基于ＧＰＲＳ的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了一種基于通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）的遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體框圖和工作原理，提出了基于BENQ公司M23模塊和Winbond公司W(wǎng)77E58單片機(jī)的電能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，從系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)等方面分析了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表；GPRS；M23模塊；W77E58單片機(jī)；AT指令

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0045-03

對(duì)于供電部門和用戶來說，傳統(tǒng)的手工抄表收費(fèi)方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，已經(jīng)越來越難以適應(yīng)時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展。遠(yuǎn)程抄表是指將低壓電力載波通信與GPRS無線數(shù)據(jù)通信方式結(jié)合起來，自動(dòng)讀取和處理電表的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)抄表系統(tǒng)的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化。這樣的智能抄表系統(tǒng)可以節(jié)省大量的人力，提高工作效率，降低出錯(cuò)率，而且可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，方便查詢和檢索。

一、GPRS技術(shù)簡介

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。應(yīng)用在集中抄表系統(tǒng)中，GPRS具備一些特點(diǎn):（1）覆蓋范圍廣：GPRS依托于GSM網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。中國移動(dòng)的GSM網(wǎng)絡(luò)是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)之一，這種特點(diǎn)能夠滿足集中抄表特別是居民集抄這種分散程度很大的監(jiān)控系統(tǒng)的要求。（2）永遠(yuǎn)在線：GPRS隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，客戶仍然在網(wǎng)上與網(wǎng)絡(luò)之間還保持一種連接。（3）快速登錄：連接時(shí)間很快。GPRS無線終端一開機(jī)，就己經(jīng)與GPRS 網(wǎng)絡(luò)建立了連接，每次登錄互聯(lián)網(wǎng)，只需要一個(gè)激活過程，一般僅需1～3秒。（4）高速傳輸：由于GPRS網(wǎng)絡(luò)采取了先進(jìn)的分組交換技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸最高理論值可達(dá)171.2kb/s。（5）按量收費(fèi)：GPRS網(wǎng)絡(luò)按照客戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)，客戶即使在線，也不收費(fèi)。GPRS技術(shù)使得自動(dòng)抄表系統(tǒng)利用Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、寬范圍的數(shù)據(jù)傳輸和管理成為可能[1]。

二、遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)由采集終端、數(shù)據(jù)集中器、主站系統(tǒng)、通信信道組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

（一）采集終端

采集終端分為RS-485型和脈沖型兩種，分別用來對(duì)多功能電表和脈沖電表進(jìn)行電量采集。每個(gè)采集終端可連接16個(gè)電表，采用手持終端對(duì)采集終端載波地址和各個(gè)電表的表底數(shù)、表常數(shù)、費(fèi)率、時(shí)段、電表號(hào)進(jìn)行設(shè)置。采集終端利用現(xiàn)有的低壓電網(wǎng)載波通道接收集中器的命令、發(fā)送當(dāng)前各電表的電量及所有設(shè)置給集中器，并與上級(jí)校時(shí)。

（二）集中器

采集終端采集的電表數(shù)據(jù)經(jīng)過220V/380V低壓電力線載波，傳輸?shù)郊衅髦?，等待進(jìn)一步的傳輸和處理。集中器主要包含了兩個(gè)方面的電路：電力線載波接口電路和GPRS無線模塊電路。其中電力線載波接口電路以單片機(jī)W77E58為控制中心通過RS-485與采集器通信，并且把采集器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM中。GPRS模塊負(fù)責(zé)把集中器中的數(shù)據(jù)利用INTERNET網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁h(yuǎn)距離的主站監(jiān)控中心。為了能標(biāo)識(shí)集抄數(shù)據(jù)中的確切來源必須對(duì)集中器編址，因此，GPRS模塊傳出的數(shù)據(jù)中已加有該集中器的地址信息。

（三）GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

本GPRS無線數(shù)傳模塊采用BENQ公司的內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議棧的GPRS通信模塊M23，利用Winbond公司的W77E58單片機(jī)對(duì)M23進(jìn)行控制，二者均支持RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)。W77E58單片機(jī)具有兩個(gè)UART（通用異步串行接口），其中一個(gè)與M23模塊相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)和AT命令的傳輸，另一個(gè)經(jīng)過MAX485芯片轉(zhuǎn)換后與電力線載波接口電路中的RS-485串口相連，接收并轉(zhuǎn)發(fā)線路上采集的電表的數(shù)據(jù)。GPRS無線數(shù)傳模塊的硬件框圖如圖2所示[3-4]：

單片機(jī)W77E58控制M23模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在軟件中采用串行口的中斷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。

1．W77E58單片機(jī)簡介。W77E58是華邦公司生產(chǎn)的一款內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的單片機(jī)，從整體性能來看，W77E58的速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051快2.5倍。由于采用全靜態(tài)的CMOS設(shè)計(jì)，W77E58能夠在低時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，電源消耗也降低。W77E58內(nèi)含32KB Flash EPROM，具有1KB片上外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，擁有12個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，兩個(gè)增強(qiáng)型全雙工串行口，是一款性價(jià)比很高的芯片。

2．M23無線數(shù)傳模塊簡介。M23是BENQ公司生產(chǎn)的一款多功能GSM/GPRS無線通信模塊，共支持三個(gè)頻段：EGSM900/DCS1800/PCS1900。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，采用3.3V～4.5V電壓供電，具有短消息服務(wù)、語音通話、數(shù)據(jù)傳真等功能。對(duì)外可提供天線接口、模擬音頻接口、異步串行接口、SIM卡接口等，給用戶設(shè)計(jì)帶來很大的方便。

