0 引言
    隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用電量需求越來越大,，電能表的數(shù)量也迅速增加,，同時，居民住宅的質(zhì)量和檔次越來越高,，住戶對住宅環(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,、管理費用過高、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,。為了提高對客戶用電的管理水平，供電企業(yè)迫切希望通過現(xiàn)代化的手段,，對用戶用電的監(jiān)測實現(xiàn)自動化,、規(guī)范化。自動抄表技術(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)營管理體制的改革而提出的,。
    自動抄表(Automatic Meter Reading-AMR)系統(tǒng)是利用當(dāng)代微機技術(shù),、數(shù)字通訊技術(shù)與電計量技術(shù)的完美結(jié)合，集計量,、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強度，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)代用戶對用電繳費的新需求,。本系統(tǒng)就是利用無線收發(fā)模塊和GPRs模塊實現(xiàn)的電能計量無線自動抄表系統(tǒng)。

1 GPRS介紹
    通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service,，GPRS)是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù),，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(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)容量只在所需時分配,，不要時就釋放，這種發(fā)送方式稱為統(tǒng)計復(fù)用,。目前,，GPRS移動通信網(wǎng)的傳輸速度可達(dá) 115kb／s。GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù),，是介于第二代數(shù)字通信和第三代分組型移動業(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,，只通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實現(xiàn)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(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)方式來傳輸,，因此使用者所負(fù)擔(dān)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(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié),，而傳統(tǒng)的電量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)的，在實時性,、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)、計算機技術(shù)和電能量測量技術(shù)結(jié)合在一起,，便能夠及時,、準(zhǔn)確、全面地反映電量的使用,。而隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,，利用移動運營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。通過中國移動通信有限公司的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)實時數(shù)據(jù)傳遞到地,、市,、省級的集中監(jiān)控中心，以實現(xiàn)對電力監(jiān)測設(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)提供了簡單,、高效的通信傳輸手段。
    GPRS網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點[8]：1)實時在線,，接入速度快,，甚至可以無需通過撥號上網(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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)等遠(yuǎn)程遙測遙控系統(tǒng)利用GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸將成為今后發(fā)展的趨勢,。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    自動抄表系統(tǒng)由監(jiān)控中心,、GPRS模塊、GPRS數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集器通過LPC2138串口定時采集用戶電表數(shù)據(jù),，并存儲在采集器的存儲器中。當(dāng)集中器發(fā)送指令時,，采集器就可以根據(jù)指令內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)操作,，通過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(shù)據(jù)通過RS-232接口傳輸給GPRS模塊，然后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電力公司的監(jiān)控中心,。監(jiān)控中心對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理,，實現(xiàn)對用戶電表的自動測量采集數(shù)據(jù)、自動傳輸數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控,。同時,，通過GPRS的雙向系統(tǒng)實現(xiàn)對計量設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作,。
    通過本系統(tǒng),，用戶可以通過網(wǎng)上銀行預(yù)交費，監(jiān)控中心每月扣除用電費用,，如果余額不足,，就通過本系統(tǒng)向該用戶電表發(fā)送控制信號，進(jìn)行斷電等操作,。另外,，監(jiān)控中心可以通過局域網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，用戶就可以通過上網(wǎng)查詢用電信息,。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    此系統(tǒng)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(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(shù)，處理和存儲系統(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(xiàn)高達(dá)60MHz的工作頻率,，可實現(xiàn)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(zhuǎn)換器,，共提供16路模擬輸入,，每個通道的轉(zhuǎn)換時問低至2．44 μs。2個32位定時器／計數(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)多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速12C接口(400 kb／s),、SPITM和具有緩沖作用及數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP,，包含多達(dá)47個通用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個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳,，通過片內(nèi)PLL(100 μs的設(shè)置時間)可實現(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(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(fā)模塊連接,。采集器定時采集電表讀數(shù),，并將該數(shù)據(jù)存儲到片內(nèi)靜態(tài)RAM中；當(dāng)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(shù)據(jù)和當(dāng)前電表讀數(shù),，或者進(jìn)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(jīng)過無線收發(fā)芯片nRF903收發(fā)數(shù)據(jù),，當(dāng)從nRF903收到數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后,，存儲到串行EEPROM中,，并可通過顯示器查看用戶用電數(shù)據(jù)。同時,，LPC2138與GPRS模塊MC55互連,，通過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：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。三級之間通過某種方式相連,，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)的自動抄表系統(tǒng),。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(jiān)控中心之間通過GPRS通信,。
    系統(tǒng)的流程為：采集器定時從電表采集數(shù)據(jù),，存儲到存儲器中；集中器每月底從采集器采集數(shù)據(jù),，處理后存儲起來,；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)計處理后存儲起來,，供工作人員和用戶查詢,。同時，本系統(tǒng)能實現(xiàn)實時監(jiān)控,，具體過程是監(jiān)控中心通過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,，或者通過采集器對電表進(jìn)行控制,，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

