0 引言
    隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，用電量需求越來(lái)越大，電能表的數(shù)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，住戶對(duì)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(fèi)用過(guò)高、存在安全隱患等，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代物業(yè)管理的需要。為了提高對(duì)客戶用電的管理水平，供電企業(yè)迫切希望通過(guò)現(xiàn)代化的手段，對(duì)用戶用電的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、規(guī)范化。自動(dòng)抄表技術(shù)正是為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展及電力系統(tǒng)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(tǒng)是利用當(dāng)代微機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)與電計(jì)量技術(shù)的完美結(jié)合，集計(jì)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(dòng)強(qiáng)度，克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，推進(jìn)了電能管理現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。準(zhǔn)確而便捷的收費(fèi)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(yīng)現(xiàn)代用戶對(duì)用電繳費(fèi)的新需求。本系統(tǒng)就是利用無(wú)線收發(fā)模塊和GPRs模塊實(shí)現(xiàn)的電能計(jì)量無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

1 GPRS介紹
    通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。簡(jiǎn)單的說(shuō)，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，其方法是以“分組”的形式傳送數(shù)據(jù)。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)送方式稱為統(tǒng)計(jì)復(fù)用。目前，GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)的傳輸速度可達(dá) 115kb／s。GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，是介于第二代數(shù)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(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍?Packet)方式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料的單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。
    電能計(jì)量是現(xiàn)代電力營(yíng)銷系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的電量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場(chǎng)抄取數(shù)據(jù)的，在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在諸多不足之處。將現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電能量測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，便能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映電量的使用。而隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，利用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)中國(guó)移動(dòng)通信有限公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)，電力部門可將工業(yè)和民用電能表采集的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞到地、市、省級(jí)的集中監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力監(jiān)測(cè)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。GPRS為電能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)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，接入速度快，甚至可以無(wú)需通過(guò)撥號(hào)上網(wǎng)而持續(xù)與網(wǎng)絡(luò)連接；2)傳輸速率高，理論值最高可達(dá)171．2 kb／s；3)計(jì)費(fèi)合理，以流量計(jì)費(fèi)；4)快捷登錄，GPRS用戶開(kāi)機(jī)后就始終附著在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車載終端、自動(dòng)抄表系統(tǒng)等遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控系統(tǒng)利用GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸將成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    自動(dòng)抄表系統(tǒng)由監(jiān)控中心、GPRS模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸無(wú)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(guò)LPC2138串口定時(shí)采集用戶電表數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在采集器的存儲(chǔ)器中。當(dāng)集中器發(fā)送指令時(shí)，采集器就可以根據(jù)指令內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)操作，通過(guò)射頻模塊把用戶電表的歷史電量數(shù)據(jù)和當(dāng)前電表數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器，經(jīng)集中器處理后存儲(chǔ)起來(lái)，用戶可以通過(guò)鍵盤和LCD查詢并顯示出來(lái)。集中器把收集好的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232接口傳輸給GPRS模塊，然后通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電力公司的監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電表的自動(dòng)測(cè)量采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控。同時(shí)，通過(guò)GPRS的雙向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、開(kāi)關(guān)等控制操作。
    通過(guò)本系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)上銀行預(yù)交費(fèi)，監(jiān)控中心每月扣除用電費(fèi)用，如果余額不足，就通過(guò)本系統(tǒng)向該用戶電表發(fā)送控制信號(hào)，進(jìn)行斷電等操作。另外，監(jiān)控中心可以通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，用戶就可以通過(guò)上網(wǎng)查詢用電信息。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    此系統(tǒng)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(chǔ)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(shè)計(jì)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(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，由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)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(nèi)靜態(tài)RAM和512kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器避免了LPC2138外擴(kuò)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化了電路，提高了運(yùn)行速度，128位寬度接口／加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的工作頻率，可實(shí)現(xiàn)在線編程和用于非易失性程序的存儲(chǔ)；
    (3)2個(gè)8路10位的A／D轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)問(wèn)低至2．44 μs。2個(gè)32位定時(shí)器／計(jì)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(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有緩沖作用及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP，包含多達(dá)47個(gè)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(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳，通過(guò)片內(nèi)PLL(100 μs的設(shè)置時(shí)間)可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率；