3．M23模塊與W77E58單片機(jī)的接口。M23與W77E58采用串口相連，具體的端口連接說明如下[5-6]：

（1）M23的串行口TXD：接單片機(jī)的RXD，用于向單片機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)主站監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)或指令。

（2）M23的串行口RXD：接單片機(jī)的TXD，用于接收單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)或指令。

（3）M23的DSR引腳：即Data Set Ready，說明模塊準(zhǔn)備好，與單片機(jī)的P1.0口相連。DSR為高表示處在數(shù)據(jù)模式，為低表示處在命令模式。

（4）M23的DTR引腳：即Data Terminal Ready，說明終端設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，與單片機(jī)的P1.1口相連，可通過控制此引腳電平的高低時(shí)間來進(jìn)行M23的數(shù)據(jù)態(tài)和命令態(tài)的切換。

（四）數(shù)傳終端的軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)傳終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的核心部分是單片機(jī)與GPRS模塊的通信，兩者間需定義通信協(xié)議、規(guī)定幀的格式，通過AT命令實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、PDP激活、Internet的接入及數(shù)據(jù)傳輸。

1．AT指令的調(diào)試。利用AT指令控制M23模塊建立無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下：

（1）AT$NOSLEEP=1：防止串口進(jìn)入睡眠狀態(tài)。利用M23進(jìn)行TCP/IP數(shù)據(jù)連接前必須使串口永遠(yuǎn)打開，否則可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

（2）AT+CGDCONT=1，“IP”，“APN”：設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)，中國移動(dòng)的APN是CMNET。

（3）AT%CGPCO=1，“PAP，，”，1:PAP驗(yàn)證，默認(rèn)的用戶名和密碼。

（4）AT$DESTINFO＝“*.*.*.*”，1，主站的端口號(hào)：設(shè)置遠(yuǎn)端主站的IP地址，其中“*.*.*.*”指遠(yuǎn)端主站的固定的IP地址，“1”指支持TCP協(xié)議，若為“2”指支持UDP協(xié)議。

（5）ATD*97# :撥號(hào)建立連接。當(dāng)建立了TCP/IP的連接后，可以通過發(fā)送“+++”（后面不能有任何字符）命令從TCP狀態(tài)切換到AT命令狀態(tài)，TCP狀態(tài)此時(shí)沒有斷開只是被暫時(shí)掛起，在AT命令狀態(tài)可以使用“ATO”命令來返回到TCP狀態(tài)，也可以在AT命令狀態(tài)發(fā)送“ATH”徹底斷開TCP連接。

2．程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用標(biāo)準(zhǔn)的C51進(jìn)行編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，主要分為系統(tǒng)初始化模塊、建立連接模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、斷開連接模塊4部分。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示：

（1）單片機(jī)的初始化。單片機(jī)初始化部分將W77E58串口設(shè)置為工作方式1，即1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。定時(shí)器選用定時(shí)器1的工作模式2即8位自動(dòng)重裝定時(shí)器來作為串行口波特率發(fā)生器，波特率設(shè)為9600b/s，晶振為11.0592MHZ。采用串行口中斷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或指令的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。初始化時(shí)先將串行口中斷關(guān)閉，在與上位機(jī)建立連接后再打開。

（2）建立連接。單片機(jī)使用串行口對(duì)M23模塊發(fā)送AT命令建立連接，相鄰AT命令間要有2～3s的延時(shí)，所以每發(fā)送完一條AT命令都要調(diào)用一個(gè)2～3s的延時(shí)子程序，然后通過串行中斷接收子程序接收AT命令返回值來判斷連接是否成功。

（3）數(shù)據(jù)傳輸。在M23模塊成功接入網(wǎng)絡(luò)后，單片機(jī)只要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給M23，M23就會(huì)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的IP地址的PC機(jī)。

（4）GPRS通信心跳信息。M23模塊在接入網(wǎng)絡(luò)后，在設(shè)定的周期內(nèi)無數(shù)據(jù)通信時(shí)，由單片機(jī)控制M23模塊向主站發(fā)送心跳信息，主站收到心跳信息后，回應(yīng)應(yīng)答信號(hào)。

（5）重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。程序中把一些重要的數(shù)據(jù)如主站的IP地址、端口號(hào)、SIM卡號(hào)等存入EEPROM中。在需要時(shí)從EEPROM中讀出或向EEPROM重新寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

（6）斷開連接。數(shù)據(jù)鏈路的釋放可通過發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志“＋＋＋”實(shí)現(xiàn)，但必須延時(shí)一定時(shí)間后再發(fā)送斷開連接指令。

三、結(jié)語

電能抄表一直是困擾電力部門的難題，因?yàn)殡娔鼙頂?shù)量多，地理位置分散，若采用人工抄表則需要投入大量的人力、物力和財(cái)力?；贕PRS的電能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可以對(duì)電能表進(jìn)行遠(yuǎn)程無線集抄，同時(shí)，通過GPRS雙向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程電能表和其他電力設(shè)備進(jìn)行控制，節(jié)省人力資源和建設(shè)成本。目前，基于GPRS的電能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)在電力部門已得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡介：劉建平（1976- ），供職于江蘇宏圖高科技股份有限公司通信設(shè)備分公司，東南大學(xué)無線電工程系碩士，研究方向：電子與通信工程。