引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)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(jī)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(qiáng)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�，是以封�?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(jī)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，理論值較高可達(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(jī)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(kuò)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)較大為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的有效帶寬下傳輸較高76．8kb／s的數(shù)據(jù)，發(fā)射功率可以調(diào)整較大發(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LPC21