基于LPC2138和GPRS技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)

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(shí)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(kuò)存儲器，簡化了電路，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；
(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(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(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(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(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(jī)、工作方式、工作狀態(tài)等均由 LPC2138控制，LPC2138通過AT指令來實(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)時在線特性，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時性的要求。數(shù)據(jù)傳送速率高，而且采用包月計費(fèi)方式，運(yùn)營成本低。同時，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)對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。