基于LPC2138和GPRS技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統

　　0 引言

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用電量需求越來(lái)越大，電能表的數量也迅速增加，同時(shí)，居民住宅的質(zhì)量和檔次越來(lái)越高，住戶(hù)對住宅環(huán)境、物業(yè)管理水平的要求也日益提高。傳統的抄表方式存在許多弊端，如入戶(hù)麻煩、管理費用過(guò)高、存在安全隱患等，已經(jīng)不適應現代物業(yè)管理的需要。為了提高對客戶(hù)用電的管理水平，供電企業(yè)迫切希望通過(guò)現代化的手段，對用戶(hù)用電的監測實(shí)現自動(dòng)化、規范化。自動(dòng)抄表技術(shù)正是為了適應電力系統的迅速發(fā)展及電力系統經(jīng)營(yíng)管理體制的改革而提出的。

　　自動(dòng)抄表(Automatic Meter Reading-AMR)系統是利用當代微機技術(shù)、數字通訊技術(shù)與電計量技術(shù)的完美結合，集計量、數據采集、傳輸、處理于一體，將城鄉居民用電信息加以綜合處理的系統。該系統使電力公司及物業(yè)管理部門(mén)從根本上減輕了人工上門(mén)抄表的勞動(dòng)強度，克服了傳統人工抄表模式的低效率和不確定性，推進(jìn)了電能管理現代化的發(fā)展進(jìn)程。準確而便捷的收費系統，既可節省人工又可減少供電部門(mén)與客戶(hù)之間的糾紛，不但能提高管理部門(mén)的工作效率，也適應現代用戶(hù)對用電繳費的新需求。本系統就是利用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和GPRS模塊實(shí)現的電能計量無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統。

　　1 GPRS介紹

　　通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)是一種基于GSM系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。簡(jiǎn)單的說(shuō)，GPRS是一項高速數據處理的技術(shù)，其方法是以“分組”的形式傳送數據。網(wǎng)絡(luò )容量只在所需時(shí)分配，不要時(shí)就釋放，這種發(fā)送方式稱(chēng)為統計復用。目前，GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)的傳輸速度可達 115kb／s。GPRS是在GSM基礎上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，是介于第二代數字通信和第三代分組型移動(dòng)業(yè)務(wù)之間的一種技術(shù)，所以通常稱(chēng)為2．5G。

　　GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過(guò)增加相應的功能實(shí)體和對現有的基站系統進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現分組交換，這種改造的投入相對來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶(hù)數據速率卻相當可觀(guān)。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包(Packet)方式來(lái)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(gè)頻道，理論上較為便宜。

　　電能計量是現代電力營(yíng)銷(xiāo)系統中的一個(gè)重要環(huán)節，而傳統的電量結算是依靠人工定期到現場(chǎng)抄取數據的，在實(shí)時(shí)性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處。將現代通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電能量測量技術(shù)結合在一起，便能夠及時(shí)、準確、全面地反映電量的使用。而隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，利用移動(dòng)運營(yíng)商提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控和數據傳輸已被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)中國移動(dòng)通信有限公司的GPRS網(wǎng)絡(luò )，電力部門(mén)可將工業(yè)和民用電能表采集的電力系統實(shí)時(shí)數據傳遞到地、市、省級的集中監控中心，以實(shí)現對電力監測設備的統一監控和分布式管理。GPRS為電能遠程抄表系統提供了簡(jiǎn)單、高效的通信傳輸手段。

　　GPRS網(wǎng)絡(luò )具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：1)實(shí)時(shí)在線(xiàn)，接入速度快，甚至可以無(wú)需通過(guò)撥號上網(wǎng)而持續與網(wǎng)絡(luò )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(hù)開(kāi)機后就始終附著(zhù)在GPRS網(wǎng)絡(luò )上，每次使用時(shí)只需一個(gè)1-3秒的激活過(guò)程。因此， GPS車(chē)載終端、自動(dòng)抄表系統等遠程遙測遙控系統利用GPRS實(shí)現數據傳輸將成為今后發(fā)展的趨勢。

