摘要：一種基于SIMCOM公司 SIM100 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和武漢蘭瑞公司LR100控制處理模塊的電力無線抄表系統(tǒng)解決方案。方案通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和智能控制，并以GSM作為數(shù)據(jù)備用通道，解決了網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失或延時(shí)。

 

關(guān)鍵字 SIM100，LR100，電力抄表，GPRS

GPRS網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)化應(yīng)用解決了電力系統(tǒng)對(duì)智能抄表控制系統(tǒng)的通信需求，相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋性和成本更加適合于工業(yè)應(yīng)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(shí)施方案。

系統(tǒng)方案概述：
系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)考慮到電表和抄表服務(wù)器端（數(shù)據(jù)服務(wù)器）的數(shù)據(jù)通訊要求，電表和抄表服務(wù)器端采用有限透明傳輸模式，即LR100智能控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)通信網(wǎng)關(guān)的無線通信鏈路，可以進(jìn)行基于TCP/IP和UDP/IP數(shù)據(jù)傳輸?；贚R100的容錯(cuò)機(jī)制和GSM備用通道模式，彌補(bǔ)了由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性帶來的影響。
硬件實(shí)現(xiàn)：

整體硬件框圖
LR100模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有限透明傳輸和電表的智能控制，模塊接收服務(wù)器端通過數(shù)據(jù)傳輸模塊到達(dá)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，查詢指令經(jīng)RS485接口傳輸給電表，控制指令通過控制I/O對(duì)電表智能控制。電表接收到查詢命令后，反饋回相關(guān)信息，信息到達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊后，模塊按事先配置的參數(shù)進(jìn)行處理，需要回送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸，并根據(jù)電表反饋進(jìn)行智能控制和報(bào)警處理。

模塊的3個(gè)串口分配：
串口1 提供參數(shù)配置，通過對(duì)PC機(jī)上的配置軟件進(jìn)行通信對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行配置。主要是對(duì)抄表服務(wù)器端的IP地址、端口號(hào)、通訊協(xié)議（TCP/UDP）等進(jìn)行設(shè)置，以提供LR100系統(tǒng)軟件初始化時(shí)的參數(shù)。
串口2 提供對(duì)SIMCOM SIM100 GPRS模塊的通信，通過標(biāo)準(zhǔn)的AT指令和擴(kuò)展指令與模塊進(jìn)行通信，模塊的硬件接口通過與LR100擴(kuò)展電路板連接。這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)SIMCOM SIM100 GPRS模塊的數(shù)據(jù)（基于短信或GPRS）傳輸和接收。
串口3 提供選擇進(jìn)行RS232/485通信，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)電表的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)終端的數(shù)據(jù)響應(yīng)。
GPIO LR100提供的GPIO來實(shí)現(xiàn)對(duì)電表的智能控制，通過中間電路控制實(shí)現(xiàn)電表的報(bào)警和斷電等智能處理。由于GPIO的端口充裕和簡(jiǎn)潔的程序控制實(shí)現(xiàn)使后續(xù)擴(kuò)展更方便。

SIMCOM SIM100 GPRS模塊：
SIMCOM SIM100是SIMCOM ITM100的改進(jìn)模塊，更小巧的尺寸和更優(yōu)的性價(jià)比是我們區(qū)別于其他模塊選型的關(guān)鍵，其-35—75℃的工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)滿足我們方案的要求，加上適當(dāng)?shù)墓に囂幚?，可以適用于幾乎所有工業(yè)環(huán)境。

軟件實(shí)現(xiàn)：
主要軟件邏輯集中在LR100的模塊中，程序和系統(tǒng)儲(chǔ)存在其提供的片外FLASH內(nèi)。由于其考慮可靠性和縮短程序開發(fā)的周期性而采用武漢蘭瑞公司提供的二次開發(fā)平臺(tái)（包括DOS的操作系統(tǒng)和基于BC3.1的開發(fā)和遠(yuǎn)端源碼級(jí)調(diào)試環(huán)境），使方案的實(shí)施周期得到了有效縮短。

