基于GPRS的電力無線抄表系統解決方案

GPRS網絡的工業化應用解決了電力系統對智能抄表控制系統的通信需求，相比于傳統的專用網絡，其覆蓋性和成本更加適合于工業應用，本文提出了基于SIMCOM公司的無線傳輸模塊SIM100和武漢蘭瑞公司LR100控制模塊的實施方案。

系統方案概述：
系統的方案設計考慮到電表和抄表服務器端（數據服務器）的數據通訊要求，電表和抄表服務器端采用有限透明傳輸模式，即LR100智能控制模塊對數據進行有限過濾和分析處理，避免冗余和分辨出指令信息。通訊方式采用通過SIMCOM SIM100模塊建立通過移動通信網關的無線通信鏈路，可以進行基于TCP/IP和UDP/IP數據傳輸。基于LR100的容錯機制和GSM備用通道模式，彌補了由于GPRS網絡的不穩定性帶來的影響。
硬件實現：

整體硬件框圖
LR100模塊：實現對數據的有限透明傳輸和電表的智能控制，模塊接收服務器端通過數據傳輸模塊到達的數據，經過分析，查詢指令經RS485接口傳輸給電表，控制指令通過控制I/O對電表智能控制。電表接收到查詢命令后，反饋回相關信息，信息到達數據處理模塊后，模塊按事先配置的參數進行處理，需要回送到服務器的數據經數據傳輸模塊傳輸，并根據電表反饋進行智能控制和報警處理。

模塊的3個串口分配：
串口1 提供參數配置，通過對PC機上的配置軟件進行通信對系統的參數進行配置。主要是對抄表服務器端的IP地址、端口號、通訊協議（TCP/UDP）等進行設置，以提供LR100系統軟件初始化時的參數。
串口2 提供對SIMCOM SIM100 GPRS模塊的通信，通過標準的AT指令和擴展指令與模塊進行通信，模塊的硬件接口通過與LR100擴展電路板連接。這樣實現了對SIMCOM SIM100 GPRS模塊的數據（基于短信或GPRS）傳輸和接收。
串口3 提供選擇進行RS232/485通信，主要實現了對電表的數據通信，實現終端的數據響應。
GPIO LR100提供的GPIO來實現對電表的智能控制，通過中間電路控制實現電表的報警和斷電等智能處理。由于GPIO的端口充裕和簡潔的程序控制實現使后續擴展更方便。

SIMCOM SIM100 GPRS模塊：
SIMCOM SIM100是SIMCOM ITM100的改進模塊，更小巧的尺寸和更優的性價比是我們區別于其他模塊選型的關鍵，其-35—75℃的工業應用范圍內滿足我們方案的要求，加上適當的工藝處理，可以適用于幾乎所有工業環境。

軟件實現：
主要軟件邏輯集中在LR100的模塊中，程序和系統儲存在其提供的片外FLASH內。由于其考慮可靠性和縮短程序開發的周期性而采用武漢蘭瑞公司提供的二次開發平臺（包括DOS的操作系統和基于BC3.1的開發和遠端源碼級調試環境），使方案的實施周期得到了有效縮短。

軟件模塊：
數據接收發送：該部分是整個軟件的數據傳輸實現部分，其實現數據從電表終端到LR100處理的通訊，也實現LR100邏輯通過SIM100與抄表服務器的無線數據通訊。由于可靠性的需要我們采用TCP/IP方式和服務器端建立鏈路，并用短信模式進行通道補充，在連接中采取多可靠和錯誤處理機制來確保無線通信鏈路的通暢。錯誤處理機制包括：對SIM100模塊復位、對整個系統進行軟復位、短信錯誤報警和短信錯誤修正。
數據分析模塊：數據分析模塊是有限透明處理的中心邏輯，負責對收發數據進行判斷。判斷內容包括：服務器下達指令的分類－分為對電表的通用指令和智能操作的操作指令；電表上傳服務器數據的分析—包括對數據情況的判別（是否需要進行智能控制）和數據的上行到服務器的處理；對短信指令的分類處理—分辨出配置指令和操作指令并進行相對應的處理。
數據智能控制：通過LR100的GPIO接口對電表進行控制，包括報警、斷電等控制處理以及其他擴展處理。
參數配置處理：通過COM1和PC機連接，使用PC機上的配置軟件對所需參數進行配置，包括：服務器端的IP地址、端口號、傳輸協議、打包數據長度、時延等。通過接收到的短信配置命令對參數進行配置，該模式適合于遠距離作業時候的配置和處理。


軟件實現邏輯

數據分析：數據分析模塊是基于數據庫系統的一個TCP/UDP SERVER端，可以響應多個客戶端的連接請求，并對TCP/UDP數據包進行接收、存儲和分析，建立終端對應的數據分析、記錄數據庫，并提供數據分析和數據記錄查詢功能。


抄表服務器模塊

小結：該方案作為一種可靠且性價比較優的開發方案，既能縮短開發周期，又能有效降低技術門檻，使電力抄表自動化的實現更加便捷。

參考文獻
1. A software architecture for GPRS session management , Haung YR,LIN YB wireless communication &mobile computing MAR 2002
2. GPRS terminal design, Baker S electronic, engineering design MAR 2002
3. SIM100_UGD_V02.0, 希姆通信息技術（上海）有限公司
4.全電子式多功能三相交流電能表數據通信協議,湖南威勝電子有限公司
5. LR100用戶手冊,武漢蘭瑞信息技術有限公司

