基于LPC2138和GPRS技术的无线抄表系统

0 引言
     随着经济的飞速发展，用电量需求越来越大，电能表的数量也迅速增加，同时，居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。传统的抄表方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，已经不适应现代物业管理的需要。为了提高对客户用电的管理水平，供电企业迫切希望通过现代化的手段，对用户用电的监测实现自动化、规范化。自动抄表技术正是为了适应电力系统的迅速发展及电力系统经营管理体制的改革而提出的。
     自动抄表(Automatic Meter Reading-AMR)系统是利用当代微机技术、数字通讯技术与电计量技术的完美结合，集计量、数据采集、传输、处理于一体，将城乡居民用电信息加以综合处理的系统。该系统使电力公司及物业管理部门从根本上减轻了人工上门抄表的劳动强度，克服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性，推进了电能管理现代化的发展进程。准确而便捷的收费系统，既可节省人工又可减少供电部门与客户之间的纠纷，不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代用户对用电缴费的新需求。本系统就是利用无线收发模块和GPRs模块实现的电能计量无线自动抄表系统。
   1 GPRS介绍
     通用无线分组业务(General Packet Radio Service，GPRS)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。简单的说，GPRS是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。网络容量只在所需时分配，不要时就释放，这种发送方式称为统计复用。目前，GPRS移动通信网的传输速度可达 115kb／s。GPRS是在GSM基础上发展起来的技术，是介于第二代数字通信和第三代分组型移动业务之间的一种技术，所以通常称为2．5G。
     GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)方式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料的单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。
     电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，而传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据的，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处。将现代通信技术、计算机技术和电能量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量的使用。而随着无线通信技术的发展，利用移动运营商提供的无线网络实现远程监控和数据传输已被广泛应用于各个领域。通过中国移动通信有限公司的GPRS网络，电力部门可将工业和民用电能表采集的电力系统实时数据传递到地、市、省级的集中监控中心，以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理。GPRS为电能远程抄表系统提供了简单、高效的通信传输手段。
     GPRS网络具有以下优点[8]：1)实时在线，接入速度快，甚至可以无需通过拨号上网而持续与网络连接；2)传输速率高，理论值最高可达171．2 kb／s；3)计费合理，以流量计费；4)快捷登录，GPRS用户开机后就始终附着在GPRS网络上，每次使用时只需一个1-3秒的激活过程。因此， GPS车载终端、自动抄表系统等远程遥测遥控系统利用GPRS实现数据传输将成为今后发展的趋势。
   2 系统总体结构
     自动抄表系统由监控中心、GPRS模块、GPRS数据传输无线通道、集中器、采集器和用户电表等组成，如图1所示。
   