5 通信系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)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(jìn)行通信,。各個采集器之間通過nRF903模塊組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，nRF903是一個為433／868／915MHz ISM頻段設(shè)計的真正單片UHF多段無線收發(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)射功率都可以通過一個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(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美國聯(lián)邦通信委員會標(biāo)準(zhǔn)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(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(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的開關(guān)機,、工作方式,、工作狀態(tài)等均由 LPC2138控制，LPC2138通過AT指令來實現(xiàn)與MC55之間的通信和命令控制,。
    遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要針對的是面廣,、量大的各類電表數(shù)據(jù)，因此選用移動通信公司的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸?shù)拿浇?，既可以減少系統(tǒng)建設(shè)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具有實時在線特性,，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求,。數(shù)據(jù)傳送速率高，而且采用包月計費方式,，運營成本低,。同時，GPRS網(wǎng)絡(luò)實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40kb／s左右,，完全能滿足本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求,。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分采集器、集中器和監(jiān)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(jīng)過ARM編譯系統(tǒng)生成可執(zhí)行程序，運行于LPC2138中,。監(jiān)控中心軟件由Visual Basic 6．0開發(fā),，數(shù)據(jù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲。軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計,，便于完善和維護,。同時做到界面美觀，操作簡便,。

    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,，若沒有,，則定時采集用戶用電信息，存儲起來,，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)計過程中,，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)換時間至少需要1．5ms。在待機模式中,，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),。待機模式和低功耗模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時間至少要4．1ms；待機模式和低功耗模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時間至少要5．0ms,。

7 系統(tǒng)的其他設(shè)計
    系統(tǒng)還有低功耗設(shè)計和安全設(shè)計等,，低功耗設(shè)計的重點是對。nRF903的控制,，如果 nRF903始終處于接收狀態(tài),，整個系統(tǒng)的功耗就會很大,，所以應(yīng)盡量使nRF903處于待機狀態(tài)。但待機狀態(tài)中的nRF903又無法收到數(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器，確保對用戶電表數(shù)據(jù)的保存,，不怕掉電,，可不斷重復(fù)讀寫，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,，可以保證抄表數(shù)據(jù)不丟失,。同時，所有數(shù)據(jù)的收發(fā)須增加兩種以上的校驗,，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,，此電路對運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測,，避免程序因外界干擾而陷入死循環(huán)，造成整個系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài),。

8 結(jié)束語
    本無線抄表系統(tǒng)的開發(fā),，實現(xiàn)了對用戶用電信息的無線采集，并通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理,，實現(xiàn)了網(wǎng)上預(yù)交費和對用電情況的實時監(jiān)測,，有效防止了欠費和竊電等情況的發(fā)生。監(jiān)控中心通過Internet對用戶用電信息進(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,，本系統(tǒng)成本較低,，是一種高效、可靠的自動化抄表系統(tǒng),。