附: 《LR100嵌入式網絡模塊說明》
嵌入式網絡模塊LR100是蘭瑞公司推出的一款以嵌入式微處理器RDC R8822 CPU（與80186內核兼容）為核心的單板計算機模塊，模塊自帶插針，可方便地插在用戶的應用電路板上，構成完整的應用系統。

RDC R8822 CPU應用了RISC的技術，內核與80186兼容。80186作為80X86系列的一員，其指令與其他X86微處理器保持一致，LR100通過與PC/DOS兼容性的實現，為應用軟件的運行提供了與PC完全兼容的環境，同時也為各種應用軟件開發工具的使用提供了完善的目標環境，因此嵌入式網絡模塊LR100就是一種典型的嵌入式PC模塊。為適應無線通訊的需求，LR100板上設置了3個異步接口，用于實現GPRS無線通訊、RS232、RS485等應用。LR100設有高性能的Flash文件系統用于存貯應用程序及數據，應用程序訪問LR100的Flash存貯器象訪問普通磁盤文件系統一樣方便快捷，客戶在任何一臺PC上開發的應用程序也可方便的載入LR100的Flash電子盤。

針對智能化設備的典型特點，LR100提供對各種小型LCD（字符、點陣型）顯示模塊的直接連接支持，在軟件上把它們作為系統的標準輸出，并與PC上的顯示器相對應，這使得大量用于輸出的常用函數，如printf（）等等在LR100上繼續有效，為客戶設備的開發在硬件、軟件方面都提供了有效的幫助。

LR100具有緊湊靈活的精簡ISA總線接口（在嵌入式領域，ISA總線也就是PC104總線），用于IO型外設的擴展。與標準的ISA總線相比，LR100的精簡ISA總線接口增加了片選控制線，使得LR100可與大多數IO 類型的通訊接口控制芯片、AD-DA、DIO、FIFO等器件直接相連，而不需要任何接口邏輯電路。此外，LR100還提供了14位數字DIO，其中有10位的方向可通過程序設置。

基于LR100的應用軟件開發的簡單性和快速性是LR100的另一大特點。與大多數嵌入式系統不同的是，LR100并不需要客戶購買昂貴的開發調試系統，而是充分利用現有PC上大量的廉價優秀的軟件作為開發工具，如Borland C/C++（Turbo C/C++），這樣大大降低了客戶快速應用高性能嵌入式處理器的門檻。在網絡開發應用方面，與LR100配套的PPP-TCP/IP協議棧軟件包可幫助客戶設備快速"上網"，輕松實現系統單元互聯。對復雜應用需求，我們還為客戶準備了基于實時多任務操作系統RTOS的應用方案，在RTOS環境下LR100同樣可保證客戶應用開發的簡單性和快速性。作為與PC兼容的嵌入式系統，LR100可完全支持當前市場上的絕大多數針對x86的軟件開發工具。

LR100是目前國內設計最小的單板計算機模塊之一，其外形尺寸僅為64mm×46mm，所有的輸入輸出引腳都集中在2個32芯雙排插針上，2個32芯插針對稱分布于模塊的上下兩端（分別稱為CN1、CN2），使得LR100成為一個大芯片，可方便地嵌入設備之中作為系統的內核模塊。32芯插針CN1主要包括串行通訊接口和GPIO，32芯插針CN2主要包括精簡ISA擴展總線和LCD接口。

主要技術指標
· 24MHz RISC結構微處理器R8822D（x86兼容，80186內核）
· 512K DRAM，512K字節Flash
· 標準PC兼容體系結構，支持DOS應用程序快速開發與移植
· Flash文件系統，應用程序可用空間326KB
· 3個標準串口，支持各種應用配置（RS232/RS485/GPRS/RS422）
· LCD接口，支持大多數主流LCD模塊（字符或點陣）
· 14位通用數字IO（GPIO）
· 精簡ISA擴展總線，可與大多數外設接口控制器件直接相連
· 4個獨立的外部中斷請求輸入
· BC3.1集成開發環境，Turbo Debugger源碼調試（交叉調試環境）
· 提供完整的PPP-TCP/IP網絡通訊協議，快速實現GPRS無線數據通訊
· 支持GSM07.10多路轉換協議，保證GPRS數據通訊與AT指令并發操作
· 供電電壓：5V±5%；工作電流：210mA；工作溫度：-10℃至65℃
· 外形尺寸：64mm×46mm，2個32芯雙排插針對稱分布于模塊的兩側

GSM/GPRS模塊SIM100技術指標
· 雙頻GSM900/1800
· 符合GSM Phase 2/2+標準
· 支持GSM07.07和07.05 AT命令
· 支持STK
· 電源電壓 3.3V – 4.6V
· 電流消耗:
o 待機模式4mA
o 通話模式300mA(平均) 1.7A(峰值)
· 體積大小:53mm×33mm×3mm
· 重量:12g(包括屏蔽罩)
· 工作溫度:-35℃～+75℃
· 支持USSD
· 透明或非透明方式數據傳輸速率可達9600bps
· GPRS: 最高下載速度 85.6kbps/最高上傳速度 42.8kbps
· 編碼方式 CS 1/2/3/4
· PPP-協議 ； TCP/IP 協議棧
· GPRS Qos
· 60-針 板對板連接器:
· 3V/1.8V SIM 接口
· 2 Microphone 輸入
· 2 Speaker 輸出
· DAI
· 鍵盤接口
· LCD 接口
· 背光 LED 驅動接口
· Buzzer接口
· RTC備用電源/電池接口
· GPIO
· 雙 RS232 串口支持:
· 遠程AT命令控制
· 串行波特率: 300 ~ 115,200 bits/s
· 單天線接口
LR-100-Evb評估開發底板示意圖：