       数据采集器通过LPC2138串口定时采集用户电表数据，并存储在采集器的存储器中。当集中器发送指令时，采集器就可以根据指令内容进行相应操作，通过射频模块把用户电表的历史电量数据和当前电表数据发送给集中器，经集中器处理后存储起来，用户可以通过键盘和LCD查询并显示出来。集中器把收集好的数据通过RS-232接口传输给GPRS模块，然后通过GPRS无线网络发送到电力公司的监控中心。监控中心对用电数据进行统计处理，实现对用户电表的自动测量采集数据、自动传输数据及远程自动化监控。同时，通过GPRS的双向系统实现对计量设备的远程控制，进行参数调整、开关等控制操作。
     通过本系统，用户可以通过网上银行预交费，监控中心每月扣除用电费用，如果余额不足，就通过本系统向该用户电表发送控制信号，进行断电等操作。另外，监控中心可以通过局域网进行Web发布，用户就可以通过上网查询用电信息。
   3 系统硬件设计
     此系统的硬件可分为两个模块：采集器模块和集中器模块。其中，采集器和集中器可供选择的微控制器、无线收发芯片和GPRS模块较多，本系统是以ARM微控制器LPC2138、nRF903和MC55为基础完成的。
3．1 ARM微控制器LPC2138
     为了使系统稳定可靠，满足低功耗、智能化的设计要求，本系统选用了LPC2138作为采集器和集中器的核心控制器。LPC2138是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的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，由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可以连续工作，可以高效地完成采集器和集中器的数据处理、收发工作；
     (2)32kB的片内静态RAM和512kB的片内Flash程序存储器避免了LPC2138外扩存储器，简化了电路，提高了运行速度，128位宽度接口／加速器可实现高达60MHz的工作频率，可实现在线编程和用于非易失性程序的存储；
     (3)2个8路10位的A／D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时问低至2．44 μs。2个32位定时器／计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗；
     (4)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有缓冲作用及数据长度可变功能的SSP，包含多达47个通用I／O口(可承受5 V电压)，满足接入电表数多的要求；
     (5)多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，通过片内PLL(100 μs的设置时间)可实现最大为60 MHz的CPU操作频率；
     (6)单电源供电，具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路，CPU操作电压范围：3．0～3．6V(3．13v±10)，可与nRF903共用一个电源。
3．2 采集器模块
     采集器模块如图2所示，采集器与电表之问通过串行接口连接，采集器与集中器之间通过无线收发模块连接。采集器定时采集电表读数，并将该数据存储到片内静态RAM中；当采集器接收到集中器指令时，采集器或者传输历史存储电量数据和当前电表读数，或者进行校时等操作。
   
   3．3 集中器模块
     集中器模块如图3所示，单片机经过无线收发芯片nRF903收发数据，当从nRF903收到数据，经过处理后，存储到串行EEPROM中，并可通过显示器查看用户用电数据。同时，LPC2138与GPRS模块MC55互连，通过MC55和GPRS网络与监控中心通信。
   
   4 系统工作流程
     本系统大体上可分为三级：带通信接口的用户电表、采集和管理周边若干住户电表的集中器 (或采集器)、电业主管部门的管理中心。三级之间通过某种方式相连，进行数据通信。各种形式的抄表系统之间，主要区别在于所采取的级间通信方式不同。笔者在讨论各种通信方式和进行比较后，提出一种性价比较高的方案，即采用以串行接口、射频模块和GPRS为基础的自动抄表系统。其中用户电表与采集器之间通过串行接口通信，采集器与集中器之间通过射频模块通信，集中器与监控中心之间通过GPRS通信。
     系统的流程为：采集器定时从电表采集数据，存储到存储器中；集中器每月底从采集器采集数据，处理后存储起来；监控中心每月初从集中器采集用户电表数据，经统计处理后存储起来，供工作人员和用户查询。同时，本系统能实现实时监控，具体过程是监控中心通过GPRS网络向集中器发送查询或控制指令，集中器接收到指令后从采集器采集当前用户电表数据，然后传送给监控中心，或者通过采集器对电表进行控制，实现实时监控。
   
