无线抄表系统的工作原理及特点 [小区无线抄表系统设计]

　　[摘 要]介绍了一种基于微控制器LPC2210和无线通讯模块APC200A-43的无线抄表系统,该系统实现了对用户用电量的无线采集和实时监控,并且成本低、可靠性高、实时性强,有效的防止了欠费和窃电等情况的发生。
　　[关键词]无线抄表 LPC2210 APC200A-43
　　[中图分类号]TM[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0003-02
　　
　　Residence Community Wireless Reading Meter System
　　[Abstract]This paper describes a wireless meter reading system based on MCU LPC2210 and wireless communication module APC200A-43.The system realizes wireless collection and the real-time monitoring of users’electricity consumption information, moreover it’s low cost, high performance,Responsive,and effectively prevents the occurrence of electricity stealing and arrearage.
　　[Key words]wireless meter reading;LPC2210;APC200A-43
　　
　　1 引言
　　在传统的电能管理中,使用的是人工抄表,即每月定期派人到各用户那里抄表,然后手工输入计算机,再进行核算和收费的模式。随着生活提高,电器的使用负荷的急剧增长,这种模式显然已经不符合城市居民住宅小区自动化、现代化和智能化发展的要求,使用人工抄表,将耗费大量的人力,物力与财力,既不方便,也容易发生漏抄、错抄的情况。而且在传统抄表模式下,抄表周期比较长,如一个月或者一个季度一抄表,这样就使得用户用电量无法及时读取,给电力管理部门分析用电情况带来很大的困难。随着电网的发展和电力市场运营进程的加快,远程电能自动抄表就成为电能管理部门的一个重要课题。
　　自动抄表系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题,并且提高了工作效率和数据的准确性。随着近年来计算机技术、网络技术和微电子技术的飞速发展,越来越多的新技术应用于自动抄表系统,它们能够降低设备成本,提高可靠性、准确性和抄表效率,已经展现出十分广阔的应用前景。
　　本系统就是利用无线收发模块和微控制器实现的电能计量无线抄表系统。
　　2 总体结构
　　无线抄表系统主要由四部分部分组成,包括用户电表、无线数据采集器、无线数据集中器和监控中心。系统框图如图1。
　　数据采集器采集安装于每栋居民楼中,采集一栋居民楼内各个电表的电量数据,其通过RS485总线收集每户电表的电量数据,并存储在存储器中,以完成对用户的抄表,并在需要时将数据发送给数据集中器。
　　数据集中器安装于居民楼的中心位置附近,并通过internet与监控中心连接,其与数据采集器进行无线通讯,实时的抄录电表的数据,并完成与电量监控中心计算机的通信,将用户电表参数、电量数据等监控中心需要的信息传送到监控中心数据库。
　　监控中心可对用电量数据进行统计处理,实现对用户用电量的自动采集、传输和远程监控,同时通过无线的双向系统实现对计量电表的远程控制,进行参数调整、开关等控制操作。
　　本系统中,采集器定时采集电表数据,存放于存储器中;集中器每月按时从采集器收集电量数据,然后以表的形式储存起来;监控中心根据需要通过internet读取集中器中的电量数据,供工作人员查询使用。同时本系统可实现实时监控,具体过程是监控中心通过internet向集中器发送控制或查询指令,集中器接受到指令后从采集器收集当前用户的电表电量,然后传回监控中心,或者通过采集器对电表进行控制。
　　3 硬件设计
　　此系统的硬件部分可以分为两个模块:无线数据采集器和无线数据集中器。两个模块可选的微控制器与无线收发模块种类较多,对各种可选型号进行仔细比较后,本系统选用ARM微控制器LPC2210以及安美通公司的无线收发模块APC200A-43实现。
　　3.1 无线收发模块
　　APC200A-43是深圳安美通公司新一代无线数据传输模块,其提供了多个频道的选择,能够透明传输任何大小的数据,而用户无须编写复杂的设置与传输程序,并提供UART/TTL,RS-485以及RS-232三种接口。同时其兼具体积小巧,宽电压运行,较远传输距离等优点,是目前应用较为广泛的无线传输模块之一。
　　该模块有以下特点:
　　(1)采用GFSK(高斯频移键控)调制方式,有效传输距离1000米(1200bps),工作频率431-478MHz,只需很少外围元件就可实现可靠传输,适用于工业场合;
