基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的原理與建立

寧夏吳忠供電局 章望珠

在當(dāng)前信息環(huán)境下，對(duì)廣大的電力業(yè)主實(shí)現(xiàn)抄表，就是將現(xiàn)代化電表通過通信網(wǎng)絡(luò)與控制中心的計(jì)算機(jī)聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電量的自動(dòng)、集中、定時(shí)抄錄，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析[1]。電力業(yè)主抄表自動(dòng)化是電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程化與網(wǎng)絡(luò)化的一個(gè)基本功能，也是用電營業(yè)管理自動(dòng)化的一個(gè)重要手段和組成部分[2]。比如電力部門期望抄表系統(tǒng)不但能夠進(jìn)行隨機(jī)抄表和定時(shí)抄表，而且還可以對(duì)進(jìn)行監(jiān)視，能有效地得到竊電的證據(jù)。近年來我國不少電力研究部門研制生產(chǎn)了不同方式的業(yè)主集中抄表系統(tǒng)[3]。而隨著無線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程集中抄表技術(shù)的通信問題也得到解決。本文為此具體探討了基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的原理與建立措施。

1.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的功能分析

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是自動(dòng)采集和記錄電力系統(tǒng)業(yè)主負(fù)荷的用電情況，并且通過通信方式，自動(dòng)將記錄的數(shù)據(jù)和業(yè)主信息通過信道傳回電力用電管理中心，并由系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)完成電力系統(tǒng)用電業(yè)主的電能量計(jì)費(fèi)和管理功能的系統(tǒng)。通過定義分析與用電管理要求，其具備以下功能：（1）自動(dòng)、定時(shí)地抄錄各業(yè)主的用電量；（2）按用電的時(shí)間和季節(jié)自動(dòng)調(diào)整核算每個(gè)業(yè)主的電價(jià)；（3）通過銀行向各業(yè)主自動(dòng)完成轉(zhuǎn)賬收款、電費(fèi)結(jié)算；（4）為電力部門提供有效的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，為電力管理自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（5）實(shí)現(xiàn)業(yè)主電表工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)業(yè)主電表有異常錯(cuò)誤時(shí)本系統(tǒng)可以自動(dòng)上報(bào)，也可對(duì)電表硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)管理[4]。

2.GPRS通信技術(shù)分析

GPRS技術(shù)是第二代移動(dòng)通信技術(shù)向第三代移動(dòng)通信技術(shù)的過渡技術(shù)，它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，業(yè)主通過GPRS可以在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)業(yè)主可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)業(yè)主共享，資源被有效的利用。具體來說，GPRS通信技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：GPRS采用分組交換技術(shù)，優(yōu)化了對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和無線資源的利用。GPRS無線信道，且分配方式靈活，且向上鏈路和向下鏈路的分配是獨(dú)立的。支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。GPRS的安全身份認(rèn)證和加密功能由SGSN來執(zhí)行。業(yè)主數(shù)據(jù)在MS和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間透明地傳輸，它使用的方法是封裝和隧道技術(shù)。GPRS可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類型及服務(wù)質(zhì)量等級(jí)（QoS）的計(jì)費(fèi)功能，計(jì)費(fèi)方式更加合理，業(yè)主使用更加方便。

3.基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的原理與硬件組成

3.1 基本原理

本文的基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的原理是集抄表和監(jiān)視功能于一體，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的抄表功能，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電表計(jì)量現(xiàn)場情況進(jìn)行監(jiān)視，起到現(xiàn)場監(jiān)控的作用[5]。它采用JPEG格式保存捕獲的現(xiàn)場圖像證據(jù)，有效地利用存儲(chǔ)器空間，并且采用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介，使系統(tǒng)不但可以通過短消息進(jìn)行控制，而且可以將抄表數(shù)據(jù)和捕獲的竊電圖像證據(jù)通過電子郵件的方式傳送到指定郵箱。

3.2 硬件組成

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程抄表及監(jiān)視系統(tǒng)主要由管理中心、手機(jī)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場單元等四部分組成。管理中心是裝設(shè)在電力部門用電管理處的計(jì)算機(jī)，用來接收現(xiàn)場單元以電子郵件方式發(fā)送的抄表數(shù)據(jù)和竊電圖像證據(jù)，并對(duì)信息分別進(jìn)行管理。手機(jī)是系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程遙控器，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)發(fā)送各種短消息命令和接收系統(tǒng)返回的短消息，它是系統(tǒng)信息顯示和控制命令的終端設(shè)備。GPRS網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的通信媒介，通過它進(jìn)行短消息的接收和發(fā)送以及電子郵件的發(fā)送。現(xiàn)場單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要由電能表、攝像模塊、通信模塊和控制單元等四部分組成。電能表用來提供電力業(yè)主的用電數(shù)據(jù)；攝像模塊用來捕獲現(xiàn)場竊電時(shí)的圖像證據(jù)；通信模塊用來與GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，通過它接收和發(fā)送短消息、傳送現(xiàn)場單元的各種抄表數(shù)據(jù)和竊電圖像證據(jù)；控制單元又是現(xiàn)場單元的核心部分，它需要協(xié)調(diào)電能表、攝像模塊、通信模塊的工作。