    (6)單電源供電，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(cè)(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)線收發(fā)模塊連接。采集器定時(shí)采集電表讀數(shù)，并將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片內(nèi)靜態(tài)RAM中；當(dāng)采集器接收到集中器指令時(shí)，采集器或者傳輸歷史存儲(chǔ)電量數(shù)據(jù)和當(dāng)前電表讀數(shù)，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(jī)經(jīng)過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片nRF903收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)從nRF903收到數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后，存儲(chǔ)到串行EEPROM中，并可通過(guò)顯示器查看用戶用電數(shù)據(jù)。同時(shí)，LPC2138與GPRS模塊MC55互連，通過(guò)MC55和GPRS網(wǎng)絡(luò)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(jí)：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(jí)之間通過(guò)某種方式相連，進(jìn)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(jí)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，提出一種性價(jià)比較高的方案，即采用以串行接口、射頻模塊和GPRS為基礎(chǔ)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。其中用戶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(jiān)控中心之間通過(guò)GPRS通信。
    系統(tǒng)的流程為：采集器定時(shí)從電表采集數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中；集中器每月底從采集器采集數(shù)據(jù)，處理后存儲(chǔ)起來(lái)；監(jiān)控中心每月初從集中器采集用戶電表數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后存儲(chǔ)起來(lái)，供工作人員和用戶查詢。同時(shí)，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體過(guò)程是監(jiān)控中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前用戶電表數(shù)據(jù)，然后傳送給監(jiān)控中心，或者通過(guò)采集器對(duì)電表進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用了兩種通信方式，既通過(guò)無(wú)線射頻模塊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)線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，nRF903是一個(gè)為433／868／915MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片UHF多段無(wú)線收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GMSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，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(diào)整最大發(fā)射功率是+10dBm，天線接口設(shè)計(jì)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(guò)一個(gè)14位的配置寄存器用SPI串行線進(jìn)行設(shè)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(jī)模式，這樣可以更省電和高效。nRF903滿足歐州電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片時(shí)，先通過(guò)ARM微控制器LPC2138用SPI串行線對(duì)工作頻率和發(fā)射功率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后，可以根據(jù)需要通過(guò)LPC2138控制收發(fā)模式轉(zhuǎn)換，或進(jìn)行其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
    MC55是Siemens公司生產(chǎn)的GPRS三頻無(wú)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(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(nèi)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(wù)。MC55的開(kāi)關(guān)機(jī)、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(xiàn)與MC55之間的通信和命令控制。
    遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要針對(duì)的是面廣、量大的各類電表數(shù)據(jù)，因此選用移動(dòng)通信公司的GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸?shù)拿浇椋瓤梢詼p少系統(tǒng)建設(shè)初期的投資費(fèi)用，又減輕了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)工作量。由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線特性，可很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。數(shù)據(jù)傳送速率高，而且采用包月計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)營(yíng)成本低。同時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在40kb／s左右，完全能滿足本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分采集器、集中器和監(jiān)控中心三個(gè)層次，其中運(yùn)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(tǒng)生成可執(zhí)行程序，運(yùn)行于LPC2138中。監(jiān)控中心軟件由Visual Basic 6．0開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，便于完善和維護(hù)。同時(shí)做到界面美觀，操作簡(jiǎn)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?jǐn)?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(méi)有，則定時(shí)采集用戶用電信息，存儲(chǔ)起來(lái)，進(jìn)入低功耗模式；若有數(shù)據(jù)輸入，則進(jìn)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(jìn)入發(fā)送模式，向上層發(fā)送數(shù)據(jù)，完成后進(jìn)入低功耗模式；若不是，則修改電表參數(shù)，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)送用戶信息，只有當(dāng)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?jǐn)?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(shè)計(jì)過(guò)程中，我們應(yīng)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(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少需要1．5ms；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少需要1．5ms。在待機(jī)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(jìn)入不了工作狀態(tài)，不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機(jī)模式和低功耗模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少要4．1ms；待機(jī)模式和低功耗模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少要5．0ms。

7 系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)還有低功耗設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)等，低功耗設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)。nRF903的控制，如果 nRF903始終處于接收狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)的功耗就會(huì)很大，所以應(yīng)盡量使nRF903處于待機(jī)狀態(tài)。但待機(jī)狀態(tài)中的nRF903又無(wú)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(chǔ)器，確保對(duì)用戶電表數(shù)據(jù)的保存，不怕掉電，可不斷重復(fù)讀寫(xiě)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以保證抄表數(shù)據(jù)不丟失。同時(shí)，所有數(shù)據(jù)的收發(fā)須增加兩種以上的校驗(yàn)，使數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)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(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免程序因外界干擾而陷入死循環(huán)，造成整個(gè)系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)。

8 結(jié)束語(yǔ)
    本無(wú)線抄表系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶用電信息的無(wú)線采集，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上預(yù)交費(fèi)和對(duì)用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效防止了欠費(fèi)和竊電等情況的發(fā)生。監(jiān)控中心通過(guò)Internet對(duì)用戶用電信息進(jìn)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(shí)，本系統(tǒng)成本較低，是一種高效、可靠的自動(dòng)化抄表系統(tǒng)。