基于LPC2138和GPRS技术的无线抄表系统

　　4 系统工作流程

　　本系统大体上可分为三级：带通信接口的用户电表、采集和管理周边若干住户电表的集中器 (或采集器)、电业主管部门的管理中心。三级之间通过某种方式相连，进行数据通信。各种形式的抄表系统之间，主要区别在于所采取的级间通信方式不同。笔者在讨论各种通信方式和进行比较后，提出一种性价比较高的方案，即采用以串行接口、射频模块和GPRS为基础的自动抄表系统。其中用户电表与采集器之间通过串行接口通信，采集器与集中器之间通过射频模块通信，集中器与监控中心之间通过GPRS通信。
系统的流程为：采集器定时从电表采集数据，存储到存储器中；集中器每月底从采集器采集数据，处理后存储起来；监控中心每月初从集中器采集用户电表数据，经统计处理后存储起来，供工作人员和用户查询。同时，本系统能实现实时监控，具体过程是监控中心通过GPRS网络向集中器发送查询或控制指令，集中器接收到指令后从采集器采集当前用户电表数据，然后传送给监控中心，或者通过采集器对电表进行控制，实现实时监控。

　　5 通信系统设计

　　本系统采用了两种通信方式，既通过无线射频模块nRF903和GPRS模块MC55进行通信。各个采集器之间通过nRF903模块组成的无线局域网络进行通信，nRF903是一个为433／868／915MHz ISM频段设计的真正单片UHF多段无线收发芯片，它采用优化的GMSK调制解调技术，可在155．6KHz的有效带宽下传输最高76．8kb／s的数据，发射功率可以调整最大发射功率是+10dBm，天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线，所有的参数，包括工作频率和发射功率都可以通过一个14位的配置寄存器用SPI串行线进行设置，nRF903的工作电压范围是2．7～3．3V，而LPC2138的工作电压范围是3．0～3．6V，因此两者可共用一个电源；nRF903还具有待机模式，这样可以更省电和高效。nRF903满足欧州电信工业标准(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美国联邦通信委员会标准FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片时，先通过ARM微控制器LPC2138用SPI串行线对工作频率和发射功率等参数进行设置。当芯片进入工作状态后，可以根据需要通过LPC2138控制收发模式转换，或进行其他状态转换。

MC55是Siemens公司生产的GPRS三频无线通讯模块，它是一种尺寸很小的GPRS模块。MC55适用于欧洲和亚洲频段场的频段 (850／1800／1900MHz)，除了具有GSM模块原有的功能外，还支持分组业务功能，内嵌TCP／IP协议栈，具有很高的可靠性和易用性，很适合在无线终端中作为通讯模块。MC55与LPC2138协同工作，完成集中器与监控中心的通信任务。MC55的开关机、工作方式、工作状态等均由 LPC2138控制，LPC2138通过AT指令来实现与MC55之间的通信和命令控制。

　　远程抄表系统主要针对的是面广、量大的各类电表数据，因此选用移动通信公司的GPRS无线通信网络作为传输的媒介，既可以减少系统建设初期的投资费用，又减轻了网络运行维护工作量。由于GPRS具有实时在线特性，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。数据传送速率高，而且采用包月计费方式，运营成本低。同时，GPRS网络实际数据传输速率在40kb／s左右，完全能满足本系统对数据传输速率的需求。

　　6 系统软件设计

　　本系统的软件设计分采集器、集中器和监控中心三个层次，其中运行于采集器和集中器之间的程序采用C语言编写，经过ARM编译系统生成可执行程序，运行于 LPC2138中。监控中心软件由Visual Basic 6．0开发，数据采用SQL Server数据库存储。软件采用结构化设计，便于完善和维护。同时做到界面美观，操作简便。

　　现将采集器和集中器的部分程序流程加以分析。采集器部分数据收发的程序流程如图4所示。采集器完成初始化之后，先查看是否有数据输入，若没有，则定时采集用户用电信息，存储起来，进入低功耗模式；若有数据输入，则进入接收模式，接收数据。检查这些数据是否向上层发送用户信息，若是，就进入发送模式，向上层发送数据，完成后进入低功耗模式；若不是，则修改电表参数，然后进入低功耗模式。在以上流程中，采集器不主动发送用户信息，只有当集中器向采集器发送采集命令时才进入发送模式。集中器部分数据收发的程序流程图如图5所示。程序流程与采集器部分相似，这里不再赘述。在程序设计过程中，我们应注意到， n RF 903的通信速率最高为76．8kb／s；发送数据之前需将电路置于发射模式：接收模式转换为发射模式的转换时间至少需要1．5ms；发射模式转换为接收模式的转换时间至少需要1．5ms。在待机模式中，电路不接收和发射数据。在低功耗模式中，电路进入不了工作状态，不接收和发射数据。待机模式和低功耗模式转换为发射模式的转换时间至少要4．1ms；待机模式和低功耗模式转换为接收模式的转换时间至少要5．0ms。

　　7 系统的其他设计

　　系统还有低功耗设计和安全设计等，低功耗设计的重点是对。nRF903的控制，如果 nRF903始终处于接收状态，整个系统的功耗就会很大，所以应尽量使nRF903处于待机状态。但待机状态中的nRF903又无法收到数据。所以为了解决此矛盾，使nRF903间歇性地工作在接收状态。为了保证系统的安全，采集器和集中器选用大容量存储器，确保对用户电表数据的保存，不怕掉电，可不断重复读写，当网络出现故障时，可以保证抄表数据不丢失。同时，所有数据的收发须增加两种以上的校验，使数据的传输准确可靠。另外，采集器和集中器的微控制器 LPC2138有看门狗电路，此电路对运行状态进行实时监测，避免程序因外界干扰而陷入死循环，造成整个系统陷入停滞状态。

　　8 结束语

　　本无线抄表系统的开发，实现了对用户用电信息的无线采集，并通过对数据的统计处理，实现了网上预交费和对用电情况的实时监测，有效防止了欠费和窃电等情况的发生。监控中心通过Internet对用户用电信息进行Web发布，方便了用户的查询，有效避免了纠纷的发生。同时，本系统成本较低，是一种高效、可靠的自动化抄表系统。