　　2 系統總體結構

　　自動(dòng)抄表系統由監控中心、GPRS模塊、GPRS數據傳輸無(wú)線(xiàn)通道、集中器、采集器和用戶(hù)電表等組成，如圖1所示。

　　數據采集器通過(guò)LPC2138串口定時(shí)采集用戶(hù)電表數據，并存儲在采集器的存儲器中。當集中器發(fā)送指令時(shí)，采集器就可以根據指令內容進(jìn)行相應操作，通過(guò)射頻模塊把用戶(hù)電表的歷史電量數據和當前電表數據發(fā)送給集中器，經(jīng)集中器處理后存儲起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)和LCD查詢(xún)并顯示出來(lái)。集中器把收集好的數據通過(guò)RS-232接口傳輸給GPRS模塊，然后通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到電力公司的監控中心。監控中心對用電數據進(jìn)行統計處理，實(shí)現對用戶(hù)電表的自動(dòng)測量采集數據、自動(dòng)傳輸數據及遠程自動(dòng)化監控。同時(shí)，通過(guò)GPRS的雙向系統實(shí)現對計量設備的遠程控制，進(jìn)行參數調整、開(kāi)關(guān)等控制操作。

　　通過(guò)本系統，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)上銀行預交費，監控中心每月扣除用電費用，如果余額不足，就通過(guò)本系統向該用戶(hù)電表發(fā)送控制信號，進(jìn)行斷電等操作。另外，監控中心可以通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，用戶(hù)就可以通過(guò)上網(wǎng)查詢(xún)用電信息。

　　3 系統硬件設計

　　此系統的硬件可分為兩個(gè)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(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和GPRS模塊較多，本系統是以ARM微控制器LPC2138、nRF903和MC55為基礎完成的。

　　3．1 ARM微控制器LPC2138

　　為了使系統穩定可靠，滿(mǎn)足低功耗、智能化的設計要求，本系統選用了LPC2138作為采集器和集中器的核心控制器。LPC2138是一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(xiàn)技術(shù)，處理和存儲系統的所有部分都可以連續工作，可以高效地完成采集器和集中器的數據處理、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(jiǎn)化了電路，提高了運行速度，128位寬度接口／加速器可實(shí)現高達60MHz的工作頻率，可實(shí)現在線(xiàn)編程和用于非易失性程序的存儲；

　　(3)2個(gè)8路10位的A／D轉換器，共提供16路模擬輸入，每個(gè)通道的轉換時(shí)問(wèn)低至2．44 μs。2個(gè)32位定時(shí)器／計數器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門(mén)狗；

　　(4)多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標準UART、2個(gè)高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有緩沖作用及數據長(cháng)度可變功能的SSP，包含多達47個(gè)通用I／O口(可承受5 V電壓)，滿(mǎn)足接入電表數多的要求；

　　(5)多達9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳，通過(guò)片內PLL(100 μs的設置時(shí)間)可實(shí)現最大為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(gè)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(wèn)通過(guò)串行接口連接，采集器與集中器之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊連接。采集器定時(shí)采集電表讀數，并將該數據存儲到片內靜態(tài) RAM中；當采集器接收到集中器指令時(shí)，采集器或者傳輸歷史存儲電量數據和當前電表讀數，或者進(jìn)行校時(shí)等操作。

　　3．3 集中器模塊

　　集中器模塊如圖3所示，單片機經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF903收發(fā)數據，當從nRF903收到數據，經(jīng)過(guò)處理后，存儲到串行EEPROM中，并可通過(guò)顯示器查看用戶(hù)用電數據。同時(shí)，LPC2138與GPRS模塊MC55互連，通過(guò)MC55和GPRS網(wǎng)絡(luò )與監控中心通信。