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

　　4 系統工作流程

　　本系統大體上可分為三級：帶通信接口的用戶(hù)電表、采集和管理周邊若干住戶(hù)電表的集中器 (或采集器)、電業(yè)主管部門(mén)的管理中心。三級之間通過(guò)某種方式相連，進(jìn)行數據通信。各種形式的抄表系統之間，主要區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(jìn)行比較后，提出一種性?xún)r(jià)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(dòng)抄表系統。其中用戶(hù)電表與采集器之間通過(guò)串行接口通信，采集器與集中器之間通過(guò)射頻模塊通信，集中器與監控中心之間通過(guò)GPRS通信。
系統的流程為：采集器定時(shí)從電表采集數據，存儲到存儲器中；集中器每月底從采集器采集數據，處理后存儲起來(lái)；監控中心每月初從集中器采集用戶(hù)電表數據，經(jīng)統計處理后存儲起來(lái)，供工作人員和用戶(hù)查詢(xún)。同時(shí)，本系統能實(shí)現實(shí)時(shí)監控，具體過(guò)程是監控中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )向集中器發(fā)送查詢(xún)或控制指令，集中器接收到指令后從采集器采集當前用戶(hù)電表數據，然后傳送給監控中心，或者通過(guò)采集器對電表進(jìn)行控制，實(shí)現實(shí)時(shí)監控。

　　5 通信系統設計

　　本系統采用了兩種通信方式，既通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊nRF903和GPRS模塊MC55進(jìn)行通信。各個(gè)采集器之間通過(guò)nRF903模塊組成的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，nRF903是一個(gè)為433／868／915MHz ISM頻段設計的真正單片UHF多段無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GMSK調制解調技術(shù)，可在155．6KHz的有效帶寬下傳輸最高76．8kb／s的數據，發(fā)射功率可以調整最大發(fā)射功率是+10dBm，天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn)，以便于使用低成本的PCB天線(xiàn)，所有的參數，包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過(guò)一個(gè)14位的配置寄存器用SPI串行線(xiàn)進(jìn)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(gè)電源；nRF903還具有待機模式，這樣可以更省電和高效。nRF903滿(mǎn)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(huì )標準FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片時(shí)，先通過(guò)ARM微控制器LPC2138用SPI串行線(xiàn)對工作頻率和發(fā)射功率等參數進(jìn)行設置。當芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后，可以根據需要通過(guò)LPC2138控制收發(fā)模式轉換，或進(jìn)行其他狀態(tài)轉換。

　　MC55是Siemens公司生產(chǎn)的GPRS三頻無(wú)線(xiàn)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(chǎng)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(wù)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(wú)線(xiàn)終端中作為通訊模塊。MC55與LPC2138協(xié)同工作，完成集中器與監控中心的通信任務(wù)。MC55的開(kāi)關(guān)機、工作方式、工作狀態(tài)等均由 LPC2138控制，LPC2138通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現與MC55之間的通信和命令控制。

　　遠程抄表系統主要針對的是面廣、量大的各類(lèi)電表數據，因此選用移動(dòng)通信公司的GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )作為傳輸的媒介，既可以減少系統建設初期的投資費用，又減輕了網(wǎng)絡(luò )運行維護工作量。由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線(xiàn)特性，可很好地滿(mǎn)足系統對數據采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。數據傳送速率高，而且采用包月計費方式，運營(yíng)成本低。同時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)際數據傳輸速率在40kb／s左右，完全能滿(mǎn)足本系統對數據傳輸速率的需求。

　　6 系統軟件設計

　　本系統的軟件設計分采集器、集中器和監控中心三個(gè)層次，其中運行于采集器和集中器之間的程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)ARM編譯系統生成可執行程序，運行于 LPC2138中。監控中心軟件由Visual Basic 6．0開(kāi)發(fā)，數據采用SQL Server數據庫存儲。軟件采用結構化設計，便于完善和維護。同時(shí)做到界面美觀(guān)，操作簡(jiǎn)便。

　　現將采集器和集中器的部分程序流程加以分析。采集器部分數據收發(fā)的程序流程如圖4所示。采集器完成初始化之后，先查看是否有數據輸入，若沒(méi)有，則定時(shí)采集用戶(hù)用電信息，存儲起來(lái)，進(jìn)入低功耗模式；若有數據輸入，則進(jìn)入接收模式，接收數據。檢查這些數據是否向上層發(fā)送用戶(hù)信息，若是，就進(jìn)入發(fā)送模式，向上層發(fā)送數據，完成后進(jìn)入低功耗模式；若不是，則修改電表參數，然后進(jìn)入低功耗模式。在以上流程中，采集器不主動(dòng)發(fā)送用戶(hù)信息，只有當集中器向采集器發(fā)送采集命令時(shí)才進(jìn)入發(fā)送模式。集中器部分數據收發(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(guò)程中，我們應注意到， nRF903的通信速率最高為76．8kb／s；發(fā)送數據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(shí)間至少需要1．5ms；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少需要1．5ms。在待機模式中，電路不接收和發(fā)射數據。在低功耗模式中，電路進(jìn)入不了工作狀態(tài)，不接收和發(fā)射數據。待機模式和低功耗模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)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(shí)間至少要5．0ms。

　　7 系統的其他設計

　　系統還有低功耗設計和安全設計等，低功耗設計的重點(diǎn)是對。nRF903的控制，如果 nRF903始終處于接收狀態(tài)，整個(gè)系統的功耗就會(huì )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(wú)法收到數據。所以為了解決此矛盾，使nRF903間歇性地工作在接收狀態(tài)。為了保證系統的安全，采集器和集中器選用大容量存儲器，確保對用戶(hù)電表數據的保存，不怕掉電，可不斷重復讀寫(xiě)，當網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，可以保證抄表數據不丟失。同時(shí)，所有數據的收發(fā)須增加兩種以上的校驗，使數據的傳輸準確可靠。另外，采集器和集中器的微控制器 LPC2138有看門(mén)狗電路，此電路對運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，避免程序因外界干擾而陷入死循環(huán)，造成整個(gè)系統陷入停滯狀態(tài)。

　　8 結束語(yǔ)

　　本無(wú)線(xiàn)抄表系統的開(kāi)發(fā)，實(shí)現了對用戶(hù)用電信息的無(wú)線(xiàn)采集，并通過(guò)對數據的統計處理，實(shí)現了網(wǎng)上預交費和對用電情況的實(shí)時(shí)監測，有效防止了欠費和竊電等情況的發(fā)生。監控中心通過(guò)Internet對用戶(hù)用電信息進(jìn)行Web發(fā)布，方便了用戶(hù)的查詢(xún)，有效避免了糾紛的發(fā)生。同時(shí)，本系統成本較低，是一種高效、可靠的自動(dòng)化抄表系統。