基于LPC2138和GPRS技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)

　　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(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(shí)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(jì)處理后存儲起來，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(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，既通過無線射頻模塊nRF903和GPRS模塊MC55進(jìn)行通信。各個(gè)采集器之間通過nRF903模塊組成的無線局域網(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和美國聯(lián)邦通信委員會標(biāo)準(zhǔn)FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片時(shí)，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?，既可以減少系統(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語言編寫，經(jīng)過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(jì)，便于完善和維護(hù)。同時(shí)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(shí)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(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。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(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，此電路對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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

　　本無線抄表系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)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(jì)處理，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上預(yù)交費(fèi)和對用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，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(shí)，本系統(tǒng)成本較低，是一種高效、可靠的自動化抄表系統(tǒng)。