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隨著(zhù)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用電量需求越來(lái)越大，電能表的數量也迅速增加，同時(shí)，居民住宅的質(zhì)量和檔次越來(lái)越高，住戶(hù)對住宅環(huán)境、物業(yè)管理水平的要求也日益提高。傳統的抄表方式存在許多弊端，如入戶(hù)麻煩、管理費用過(guò)高、存在安全隱患等，已經(jīng)不適應現代物業(yè)管理的需要。為了提高對客戶(hù)用電的管理水平，供電企業(yè)迫切希望通過(guò)現代化的手段，對用戶(hù)用電的監測實(shí)現自動(dòng)化、規范化。自動(dòng)抄表技術(shù)正是為了適應電力系統的迅速發(fā)展及電力系統經(jīng)營(yíng)管理體制的改革而提出的。 自動(dòng)抄表(Automatic Meter Reading-AMR)系統是利用當代微機技術(shù)、數字通訊技術(shù)與電計量技術(shù)的完美結合，集計量、數據采集、傳輸、處理于一體，將城鄉居民用電信息加以綜合處理的系統。該系統使電力公司及物業(yè)管理部門(mén)從根本上減輕了人工上門(mén)抄表的勞動(dòng)強度，克服了傳統人工抄表模式的低效率和不確定性，推進(jìn)了電能管理現代化的發(fā)展進(jìn)程。準確而便捷的收費系統，既可節省人工又可減少供電部門(mén)與客戶(hù)之間的糾紛，不但能提高管理部門(mén)的工作效率，也適應現代用戶(hù)對用電繳費的新需求。本系統就是利用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和GPRS模塊實(shí)現的電能計量無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統。 1 GPRS介紹 通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)是一種基于GSM系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。簡(jiǎn)單的說(shuō)，GPRS是一項高速數據處理的技術(shù)，其方法是以“分組”的形式傳送數據。網(wǎng)絡(luò )容量只在所需時(shí)分配，不要時(shí)就釋放，這種發(fā)送方式稱(chēng)為統計復用。目前，GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)的傳輸速度可達 115kb／s。GPRS是在GSM基礎上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，是介于第二代數字通信和第三代分組型移動(dòng)業(yè)務(wù)之間的一種技術(shù)，所以通常稱(chēng)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(guò)增加相應的功能實(shí)體和對現有的基站系統進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現分組交換，這種改造的投入相對來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶(hù)數據速率卻相當可觀(guān)。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包(Packet)方式來(lái)傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料的單位計算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。 電能計量是現代電力營(yíng)銷(xiāo)系統中的一個(gè)重要環(huán)節，而傳統的電量結算是依靠人工定期到現場(chǎng)抄取數據的，在實(shí)時(shí)性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處。將現代通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電能量測量技術(shù)結合在一起，便能夠及時(shí)、準確、全面地反映電量的使用。而隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，利用移動(dòng)運營(yíng)商提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控和數據傳輸已被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)中國移動(dòng)通信有限公司的GPRS網(wǎng)絡(luò )，電力部門(mén)可將工業(yè)和民用電能表采集的電力系統實(shí)時(shí)數據傳遞到地、市、省級的集中監控中心，以實(shí)現對電力監測設備的統一監控和分布式管理。GPRS為電能遠程抄表系統提供了簡(jiǎn)單、高效的通信傳輸手段。 GPRS網(wǎng)絡(luò )具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)實(shí)時(shí)在線(xiàn)，接入速度快，甚至可以無(wú)需通過(guò)撥號上網(wǎng)而持續與網(wǎng)絡(luò )連接；2)傳輸速率高，理論值最高可達171．2 kb／s；3)計費合理，以流量計費；4)快捷登錄，GPRS用戶(hù)開(kāi)機后就始終附著(zhù)在GPRS網(wǎng)絡(luò )上，每次使用時(shí)只需一個(gè)1-3秒的激活過(guò)程。因此， GPS車(chē)載終端、自動(dòng)抄表系統等遠程遙測遙控系統利用GPRS實(shí)現數據傳輸將成為今后發(fā)展的趨勢。 2 系統總體結構 自動(dòng)抄表系統由監控中心、GPRS模塊、GPRS數據傳輸無(wú)線(xiàn)通道、集中器、采集器和用戶(hù)電表等組成，如圖1所示。 數據采集器通過(guò)LPC2138串口定時(shí)采集用戶(hù)電表數據，并存儲在采集器的存儲器中。當集中器發(fā)送指令時(shí)，采集器就可以根據指令內容進(jìn)行相應操作，通過(guò)射頻模塊把用戶(hù)電表的歷史電量數據和當前電表數據發(fā)送給集中器，經(jīng)集中器處理后存儲起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)和LCD查詢(xún)并顯示出來(lái)。