基于LPC2138和GPRS技术的无线抄表系统

3系统硬件设计
此系统的硬件可分为两个模块：采集器模块和集中器模块。其中，采集器和集中器可供选择的微控制器、无线收发芯片和GPRS模块较多，本系统是以ARM微控制器LPC2138、nRF903和MC55为基础完成的。
3．1 ARM微控制器LPC2138
为了使系统稳定可靠，满足低功耗、智能化的设计要求，本系统选用了LPC2138作为采集器和集中器的核心控制器。LPC2138是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的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，由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可以连续工作，可以高效地完成采集器和集中器的数据处理、收发工作；
(2)32kB的片内静态RAM和512kB的片内Flash程序存储器避免了LPC2138外扩存储器，简化了电路，提高了运行速度，128位宽度接口／加速器可实现高达60MHz的工作频率，可实现在线编程和用于非易失性程序的存储；
(3)2个8路10位的A／D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时问低至2．44 μs。2个32位定时器／计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗；
(4)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有缓冲作用及数据长度可变功能的SSP，包含多达47个通用I／O口(可承受5 V电压)，满足接入电表数多的要求；
(5)多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，通过片内PLL(100 μs的设置时间)可实现最大为60 MHz的CPU操作频率；
(6)单电源供电，具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路，CPU操作电压范围：3．0～3．6V(3．13v±10)，可与nRF903共用一个电源。
3．2 采集器模块
采集器模块如图2所示，采集器与电表之问通过串行接口连接，采集器与集中器之间通过无线收发模块连接。采集器定时采集电表读数，并将该数据存储到片内静态RAM中；当采集器接收到集中器指令时，采集器或者传输历史存储电量数据和当前电表读数，或者进行校时等操作。

3．3 集中器模块
集中器模块如图3所示，单片机经过无线收发芯片nRF903收发数据，当从nRF903收到数据，经过处理后，存储到串行EEPROM中，并可通过显示器查看用户用电数据。同时，LPC2138与GPRS模块MC55互连，通过MC55和GPRS网络与监控中心通信。

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。