　　(2)提供16位的可选RFID,支持UART/TTL,RS-485以及RS-232三种接口,拥有超大的256bytes数据缓冲区,方便驱动程序编写;
　　(3)APC200A-43模块有二种数据传输方式,第一透明数据传输:所收的数据就是所发的数据;第二分地址数据传输:此时所传内容的前二个字节为地址,后为数据,若接收端接收到地址匹配的数据包,即将地址、数据传给终端设备,否则将丢弃,使用这种方式可以减轻上位机的软件开销,因此本无线抄表系统使用地址数据传输模式。
　　3.2 ARM微控制器LPC2210
　　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LPC2210作为无线数据采集器和无线数据集中器的核心控制器。LPC2210是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-S微控制器,其主要性能如下:
　　(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)拥有32kB的片内静态RAM,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,可存储大量电量信息,为无线抄表系统的设计提供方便;
　　(3)支持2个低功耗模式:空闲和掉电,同时可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗,满足无线抄表系统的低能耗需求
　　3.3 无线数据采集器模块设计
　　数据采集器通过RS-485总线与电表连接,并通过无线收发模块APC200A-43与数据集中器通信。采集器的外部扩展EEPROM用于保存电量记录和电能表的工作参数,如剩余电量,用电量,表号等数据。本模块扩展采集器按时读取数字电表的读数,并将数据以表的形式储入EEPROM中;同时采集器可接收集中器指令来传输储存的电量数据和进行效时操作。
　　3.4 无线数据集中器模块设计
　　数据集中器通过无线收发模块APC200A-43接收和发送数据,当APC200A-43收到数据,经过处理后,存入EEPROM中,并可通过LCD查看用户用电量。同时,LPC2210通过以太网控制器RTL8019AS与internet相连,通过internet与监控中心通讯。
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　　本系统的软件设计可以划分为采集器、集中器和监控中心上位机三个层次,其中运行与采集器和集中器的程序采用C语言编写,经过ARM编译软件ADS生成可执行程序,运行于LPC2210中。使用Visual Basic 6.0开发上位机界面,使用SQL Server存储和管理数据。整个上位机软件采用结构化设计,便于维护与修改。
　　现在将采集器和集中器的部分程序加以分析。
　　4.1 无线采集器程序设计
　　采集器初始化之后,检查是否有数据输入,若无,则定时调用RS-485通讯程序采集电表数据,完成数据存储,以后进入低功耗模式,若有则进入数据接收模式接受数据帧,待数据帧接收完成后分析数据帧,根据数据帧内容选择完成修改电表参数或者发送数据两个操作。
　　4.3 无线集中器程序设计
　　集中器初始化后,检查监控中心是否发来指令,若无指令则定期采集无线采集器上的数据,若有指令,则分析指令,选择完成修改某采集器控制下的电表的参数或者向监控中心上传保存的数据两种任务,然后进入低能耗模式。如图6所示。
　　值得一提的是,在程序设计中必须注意:APC200A-43模块虽然有256bytes大容量缓冲区,但若串口速率大于等于空中速率,则存在数据流量的问题,可能会出现数据溢出而导致的数据丢失的现象。在这种情况下,终端设备要保证串口平均速率不大于60%空中速率,如串口速率为9600bps,空中速率为4800bps,终端设备每次向串口发送100字节,那么终端设备每次向串口发送的时间约104ms,(104ms/0.6)*(9600/4800)=347ms,所以终端设备每次向串口发送100字节每次间隔不小于347ms,以上问题则不会出现。
　　5 结语
　　无线抄表是未来仪表的发展趋势,采用无线抄表系统具有使用方便、成本低廉、应用灵活等优点。笔者利用微控制器LPC2200以及无线传输模块APC200A-43设计的无线抄表系统实现了对用户用电量的无线采集,并通过对数据的统计处理,实现了对用电量的实时监控,是一种高效、可靠的自动化抄表系统。
　　
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　　[作者简介]
　　李晟,男,1985年4月出生,现武汉理工大学自动化学院在读硕士,主要研究方向为远程故障诊断与模式识别。
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