集中器把收集好的數據通過(guò)RS-232接口傳輸給GPRS模塊，然后通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到電力公司的監控中心。監控中心對用電數據進(jìn)行統計處理，實(shí)現對用戶(hù)電表的自動(dòng)測量采集數據、自動(dòng)傳輸數據及遠程自動(dòng)化監控。同時(shí)，通過(guò)GPRS的雙向系統實(shí)現對計量設備的遠程控制，進(jìn)行參數調整、開(kāi)關(guān)等控制操作。 通過(guò)本系統，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)上銀行預交費，監控中心每月扣除用電費用，如果余額不足，就通過(guò)本系統向該用戶(hù)電表發(fā)送控制信號，進(jìn)行斷電等操作。另外，監控中心可以通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，用戶(hù)就可以通過(guò)上網(wǎng)查詢(xún)用電信息。 3 系統硬件設計 此系統的硬件可分為兩個(gè)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(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和GPRS模塊較多，本系統是以ARM微控制器LPC2138、nRF903和MC55為基礎完成的。 3．1 ARM微控制器LPC2138 為了使系統穩定可靠，滿(mǎn)足低功耗、智能化的設計要求，本系統選用了LPC2138作為采集器和集中器的核心控制器。LPC2138是一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(xiàn)技術(shù)，處理和存儲系統的所有部分都可以連續工作，可以高效地完成采集器和集中器的數據處理、收發(fā)工作； (2)32kB的片內靜態(tài)RAM和512kB的片內Flash程序存儲器避免了LPC2138外擴存儲器，簡(jiǎn)化了電路，提高了運行速度，128位寬度接口／加速器可實(shí)現高達60MHz的工作頻率，可實(shí)現在線(xiàn)編程和用于非易失性程序的存儲； (3)2個(gè)8路10位的A／D轉換器，共提供16路模擬輸入，每個(gè)通道的轉換時(shí)問(wèn)低至2．44 μs。2個(gè)32位定時(shí)器／計數器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門(mén)狗； (4)多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標準UART、2個(gè)高速12C接口(400 kb／s)、SPITM和具有緩沖作用及數據長(cháng)度可變功能的SSP，包含多達47個(gè)通用I／O口(可承受5 V電壓)，滿(mǎn)足接入電表數多的要求； (5)多達9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳，通過(guò)片內PLL(100 μs的設置時(shí)間)可實(shí)現最大為60 MHz的CPU操作頻率； (6)單電源供電，具有上電復位(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(gè)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(wèn)通過(guò)串行接口連接，采集器與集中器之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊連接。采集器定時(shí)采集電表讀數，并將該數據存儲到片內靜態(tài) RAM中；當采集器接收到集中器指令時(shí)，采集器或者傳輸歷史存儲電量數據和當前電表讀數，或者進(jìn)行校時(shí)等操作。 3．3 集中器模塊 集中器模塊如圖3所示，單片機經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF903收發(fā)數據，當從nRF903收到數據，經(jīng)過(guò)處理后，存儲到串行EEPROM中，并可通過(guò)顯示器查看用戶(hù)用電數據。同時(shí)，LPC2138與GPRS模塊MC55互連，通過(guò)MC55和GPRS網(wǎng)絡(luò )與監控中心通信。 4 系統工作流程 本系統大體上可分為三級：帶通信接口的用戶(hù)電表、采集和管理周邊若干住戶(hù)電表的集中器 (或采集器)、電業(yè)主管部門(mén)的管理中心。三級之間通過(guò)某種方式相連，進(jìn)行數據通信。各種形式的抄表系統之間，主要區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?xún)r(jià)比較高的方案，即采用以串行接口、射頻模塊和GPRS為基礎的自動(dòng)抄表系統。其中用戶(hù)電表與采集器之間通過(guò)串行接口通信，采集器與集中器之間通過(guò)射頻模塊通信，集中器與監控中心之間通過(guò)GPRS通信。 系統的流程為：采集器定時(shí)從電表采集數據，存儲到存儲器中；集中器每月底從采集器采集數據，處理后存儲起來(lái)；監控中心每月初從集中器采集用戶(hù)電表數據，經(jīng)統計處理后存儲起來(lái)，供工作人員和用戶(hù)查詢(xún)。同時(shí)，本系統能實(shí)現實(shí)時(shí)監控，具體過(guò)程是監控中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )向集中器發(fā)送查詢(xún)或控制指令，集中器接收到指令后從采集器采集當前用戶(hù)電表數據，然后傳送給監控中心，或者通過(guò)采集器對電表進(jìn)行控制，實(shí)現實(shí)時(shí)監控。 5 通信系統設計 本系統采用了兩種通信方式，既通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(guò)nRF903模塊組成的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，nRF903是一個(gè)為433／868／915MHz ISM頻段設計的真正單片UHF多段無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GMSK調制解調技術(shù)，可在155．6KHz的有效帶寬下傳輸最高76．8kb／s的數據，發(fā)射功率可以調整最大發(fā)射功率是+10dBm，天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn)，以便于使用低成本的PCB天線(xiàn)，所有的參數，包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過(guò)一個(gè)14位的配置寄存器用SPI串行線(xiàn)進(jìn)行設置，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還具有待機模式，這樣可以更省電和高效。