5 通信系统设计
     本系统采用了两种通信方式，既通过无线射频模块nRF903和GPRS模块MC55进行通信。各个采集器之间通过nRF903模块组成的无线局域网络进行通信，nRF903是一个为433／868／915MHz ISM频段设计的真正单片UHF多段无线收发芯片，它采用优化的GMSK调制解调技术，可在155．6KHz的有效带宽下传输最高76．8kb／s的数据，发射功率可以调整最大发射功率是+10dBm，天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线，所有的参数，包括工作频率和发射功率都可以通过一个14位的配置寄存器用SPI串行线进行设置，nRF903的工作电压范围是2．7～3．3V，而LPC2138的工作电压范围是3．0～3．6V，因此两者可共用一个电源；nRF903还具有待机模式，这样可以更省电和高效。nRF903满足欧州电信工业标准(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美国联邦通信委员会标准FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片时，先通过ARM微控制器LPC2138用SPI串行线对工作频率和发射功率等参数进行设置。当芯片进入工作状态后，可以根据需要通过LPC2138控制收发模式转换，或进行其他状态转换。
     MC55是Siemens公司生产的GPRS三频无线通讯模块，它是一种尺寸很小的GPRS模块。MC55适用于欧洲和亚洲频段场的频段 (850／1800／1900MHz)，除了具有GSM模块原有的功能外，还支持分组业务功能，内嵌TCP／IP协议栈，具有很高的可靠性和易用性，很适合在无线终端中作为通讯模块。MC55与LPC2138协同工作，完成集中器与监控中心的通信任务。MC55的开关机、工作方式、工作状态等均由 LPC2138控制，LPC2138通过AT指令来实现与MC55之间的通信和命令控制。
     远程抄表系统主要针对的是面广、量大的各类电表数据，因此选用移动通信公司的GPRS无线通信网络作为传输的媒介，既可以减少系统建设初期的投资费用，又减轻了网络运行维护工作量。由于GPRS具有实时在线特性，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。数据传送速率高，而且采用包月计费方式，运营成本低。同时，GPRS网络实际数据传输速率在40kb／s左右，完全能满足本系统对数据传输速率的需求。
   6 系统软件设计
     本系统的软件设计分采集器、集中器和监控中心三个层次，其中运行于采集器和集中器之间的程序采用C语言编写，经过ARM编译系统生成可执行程序，运行于LPC2138中。监控中心软件由Visual Basic 6．0开发，数据采用SQL Server数据库存储。软件采用结构化设计，便于完善和维护。同时做到界面美观，操作简便。
   
       现将采集器和集中器的部分程序流程加以分析。采集器部分数据收发的程序流程如图4所示。采集器完成初始化之后，先查看是否有数据输入，若没有，则定时采集用户用电信息，存储起来，进入低功耗模式；若有数据输入，则进入接收模式，接收数据。检查这些数据是否向上层发送用户信息，若是，就进入发送模式，向上层发送数据，完成后进入低功耗模式；若不是，则修改电表参数，然后进入低功耗模式。在以上流程中，采集器不主动发送用户信息，只有当集中器向采集器发送采集命令时才进入发送模式。集中器部分数据收发的程序流程图如图5所示。程序流程与采集器部分相似，这里不再赘述。在程序设计过程中，我们应注意到， nRF903的通信速率最高为76．8kb／s；发送数据之前需将电路置于发射模式：接收模式转换为发射模式的转换时间至少需要1．5ms；发射模式转换为接收模式的转换时间至少需要1．5ms。在待机模式中，电路不接收和发射数据。在低功耗模式中，电路进入不了工作状态，不接收和发射数据。待机模式和低功耗模式转换为发射模式的转换时间至少要4．1ms；待机模式和低功耗模式转换为接收模式的转换时间至少要5．0ms。
   7 系统的其他设计
     系统还有低功耗设计和安全设计等，低功耗设计的重点是对。nRF903的控制，如果 nRF903始终处于接收状态，整个系统的功耗就会很大，所以应尽量使nRF903处于待机状态。但待机状态中的nRF903又无法收到数据。所以为了解决此矛盾，使nRF903间歇性地工作在接收状态。为了保证系统的安全，采集器和集中器选用大容量存储器，确保对用户电表数据的保存，不怕掉电，可不断重复读写，当网络出现故障时，可以保证抄表数据不丢失。同时，所有数据的收发须增加两种以上的校验，使数据的传输准确可靠。另外，采集器和集中器的微控制器 LPC2138有看门狗电路，此电路对运行状态进行实时监测，避免程序因外界干扰而陷入死循环，造成整个系统陷入停滞状态。
   8 结束语
     本无线抄表系统的开发，实现了对用户用电信息的无线采集，并通过对数据的统计处理，实现了网上预交费和对用电情况的实时监测，有效防止了欠费和窃电等情况的发生。监控中心通过Internet对用户用电信息进行Web发布，方便了用户的查询，有效避免了纠纷的发生。同时，本系统成本较低，是一种高效、可靠的自动化抄表系统。