基于GPRS的电力无线抄表系统解决方案

GPRS无线抄表的中心议题：
    * 系统方案概述
    * 硬件实现
    * 模块的串口分配
    * SIMCOM SIM100 GPRS模块
    * 软件实现
    * 软件模块

摘要：

一种基于SIMCOM公司SIM100 GPRS无线数据传输模块和武汉兰瑞公司LR100控制处理模块的电力无线抄表系统解决方案。方案通过GPRS网络实现对电力抄表系统的数据传输和智能控制，并以GSM作为数据备用通道，解决了网络的不稳定性导致的数据丢失或延时。

GPRS网络的工业化应用解决了电力系统对智能抄表控制系统的通信需求，相比于传统的专用网络，其覆盖性和成本更加适合于工业应用，本文提出了基于SIMCOM公司的无线传输模块SIM100和武汉兰瑞公司LR100控制模块的实施方案。

系统方案概述：

系统的方案设计考虑到电表和抄表服务器端（数据服务器）的数据通讯要求，电表和抄表服务器端采用有限透明传输模式，即LR100智能控制模块对数据进行有限过滤和分析处理，避免冗余和分辨出指令信息。通讯方式采用通过SIMCOM SIM100模块建立通过移动通信网关的无线通信链路，可以进行基于TCP/IP和UDP/IP数据传输。基于LR100的容错机制和GSM备用通道模式，弥补了由于GPRS网络的不稳定性带来的影响。

硬件实现：



LR100模块：实现对数据的有限透明传输和电表的智能控制，模块接收服务器端通过数据传输模块到达的数据，经过分析，查询指令经RS485接口传输给电表，控制指令通过控制I/O对电表智能控制。电表接收到查询命令后，反馈回相关信息，信息到达数据处理模块后，模块按事先配置的参数进行处理，需要回送到服务器的数据经数据传输模块传输，并根据电表反馈进行智能控制和报警处理。

模块的3个串口分配：

串口1 提供参数配置，通过对PC机上的配置软件进行通信对系统的参数进行配置。主要是对抄表服务器端的IP地址、端口号、通讯协议（TCP/UDP）等进行设置，以提供LR100系统软件初始化时的参数。

串口2 提供对SIMCOM SIM100 GPRS模块的通信，通过标准的AT指令和扩展指令与模块进行通信，模块的硬件接口通过与LR100扩展电路板连接。这样实现了对SIMCOM SIM100 GPRS模块的数据（基于短信或GPRS）传输和接收。

串口3 提供选择进行RS232/485通信，主要实现了对电表的数据通信，实现终端的数据响应。

GPIO LR100提供的GPIO来实现对电表的智能控制，通过中间电路控制实现电表的报警和断电等智能处理。由于GPIO的端口充裕和简洁的程序控制实现使后续扩展更方便。

SIMCOM SIM100 GPRS模块：

SIMCOM SIM100是SIMCOM ITM100的改进模块，更小巧的尺寸和更优的性价比是我们区别于其他模块选型的关键，其-35—75℃的工业应用范围内满足我们方案的要求，加上适当的工艺处理，可以适用于几乎所有工业环境。

软件实现：

主要软件逻辑集中在LR100的模块中，程序和系统储存在其提供的片外FLASH内。由于其考虑可靠性和缩短程序开发的周期性而采用武汉兰瑞公司提供的二次开发平台（包括DOS的操作系统和基于BC3.1的开发和远端源码级调试环境），使方案的实施周期得到了有效缩短。

软件模块：

数据接收发送：该部分是整个软件的数据传输实现部分，其实现数据从电表终端到LR100处理的通讯，也实现LR100逻辑通过SIM100与抄表服务器的无线数据通讯。由于可靠性的需要我们采用TCP/IP方式和服务器端建立链路，并用短信模式进行通道补充，在连接中采取多可靠和错误处理机制来确保无线通信链路的通畅。错误处理机制包括：对SIM100模块复位、对整个系统进行软复位、短信错误报警和短信错误修正。

数据分析模块：数据分析模块是有限透明处理的中心逻辑，负责对收发数据进行判断。判断内容包括：服务器下达指令的分类－分为对电表的通用指令和智能操作的操作指令；电表上传服务器数据的分析—包括对数据情况的判别（是否需要进行智能控制）和数据的上行到服务器的处理；对短信指令的分类处理—分辨出配置指令和操作指令并进行相对应的处理。

数据智能控制：通过LR100的GPIO接口对电表进行控制，包括报警、断电等控制处理以及其他扩展处理。

参数配置处理：通过COM1和PC机连接，使用PC机上的配置软件对所需参数进行配置，包括：服务器端的IP地址、端口号、传输协议、打包数据长度、时延等。通过接收到的短信配置命令对参数进行配置，该模式适合于远距离作业时候的配置和处理。



数据分析：数据分析模块是基于数据库系统的一个TCP/UDP SERVER端，可以响应多个客户端的连接请求，并对TCP/UDP数据包进行接收、存储和分析，建立终端对应的数据分析、记录数据库，并提供数据分析和数据记录查询功能。



小结：

该方案作为一种可靠且性价比较优的开发方案，既能缩短开发周期，又能有效降低技术门槛，使电力抄表自动化的实现更加便捷。

参考文献

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, 希姆通信息技术（上海）有限公司
4.全电子式多功能三相交流电能表数据通信协议,湖南威胜电子有限公司
5. LR100用户手册,武汉兰瑞信息技术有限公司

附: 《LR100嵌入式网络模块说明》

嵌入式网络模块LR100是兰瑞公司推出的一款以嵌入式微处理器RDC R8822 CPU（与80186内核兼容）为核心的单板计算机模块，模块自带插针，可方便地插在用户的应用电路板上，构成完整的应用系统。