nRF903滿(mǎn)足歐州電信工業(yè)標準(ETSI)EN300 200-1V1．3．1和美國聯(lián)邦通信委員會(huì )標準FCCCFR47，part 15。在使用nRF903芯片時(shí)，先通過(guò)ARM微控制器LPC2138用SPI串行線(xiàn)對工作頻率和發(fā)射功率等參數進(jìn)行設置。當芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后，可以根據需要通過(guò)LPC2138控制收發(fā)模式轉換，或進(jìn)行其他狀態(tài)轉換。 MC55是Siemens公司生產(chǎn)的GPRS三頻無(wú)線(xiàn)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(chǎng)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，內嵌TCP／IP協(xié)議棧，具有很高的可靠性和易用性，很適合在無(wú)線(xiàn)終端中作為通訊模塊。MC55與LPC2138協(xié)同工作，完成集中器與監控中心的通信任務(wù)。MC55的開(kāi)關(guān)機、工作方式、工作狀態(tài)等均由 LPC2138控制，LPC2138通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現與MC55之間的通信和命令控制。 遠程抄表系統主要針對的是面廣、量大的各類(lèi)電表數據，因此選用移動(dòng)通信公司的GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )作為傳輸的媒介，既可以減少系統建設初期的投資費用，又減輕了網(wǎng)絡(luò )運行維護工作量。由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線(xiàn)特性，可很好地滿(mǎn)足系統對數據采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。數據傳送速率高，而且采用包月計費方式，運營(yíng)成本低。同時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)際數據傳輸速率在40kb／s左右，完全能滿(mǎn)足本系統對數據傳輸速率的需求。 6 系統軟件設計 本系統的軟件設計分采集器、集中器和監控中心三個(gè)層次，其中運行于采集器和集中器之間的程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)ARM編譯系統生成可執行程序，運行于 LPC2138中。監控中心軟件由Visual Basic 6．0開(kāi)發(fā)，數據采用SQL Server數據庫存儲。軟件采用結構化設計，便于完善和維護。同時(shí)做到界面美觀(guān)，操作簡(jiǎn)便。 現將采集器和集中器的部分程序流程加以分析。采集器部分數據收發(fā)的程序流程如圖4所示。采集器完成初始化之后，先查看是否有數據輸入，若沒(méi)有，則定時(shí)采集用戶(hù)用電信息，存儲起來(lái)，進(jìn)入低功耗模式；若有數據輸入，則進(jìn)入接收模式，接收數據。檢查這些數據是否向上層發(fā)送用戶(hù)信息，若是，就進(jìn)入發(fā)送模式，向上層發(fā)送數據，完成后進(jìn)入低功耗模式；若不是，則修改電表參數，然后進(jìn)入低功耗模式。在以上流程中，采集器不主動(dòng)發(fā)送用戶(hù)信息，只有當集中器向采集器發(fā)送采集命令時(shí)才進(jìn)入發(fā)送模式。集中器部分數據收發(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。在程序設計過(guò)程中，我們應注意到， nRF903的通信速率最高為76．8kb／s；發(fā)送數據之前需將電路置于發(fā)射模式：接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少需要1．5ms；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少需要1．5ms。在待機模式中，電路不接收和發(fā)射數據。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)射數據。待機模式和低功耗模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少要4．1ms；待機模式和低功耗模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少要5．0ms。 7 系統的其他設計 系統還有低功耗設計和安全設計等，低功耗設計的重點(diǎn)是對。nRF903的控制，如果 nRF903始終處于接收狀態(tài)，整個(gè)系統的功耗就會(huì )很大，所以應盡量使nRF903處于待機狀態(tài)。但待機狀態(tài)中的nRF903又無(wú)法收到數據。所以為了解決此矛盾，使nRF903間歇性地工作在接收狀態(tài)。為了保證系統的安全，采集器和集中器選用大容量存儲器，確保對用戶(hù)電表數據的保存，不怕掉電，可不斷重復讀寫(xiě)，當網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，可以保證抄表數據不丟失。同時(shí)，所有數據的收發(fā)須增加兩種以上的校驗，使數據的傳輸準確可靠。另外，采集器和集中器的微控制器 LPC2138有看門(mén)狗電路，此電路對運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，避免程序因外界干擾而陷入死循環(huán)，造成整個(gè)系統陷入停滯狀態(tài)。 8 結束語(yǔ) 本無(wú)線(xiàn)抄表系統的開(kāi)發(fā)，實(shí)現了對用戶(hù)用電信息的無(wú)線(xiàn)采集，并通過(guò)對數據的統計處理，實(shí)現了網(wǎng)上預交費和對用電情況的實(shí)時(shí)監測，有效防止了欠費和竊電等情況的發(fā)生。監控中心通過(guò)Internet對用戶(hù)用電信息進(jìn)行Web發(fā)布，方便了用戶(hù)的查詢(xún)，有效避免了糾紛的發(fā)生。同時(shí)，本系統成本較低，是一種高效、可靠的自動(dòng)化抄表系統。 |