軟件模塊：
數(shù)據(jù)接收發(fā)送：該部分是整個(gè)軟件的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)部分，其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從電表終端到LR100處理的通訊，也實(shí)現(xiàn)LR100邏輯通過SIM100與抄表服務(wù)器的無線數(shù)據(jù)通訊。由于可靠性的需要我們采用TCP/IP方式和服務(wù)器端建立鏈路，并用短信模式進(jìn)行通道補(bǔ)充，在連接中采取多可靠和錯(cuò)誤處理機(jī)制來確保無線通信鏈路的通暢。錯(cuò)誤處理機(jī)制包括：對(duì)SIM100模塊復(fù)位、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行軟復(fù)位、短信錯(cuò)誤報(bào)警和短信錯(cuò)誤修正。
數(shù)據(jù)分析模塊：數(shù)據(jù)分析模塊是有限透明處理的中心邏輯，負(fù)責(zé)對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。判斷內(nèi)容包括：服務(wù)器下達(dá)指令的分類－分為對(duì)電表的通用指令和智能操作的操作指令；電表上傳服務(wù)器數(shù)據(jù)的分析—包括對(duì)數(shù)據(jù)情況的判別（是否需要進(jìn)行智能控制）和數(shù)據(jù)的上行到服務(wù)器的處理；對(duì)短信指令的分類處理—分辨出配置指令和操作指令并進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的處理。
數(shù)據(jù)智能控制：通過LR100的GPIO接口對(duì)電表進(jìn)行控制，包括報(bào)警、斷電等控制處理以及其他擴(kuò)展處理。
參數(shù)配置處理：通過COM1和PC機(jī)連接，使用PC機(jī)上的配置軟件對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行配置，包括：服務(wù)器端的IP地址、端口號(hào)、傳輸協(xié)議、打包數(shù)據(jù)長度、時(shí)延等。通過接收到的短信配置命令對(duì)參數(shù)進(jìn)行配置，該模式適合于遠(yuǎn)距離作業(yè)時(shí)候的配置和處理。


軟件實(shí)現(xiàn)邏輯

數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析模塊是基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個(gè)TCP/UDP SERVER端，可以響應(yīng)多個(gè)客戶端的連接請(qǐng)求，并對(duì)TCP/UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和分析，建立終端對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、記錄數(shù)據(jù)庫，并提供數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)記錄查詢功能。


抄表服務(wù)器模塊

小結(jié)：該方案作為一種可靠且性價(jià)比較優(yōu)的開發(fā)方案，既能縮短開發(fā)周期，又能有效降低技術(shù)門檻，使電力抄表自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)更加便捷。

參考文獻(xiàn)
1. A software architecture for GPRS session management , Haung YR,LIN YB wireless communication & 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(shù)（上海）有限公司
4.全電子式多功能三相交流電能表數(shù)據(jù)通信協(xié)議,湖南威勝電子有限公司
5. LR100用戶手冊(cè),武漢蘭瑞信息技術(shù)有限公司

 

附: 《LR100嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊說明》
嵌入式網(wǎng)絡(luò)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(nèi)核兼容）為核心的單板計(jì)算機(jī)模塊，模塊自帶插針，可方便地插在用戶的應(yīng)用電路板上，構(gòu)成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。

RDC R8822 CPU應(yīng)用了RISC的技術(shù)，內(nèi)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(shí)現(xiàn)，為應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供了與PC*兼容的環(huán)境，同時(shí)也為各種應(yīng)用軟件開發(fā)工具的使用提供了完善的目標(biāo)環(huán)境，因此嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊LR100就是一種典型的嵌入式PC模塊。為適應(yīng)無線通訊的需求，LR100板上設(shè)置了3個(gè)異步接口，用于實(shí)現(xiàn)GPRS無線通訊、RS232、RS485等應(yīng)用。LR100設(shè)有高性能的Flash文件系統(tǒng)用于存貯應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序訪問LR100的Flash存貯器象訪問普通磁盤文件系統(tǒng)一樣方便快捷，客戶在任何一臺(tái)PC上開發(fā)的應(yīng)用程序也可方便的載入LR100的Flash電子盤。