RDC R8822 CPU应用了RISC的技术，内核与80186兼容。80186作为80X86系列的一员，其指令与其他X86微处理器保持一致，LR100通过与PC/DOS兼容性的实现，为应用软件的运行提供了与PC完全兼容的环境，同时也为各种应用软件开发工具的使用提供了完善的目标环境，因此嵌入式网络模块LR100就是一种典型的嵌入式PC模块。为适应无线通讯的需求，LR100板上设置了3个异步接口，用于实现GPRS无线通讯、RS232、RS485等应用。LR100设有高性能的Flash文件系统用于存贮应用程序及数据，应用程序访问LR100的Flash存贮器象访问普通磁盘文件系统一样方便快捷，客户在任何一台PC上开发的应用程序也可方便的载入LR100的Flash电子盘。

针对智能化设备的典型特点，LR100提供对各种小型LCD（字符、点阵型）显示模块的直接连接支持，在软件上把它们作为系统的标准输出，并与PC上的显示器相对应，这使得大量用于输出的常用函数，如printf（）等等在LR100上继续有效，为客户设备的开发在硬件、软件方面都提供了有效的帮助。

LR100具有紧凑灵活的精简ISA总线接口（在嵌入式领域，ISA总线也就是PC104总线），用于IO型外设的扩展。与标准的ISA总线相比，LR100的精简ISA总线接口增加了片选控制线，使得LR100可与大多数IO 类型的通讯接口控制芯片、AD-DA、DIO、FIFO等器件直接相连，而不需要任何接口逻辑电路。此外，LR100还提供了14位数字DIO，其中有10位的方向可通过程序设置。





　　基于LR100的应用软件开发的简单性和快速性是LR100的另一大特点。与大多数嵌入式系统不同的是，LR100并不需要客户购买昂贵的开发调试系统，而是充分利用现有PC上大量的廉价优秀的软件作为开发工具，如Borland C/C++（Turbo C/C++），这样大大降低了客户快速应用高性能嵌入式处理器的门槛。在网络开发应用方面，与LR100配套的PPP-TCP/IP协议栈软件包可帮助客户设备快速"上网"，轻松实现系统单元互联。对复杂应用需求，我们还为客户准备了基于实时多任务操作系统RTOS的应用方案，在RTOS环境下LR100同样可保证客户应用开发的简单性和快速性。作为与PC兼容的嵌入式系统，LR100可完全支持当前市场上的绝大多数针对x86的软件开发工具。



LR100是目前国内设计最小的单板计算机模块之一，其外形尺寸仅为64mm×46mm，所有的输入输出引脚都集中在2个32芯双排插针上，2个32芯插针对称分布于模块的上下两端（分别称为CN1、CN2），使得LR100成为一个大芯片，可方便地嵌入设备之中作为系统的内核模块。32芯插针CN1主要包括串行通讯接口和GPIO，32芯插针CN2主要包括精简ISA扩展总线和LCD接口。

主要技术指标

　　· 24MHz RISC结构微处理器R8822D（x86兼容，80186内核）
　　· 512K DRAM，512K字节Flash
　　· 标准PC兼容体系结构，支持DOS应用程序快速开发与移植
　　· Flash文件系统，应用程序可用空间326KB
　　· 3个标准串口，支持各种应用配置（RS232/RS485/GPRS/RS422）
　　· LCD接口，支持大多数主流LCD模块（字符或点阵）
　　· 14位通用数字IO（GPIO）
　　· 精简ISA扩展总线，可与大多数外设接口控制器件直接相连
　　· 4个独立的外部中断请求输入
　　· BC3.1集成开发环境，Turbo Debugger源码调试（交叉调试环境）
　　· 提供完整的PPP-TCP/IP网络通讯协议，快速实现GPRS无线数据通讯
　　· 支持GSM07.10多路转换协议，保证GPRS数据通讯与AT指令并发操作
　　· 供电电压：5V±5%；工作电流：210mA；工作温度：-10℃至65℃
　　· 外形尺寸：64mm×46mm，2个32芯双排插针对称分布于模块的两侧

GSM/GPRS模块SIM100技术指标

　　· 双频GSM900/1800
　　· 符合GSM Phase 2/2+标准
　　· 支持GSM07.07和07.05 AT命令
　　· 支持STK
　　· 电源电压 3.3V – 4.6V
　　· 电流消耗:
　　· 待机模式4mA
　　· 通话模式300mA(平均) 1.7A(峰值)
　　· 体积大小:53mm×33mm×3mm
　　· 重量:12g(包括屏蔽罩)
　　· 工作温度:-35℃～+75℃
　　· 支持USSD
　　· 透明或非透明方式数据传输速率可达9600bps
　　· GPRS: 最高下载速度 85.6kbps/最高上传速度 42.8kbps
　　· 编码方式 CS 1/2/3/4
　　· PPP-协议 ； TCP/IP 协议栈
　　· GPRS Qos
　　· 60-针 板对板连接器:
　　· 3V/1.8V SIM 接口
　　· 2 Microphone 输入
　　· 2 Speaker 输出
　　· DAI
　　· 键盘接口
　　· LCD 接口
　　· 背光 LED 驱动接口
　　· Buzzer接口
　　· RTC备用电源/电池接口
　　· GPIO
　　· 双 RS232 串口支持:
　　· 远程AT命令控制
　　· 串行波特率: 300 ~ 115,200 bits/s
　　· 单天线接口

LR-100-Evb评估开发底板示意图：