統(tǒng)的抄表方式存在許多弊端，如入戶麻煩、管理費用過高、存在安全隱患等，已經不適應現(xiàn)代物業(yè)管理的需要。為了提高對客戶用電的管理水平，供電企業(yè)迫切希望通過現(xiàn)代化的手段，對用戶用電的監(jiān)測實現(xiàn)自動化、規(guī)范化。自動抄表技術正是為了適應電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展及電力系統(tǒng)經營管理體制的改革而提出的。
    自動抄表(Automatic Meter Reading-AMR)系統(tǒng)是利用當代微機技術、數(shù)字通訊技術與電計量技術的完美結合，集計量、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理于一體，將城鄉(xiāng)居民用電信息加以綜合處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使電力公司及物業(yè)管理部門從根本上減輕了人工上門抄表的勞動強度，克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，推進了電能管理現(xiàn)代化的發(fā)展進程。準確而便捷的收費系統(tǒng)，既可節(jié)省人工又可減少供電部門與客戶之間的糾紛，不但能提高管理部門的工作效率，也適應現(xiàn)代用戶對用電繳費的新需求。本系統(tǒng)就是利用無線收發(fā)模塊和GPRs模塊實現(xiàn)的電能計量無線自動抄表系統(tǒng)。

1 GPRS介紹
    通用無線分組業(yè)務(General Packet Radio Service，GPRS)是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。簡單的說，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術，其方法是以“分組”的形式傳送數(shù)據(jù)。網絡容量只在所需時分配，不要時就釋放，這種發(fā)送方式稱為統(tǒng)計復用。目前，GPRS移動通信網的傳輸速度可達 115kb／s。GPRS是在GSM基礎上發(fā)展起來的技術，是介于第二代數(shù)字通信和第三代分組型移動業(yè)務之間的一種技術，所以通常稱為2．5G。
    GPRS突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?Packet)方式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料的單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。
    電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的電量結算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)的，在實時性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處。將現(xiàn)代通信技術、計算機技術和電能量測量技術結合在一起，便能夠及時、準確、全面地反映電量的使用。而隨著無線通信技術的發(fā)展，利用移動運營商提供的無線網絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸已被廣泛應用于各個領域。通過中國移動通信有限公司的GPRS網絡，電力部門可將工業(yè)和民用電能表采集的電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳遞到地、市、省級的集中監(jiān)控中心，以實現(xiàn)對電力監(jiān)測設備的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。GPRS為電能遠程抄表系統(tǒng)提供了簡單、高效的通信傳輸手段。
    GPRS網絡具有以下優(yōu)點[8]：1)實時在線，接入速度快，甚至可以無需通過撥號上網而持續(xù)與網絡連接；2)傳輸速率高，理論值最高可達171．2 kb／s；3)計費合理，以流量計費；4)快捷登錄，GPRS用戶開機后就始終附著在GPRS網絡上，每次使用時只需一個1-3秒的激活過程。因此， GPS車載終端、自動抄表系統(tǒng)等遠程遙測遙控系統(tǒng)利用GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸將成為今后發(fā)展的趨勢。

2 系統(tǒng)總體結構
    自動抄表系統(tǒng)由監(jiān)控中心、GPRS模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸無線通道、集中器、采集器和用戶電表等組成，如圖1所示。

