0 引言
隨著經濟的飛速發展，用電量需求越來越大，電能表的數量也迅速增加，同時，居民住宅的質量和檔次越來越高，住戶對住宅環境、物業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，如入戶麻煩、管理費用過高、存在安全隱患等，已經不適應現代物業管理的需要。為了提高對客戶用電的管理水平，供電企業迫切希望通過現代化的手段，對用戶用電的監測實現自動化、規范化。自動抄表技術正是為了適應電力系統的迅速發展及電力系統經營管理體制的改革而提出的。
自動抄表(Automatic Meter Reading-AMR)系統是利用當代微機技術、數字通訊技術與電計量技術的完美結合，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，克服了傳統人工抄表模式的低效率和不確定性，推進了電能管理現代化的發展進程。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，也適應現代用戶對用電繳費的新需求。本系統就是利用無線收發模塊和GPRs模塊實現的電能計量無線自動抄表系統。
1 GPRS介紹
通用無線分組業務(General Packet Radio Service，GPRS)是一種基于GSM系統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是一項高速數據處理的技術，其方法是以“分組”的形式傳送數據。網絡容量只在所需時分配，不要時就釋放，這種發送方式稱為統計復用。目前，GPRS移動通信網的傳輸速度可達 115kb／s。GPRS是在GSM基礎上發展起來的技術，是介于第二代數字通信和第三代分組型移動業務之間的一種技術，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有的基站系統進行部分改造來實現分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數據速率卻相當可觀。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包(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。
電能計量是現代電力營銷系統中的一個重要環節，而傳統的電量結算是依靠人工定期到現場抄取數據的，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展，利用移動運營商提供的無線網絡實現遠程監控和數據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，電力部門可將工業和民用電能表采集的電力系統實時數據傳遞到地、市、省級的集中監控中心，以實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單、高效的通信傳輸手段。
GPRS網絡具有以下優點[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、自動抄表系統等遠程遙測遙控系統利用GPRS實現數據傳輸將成為今后發展的趨勢。
2 系統總體結構
自動抄表系統由監控中心、GPRS模塊、GPRS數據傳輸無線通道、集中器、采集器和用戶電表等組成，如圖1所示。
數據采集器通過LPC2138串口定時采集用戶電表數據，并存儲在采集器的存儲器中。當集中器發送指令時，采集器就可以根據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據和當前電表數據發送給集中器，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據通過RS-232接口傳輸給GPRS模塊，然后通過GPRS無線網絡發送到電力公司的監控中心。監控中心對用電數據進行統計處理，實現對用戶電表的自動測量采集數據、自動傳輸數據及遠程自動化監控。同時，通過GPRS的雙向系統實現對計量設備的遠程控制，進行參數調整、開關等控制操作。
通過本系統，用戶可以通過網上銀行預交費，監控中心每月扣除用電費用，如果余額不足，就通過本系統向該用戶電表發送控制信號，進行斷電等操作。另外，監控中心可以通過局域網進行Web發布，用戶就可以通過上網查詢用電信息。
3 系統硬件設計
此系統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、收發工作；
(2)32kB的片內靜態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／加速器可實現高達60MHz的工作頻率，可實現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工業標準UART、2個高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有緩沖作用及數據長度可變功能的SSP，包含多達47個通用I／O口(可承受5 V電壓)，滿足接入電表數多的要求；
(5)多達9個邊沿或電平觸發的外部中斷管腳，通過片內PLL(100 μs的設置時間)可實現最大為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模塊連接。采集器定時采集電表讀數，并將該數據存儲到片內靜態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據和當前電表讀數，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芯片nRF903收發數據，當從nRF903收到數據，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據。同時，LPC2138與GPRS模塊MC55互連，通過MC55和GPRS網絡與監控中心通信。
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)、電業主管部門的管理中心。三級之間通過某種方式相連，進行數據通信。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。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，集中器與監控中心之間通過GPRS通信。
系統的流程為：采集器定時從電表采集數據，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；監控中心每月初從集中器采集用戶電表數據，經統計處理后存儲起來，供工作人員和用戶查詢。同時，本系統能實現實時監控，具體過程是監控中心通過GPRS網絡向集中器發送查詢或控制指令，集中器接收到指令后從采集器采集當前用戶電表數據，然后傳送給監控中心，或者通過采集器對電表進行控制，實現實時監控。
5 通信系統設計
本系統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多段無線收發芯片，它采用優化的GMSK調制解調技術，可在155．6KHz的有效帶寬下傳輸最高76．8kb／s的數據，發射功率可以調整最大發射功率是+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，包括工作頻率和發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滿足歐州電信工業標準(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美國聯邦通信委員會標準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射功率等參數進行設置。當芯片進入工作狀態后，可以根據需要通過LPC2138控制收發模式轉換，或進行其他狀態轉換。
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，還支持分組業務功能，內嵌TCP／IP協議棧，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協同工作，完成集中器與監控中心的通信任務。MC55的開關機、工作方式、工作狀態等均由 LPC2138控制，LPC2138通過AT指令來實現與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、量大的各類電表數據，因此選用移動通信公司的GPRS無線通信網絡作為傳輸的媒介，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，可很好地滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。數據傳送速率高，而且采用包月計費方式，運營成本低。同時，GPRS網絡實際數據傳輸速率在40kb／s左右，完全能滿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編譯系統生成可執行程序，運行于LPC2138中。監控中心軟件由Visual Basic 6．0開發，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。同時做到界面美觀，操作簡便。
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；若有數據輸入，則進入接收模式，接收數據。檢查這些數據是否向上層發送用戶信息，若是，就進入發送模式，向上層發送數據，完成后進入低功耗模式；若不是，則修改電表參數，然后進入低功耗模式。在以上流程中，采集器不主動發送用戶信息，只有當集中器向采集器發送采集命令時才進入發送模式。集中器部分數據收發的程序流程圖如圖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；發送數據之前需將電路置于發射模式：接收模式轉換為發射模式的轉換時間至少需要1．5ms；發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，電路不接收和發射數據。在低功耗模式中，電路進入不了工作狀態，不接收和發射數據。待機模式和低功耗模式轉換為發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，低功耗設計的重點是對。nRF903的控制，如果 nRF903始終處于接收狀態，整個系統的功耗就會很大，所以應盡量使nRF903處于待機狀態。但待機狀態中的nRF903又無法收到數據。所以為了解決此矛盾，使nRF903間歇性地工作在接收狀態。為了保證系統的安全，采集器和集中器選用大容量存儲器，確保對用戶電表數據的保存，不怕掉電，可不斷重復讀寫，當網絡出現故障時，可以保證抄表數據不丟失。同時，所有數據的收發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有看門狗電路，此電路對運行狀態進行實時監測，避免程序因外界干擾而陷入死循環，造成整個系統陷入停滯狀態。
8 結束語
本無線抄表系統的開發，實現了對用戶用電信息的無線采集，并通過對數據的統計處理，實現了網上預交費和對用電情況的實時監測，有效防止了欠費和竊電等情況的發生。監控中心通過Internet對用戶用電信息進行Web發布，方便了用戶的查詢，有效避免了糾紛的發生。同時，本系統成本較低，是一種高效、可靠的自動化抄表系統。