針對(duì)智能化設(shè)備的典型特點(diǎn)，LR100提供對(duì)各種小型LCD（字符、點(diǎn)陣型）顯示模塊的直接連接支持，在軟件上把它們作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輸出，并與PC上的顯示器相對(duì)應(yīng)，這使得大量用于輸出的常用函數(shù)，如printf（）等等在LR100上繼續(xù)有效，為客戶設(shè)備的開發(fā)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(jiǎn)ISA總線接口（在嵌入式領(lǐng)域，ISA總線也就是PC104總線），用于IO型外設(shè)的擴(kuò)展。與標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線相比，LR100的精簡(jiǎn)ISA總線接口增加了片選控制線，使得LR100可與大多數(shù)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(shù)字DIO，其中有10位的方向可通過程序設(shè)置。

基于LR100的應(yīng)用軟件開發(fā)的簡(jiǎn)單性和快速性是LR100的另一大特點(diǎn)。與大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)不同的是，LR100并不需要客戶購買昂貴的開發(fā)調(diào)試系統(tǒng)，而是充分利用現(xiàn)有PC上大量的廉價(jià)的軟件作為開發(fā)工具，如Borland C/C++（Turbo C/C++），這樣大大降低了客戶快速應(yīng)用高性能嵌入式處理器的門檻。在網(wǎng)絡(luò)開發(fā)應(yīng)用方面，與LR100配套的PPP-TCP/IP協(xié)議棧軟件包可幫助客戶設(shè)備快速"上網(wǎng)"，輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單元互聯(lián)。對(duì)復(fù)雜應(yīng)用需求，我們還為客戶準(zhǔn)備了基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS的應(yīng)用方案，在RTOS環(huán)境下LR100同樣可保證客戶應(yīng)用開發(fā)的簡(jiǎn)單性和快速性。作為與PC兼容的嵌入式系統(tǒng)，LR100可*支持當(dāng)前市場(chǎng)上的絕大多數(shù)針對(duì)x86的軟件開發(fā)工具。

LR100是目前國內(nèi)設(shè)計(jì)zui小的單板計(jì)算機(jī)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(gè)32芯雙排插針上，2個(gè)32芯插針對(duì)稱分布于模塊的上下兩端（分別稱為CN1、CN2），使得LR100成為一個(gè)大芯片，可方便地嵌入設(shè)備之中作為系統(tǒng)的內(nèi)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(jiǎn)ISA擴(kuò)展總線和LCD接口。

 

主要技術(shù)指標(biāo)
· 24MHz RISC結(jié)構(gòu)微處理器R8822D（x86兼容，80186內(nèi)核）
· 512K DRAM，512K字節(jié)Flash
· 標(biāo)準(zhǔn)PC兼容體系結(jié)構(gòu)，支持DOS應(yīng)用程序快速開發(fā)與移植
· Flash文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序可用空間326KB
· 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，支持各種應(yīng)用配置（RS232/RS485/GPRS/RS422）
· LCD接口，支持大多數(shù)主流LCD模塊（字符或點(diǎn)陣）
· 14位通用數(shù)字IO（GPIO）
· 精簡(jiǎn)ISA擴(kuò)展總線，可與大多數(shù)外設(shè)接口控制器件直接相連
· 4個(gè)獨(dú)立的外部中斷請(qǐng)求輸入
· BC3.1集成開發(fā)環(huán)境，Turbo Debugger源碼調(diào)試（交叉調(diào)試環(huán)境）
· 提供完整的PPP-TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，快速實(shí)現(xiàn)GPRS無線數(shù)據(jù)通訊
· 支持GSM07.10多路轉(zhuǎn)換協(xié)議，保證GPRS數(shù)據(jù)通訊與AT指令并發(fā)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(gè)32芯雙排插針對(duì)稱分布于模塊的兩側(cè)

GSM/GPRS模塊SIM100技術(shù)指標(biāo)
· 雙頻GSM900/1800
· 符合GSM Phase 2/2+標(biāo)準(zhǔn)
·  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(jī)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(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)9600bps
· GPRS: zui高下載速度 85.6kbps/zui高上傳速度 42.8kbps
· 編碼方式 CS 1/2/3/4
· PPP-協(xié)議 ； TCP/IP 協(xié)議棧
· GPRS Qos
· 60-針 板對(duì)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(qū)動(dòng)接口
· Buzzer接口
· RTC備用電源/電池接口
· GPIO
· 雙 RS232 串口支持:
· 遠(yuǎn)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(píng)估開發(fā)底板示意圖：