    數(shù)據(jù)采集器通過LPC2138串口定時采集用戶電表數(shù)據(jù)，并存儲在采集器的存儲器中。當集中器發(fā)送指令時，采集器就可以根據(jù)指令內容進行相應操作，通過射頻模塊把用戶電表的歷史電量數(shù)據(jù)和當前電表數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器，經集中器處理后存儲起來，用戶可以通過鍵盤和LCD查詢并顯示出來。集中器把收集好的數(shù)據(jù)通過RS-232接口傳輸給GPRS模塊，然后通過GPRS無線網絡發(fā)送到電力公司的監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對用電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，實現(xiàn)對用戶電表的自動測量采集數(shù)據(jù)、自動傳輸數(shù)據(jù)及遠程自動化監(jiān)控。同時，通過GPRS的雙向系統(tǒng)實現(xiàn)對計量設備的遠程控制，進行參數(shù)調整、開關等控制操作。
    通過本系統(tǒng)，用戶可以通過網上銀行預交費，監(jiān)控中心每月扣除用電費用，如果余額不足，就通過本系統(tǒng)向該用戶電表發(fā)送控制信號，進行斷電等操作。另外，監(jiān)控中心可以通過局域網進行Web發(fā)布，用戶就可以通過上網查詢用電信息。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)硬件設計
    此系統(tǒng)的硬件可分為兩個模塊：采集器模塊和集中器模塊。其中，采集器和集中器可供選擇的微控制器、無線收發(fā)芯片和GPRS模塊較多，本系統(tǒng)是以ARM微控制器LPC2138、nRF903和MC55為基礎完成的。
3．1 ARM微控制器LPC2138
    為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足低功耗、智能化的設計要求，本系統(tǒng)選用了LPC2138作為采集器和集中器的核心控制器。LPC2138是一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI2STMCPU微控制器，其主要性能是：
    (1)32位ARM7TDMI-S核，它具有高性能和低功耗的特性，由于使用了流水線技術，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可以連續(xù)工作，可以高效地完成采集器和集中器的數(shù)據(jù)處理、收發(fā)工作；
    (2)32kB的片內靜態(tài)RAM和512kB的片內Flash程序存儲器避免了LPC2138外擴存儲器，簡化了電路，提高了運行速度，128位寬度接口／加速器可實現(xiàn)高達60MHz的工作頻率，可實現(xiàn)在線編程和用于非易失性程序的存儲；
    (3)2個8路10位的A／D轉換器，共提供16路模擬輸入，每個通道的轉換時問低至2．44 μs。2個32位定時器／計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門狗；
    (4)多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有緩沖作用及數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP，包含多達47個通用I／O口(可承受5 V電壓)，滿足接入電表數(shù)多的要求；
    (5)多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳，通過片內PLL(100 μs的設置時間)可實現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率；
    (6)單電源供電，具有上電復位(POR)和掉電檢測(BOD)電路，CPU操作電壓范圍：3．0～3．6V(3．13v±10)，可與nRF903共用一個電源。
3．2 采集器模塊
    采集器模塊如圖2所示，采集器與電表之問通過串行接口連接，采集器與集中器之間通過無線收發(fā)模塊連接。采集器定時采集電表讀數(shù)，并將該數(shù)據(jù)存儲到片內靜態(tài)RAM中；當采集器接收到集中器指令時，采集器或者傳輸歷史存儲電量數(shù)據(jù)和當前電表讀數(shù)，或者進行校時等操作。

3．3 集中器模塊
    集中器模塊如圖3所示，單片機經過無線收發(fā)芯片nRF903收發(fā)數(shù)據(jù)，當從nRF903收到數(shù)據(jù)，經過處理后，存儲到串行EEPROM中，并可通過顯示器查看用戶用電數(shù)據(jù)。同時，LPC2138與GPRS模塊MC55互連，通過MC55和GPRS網絡與監(jiān)控中心通信。

4 系統(tǒng)工作流程
    本系統(tǒng)大體上可分為三級：帶通信接口的用戶電表、采集和管理周邊若干住戶電表的集中器 (或采集器)、電業(yè)主管部門的管理中心。三級之間通過某種方式相連，進行數(shù)據(jù)通信。各種形式的抄表系統(tǒng)之間，主要區(qū)別在于所采取的級間通信方式不同。筆者在討論各種通信方式和進行比較后，提出一種性價比較高的方案，即采用以串行接口、射頻模塊和GPRS為基礎的自動抄表系統(tǒng)。其中用戶電表與采集器之間通過串行接口通信，采集器與集中器之間通過射頻模塊通信，集中器與監(jiān)控中心之間通過GPRS通信。
    系統(tǒng)的流程為：采集器定時從電表采集數(shù)據(jù)，存儲到存儲器中；集中器每月底從采集器采集數(shù)據(jù)，處理后存儲起來；監(jiān)控中心每月初從集中器采集用戶電表數(shù)據(jù)，經統(tǒng)計處理后存儲起來，供工作人員和用戶查詢。同時，本系統(tǒng)能實現(xiàn)實時監(jiān)控，具體過程是監(jiān)控中心通過GPRS網絡向集中器發(fā)送查詢或控制指令，集中器接收到指令后從采集器采集當前用戶電表數(shù)據(jù)，然后傳送給監(jiān)控中心，或者通過采集器對電表進行控制，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

5 通信系統(tǒng)設計
    本系統(tǒng)采用了兩種通信方式，既通過無線射頻模塊nRF903和GPRS模塊MC55進行通信。各個采集器之間通過nRF903模塊組成的無線局域網絡進行通信，nRF903是一個為433／868／915MHz ISM頻段設計的真正單片UHF多段無線收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GMSK調制解調技術，可在155．6KHz的有效帶寬下傳輸最高76．8kb／s的數(shù)據(jù)，發(fā)射功率可以調整最大發(fā)射功率是+10dBm，天線接口設計為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線，所有的參數(shù)，包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過一個14位的配置寄存器用SPI串行線進行設置，nRF903的工作電壓范圍是2．7～3．3V，而LPC2138的工作電壓范圍是3．0～3．6V，因此兩者可共用一個電源；nRF903還具有待機模式，這樣可以更省電和高效。nRF903滿足歐州電信工業(yè)標準(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美國聯(lián)邦通信委員會標準FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片時，先通過ARM微控制器LPC2138用SPI串行線對工作頻率和發(fā)射功率等參數(shù)進行設置。當芯片進入工作狀態(tài)后，可以根據(jù)需要通過LPC2138控制收發(fā)模式轉換，或進行其他狀態(tài)轉換。
    MC55是Siemens公司生產的GPRS三頻無線通訊模塊，它是一種尺寸很小的GPRS模塊。MC55適用于歐洲和亞洲頻段場的頻段 (850／1800／1900MHz)，除了具有GSM模塊原有的功能外，還支持分組業(yè)務功能，內嵌TCP／IP協(xié)議棧，具有很高的可靠性和易用性，很適合在無線終端中作為通訊模塊。MC55與LPC2138協(xié)同工作，完成集中器與監(jiān)控中心的通信任務。MC55的開關機、工作方式、工作狀態(tài)等均由 LPC2138控制，LPC2138通過AT指令來實現(xiàn)與MC55之間的通信和命令控制。
    遠程抄表系統(tǒng)主要針對的是面廣、量大的各類電表數(shù)據(jù)，因此選用移動通信公司的GPRS無線通信網絡作為傳輸?shù)拿浇?，既可以減少系統(tǒng)建設初期的投資費用，又減輕了網絡運行維護工作量。由于GPRS具有實時在線特性，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。數(shù)據(jù)傳送速率高，而且采用包月計費方式，運營成本低。同時，GPRS網絡實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40kb／s左右，完全能滿足本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。[!--empirenews.page--]

6 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)的軟件設計分采集器、集中器和監(jiān)控中心三個層次，其中運行于采集器和集中器之間的程序采用C語言編寫，經過ARM編譯系統(tǒng)生成可執(zhí)行程序，運行于LPC2138中。監(jiān)控中心軟件由Visual Basic 6．0開發(fā)，數(shù)據(jù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲。軟件采用結構化設計，便于完善和維護。同時做到界面美觀，操作簡便。

    現(xiàn)將采集器和集中器的部分程序流程加以分析。采集器部分數(shù)據(jù)收發(fā)的程序流程如圖4所示。采集器完成初始化之后，先查看是否有數(shù)據(jù)輸入，若沒有，則定時采集用戶用電信息，存儲起來，進入低功耗模式；若有數(shù)據(jù)輸入，則進入接收模式，接收數(shù)據(jù)。檢查這些數(shù)據(jù)是否向上層發(fā)送用戶信息，若是，就進入發(fā)送模式，向上層發(fā)送數(shù)據(jù)，完成后進入低功耗模式；若不是，則修改電表參數(shù)，然后進入低功耗模式。在以上流程中，采集器不主動發(fā)送用戶信息，只有當集中器向采集器發(fā)送采集命令時才進入發(fā)送模式。集中器部分數(shù)據(jù)收發(fā)的程序流程圖如圖5所示。程序流程與采集器部分相似，這里不再贅述。在程序設計過程中，我們應注意到， nRF903的通信速率最高為76．8kb／s；發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將電路置于發(fā)射模式：接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少需要1．5ms；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時間至少需要1．5ms。在待機模式中，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。在低功耗模式中，電路進入不了工作狀態(tài)，不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機模式和低功耗模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少要4．1ms；待機模式和低功耗模式轉換為接收模式的轉換時間至少要5．0ms。

7 系統(tǒng)的其他設計
    系統(tǒng)還有低功耗設計和安全設計等，低功耗設計的重點是對。nRF903的控制，如果 nRF903始終處于接收狀態(tài)，整個系統(tǒng)的功耗就會很大，所以應盡量使nRF903處于待機狀態(tài)。但待機狀態(tài)中的nRF903又無法收到數(shù)據(jù)。所以為了解決此矛盾，使nRF903間歇性地工作在接收狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的安全，采集器和集中器選用大容量存儲器，確保對用戶電表數(shù)據(jù)的保存，不怕掉電，可不斷重復讀寫，當網絡出現(xiàn)故障時，可以保證抄表數(shù)據(jù)不丟失。同時，所有數(shù)據(jù)的收發(fā)須增加兩種以上的校驗，使數(shù)據(jù)的傳輸準確可靠。另外，采集器和集中器的微控制器 LPC2138有看門狗電路，此電路對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，避免程序因外界干擾而陷入死循環(huán)，造成整個系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)。

8 結束語
    本無線抄表系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了對用戶用電信息的無線采集，并通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，實現(xiàn)了網上預交費和對用電情況的實時監(jiān)測，有效防止了欠費和竊電等情況的發(fā)生。監(jiān)控中心通過Internet對用戶用電信息進行Web發(fā)布，方便了用戶的查詢，有效避免了糾紛的發(fā)生。同時，本系統(tǒng)成本較低，是一種高效、可靠的自動化抄表系統(tǒng)。