4.基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的現(xiàn)場單元是通過單片機(jī)C8055E6.0的串行通信口UARTO，經(jīng)MAX500芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與通信模塊相連，采用了通信模塊的14腳插座的RS232通信接口。其中0.1μ的電容C8是去耦電容，防止高速跳變電流引起芯片MAX232供電電壓的波動(dòng)；電解電容C22是為了保證GPRS通信模塊供電電壓的穩(wěn)定。

4.2 攝像模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過對(duì)攝像模塊LMM2100A的硬件接口和命令的介紹，通過單片機(jī)C8055E6.0的串行通信口UARTl與攝像模塊的應(yīng)用接口相連，通過攝像模塊的命令即可實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制，從而獲得JPEG格式的圖像文件。攝像模塊的接口電路的具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需將現(xiàn)場單元的電源和地與攝像模塊LMM2100A的電源和地連，將單片機(jī)C8055E6.0的串行通信口UART1的發(fā)送引腳和接收引腳與攝像模塊的接收引腳和發(fā)送引腳相連就可以。

4.3 電能表模塊設(shè)計(jì)

圖5-1 基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合單片機(jī)C8055E6.0具有可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA），本模塊包括5個(gè)捕捉/比較模塊，用其中的任意兩個(gè)捕捉/比較模塊均能夠?qū)崿F(xiàn)軟件UART功能。正因?yàn)槿绱?，現(xiàn)場單元借用PCA來模擬實(shí)現(xiàn)波特率為9600bps的UART功能，再通過MAX485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與RS485接口的電能表通信。

圖6-1 廣度優(yōu)先生成樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

5.基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)功能模塊：處理短消息命令功能模模塊（FLAG1）、進(jìn)行現(xiàn)場圖像的拍攝及傳輸?shù)墓δ苣K（FLAG2）、定時(shí)抄表的功能模塊（FLAG3）。其中FLAG1的主要功能為在UARTO中斷子程序中置位該標(biāo)志，F(xiàn)LAG2在/INTO中斷子工程中置位該標(biāo)志，F(xiàn)LAG3在/INT1中斷子工程中置位該標(biāo)志。軟件設(shè)計(jì)的主要流程為圖5-1。

軟件處理流程為：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)C8055E6.0就開始執(zhí)行主程序。在主程序中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后清零子功能模塊標(biāo)志位，接著啟動(dòng)看門狗電路，最后進(jìn)入主程序的循環(huán)部分，它包括：根據(jù)標(biāo)志位FLAG1判斷是否收到授權(quán)手機(jī)業(yè)主發(fā)來的短消息命令；根據(jù)標(biāo)志位FLAG2判斷現(xiàn)場的外部觸發(fā)電路是否啟動(dòng)以決定是否進(jìn)行攝像操作；根據(jù)標(biāo)志位FLAG3判斷是否進(jìn)行定時(shí)抄表操作。

6.基于無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的仿真及分析

本文的仿真平臺(tái)主要使用OPNET，其是世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)之一。根據(jù)本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)部署，按照廣度優(yōu)先生成樹算法得出來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6-1所示。

當(dāng)Fu_DMTs小于零時(shí)，表示使用Fu_DMTs算法得到的節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘與根節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的偏差值小于使用DMTs算法的。從圖中我們可以看到，絕大多數(shù)的節(jié)點(diǎn)的_DMTs行值都小于零。因此，我們可認(rèn)為Fu_DMTs算法的時(shí)步效果要好于DMTs算法。此外，我們可以看出各節(jié)本地時(shí)鐘與根節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差均在1OOms級(jí)，滿足遠(yuǎn)程抄表對(duì)時(shí)間同步的要求。

總之，本文根據(jù)遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用的需求，初步設(shè)計(jì)了GPRS網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的體系，極大地推進(jìn)和提高供電部門的效率、效益和自動(dòng)化管理水平。該項(xiàng)目技術(shù)的成功研發(fā)，可推廣應(yīng)用到水表遠(yuǎn)程集中抄表、煤氣表遠(yuǎn)程集中抄表、熱能表遠(yuǎn)程集中抄表、環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集等系統(tǒng)的多智能體組網(wǎng)方案與實(shí)施。

[1]莊嚴(yán),向農(nóng).電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,25(10):25-28.

[2]周書民,周建勇,潘仕彬,孫亞民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘同步的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù),2006,32(9):24-26.

[3]周賢偉,韋煒,覃伯平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(1):20-25.

[4]王紅紅,李仁俊.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的通信方式[J].電力系統(tǒng)通信,2010,24(11):47-50.

[5]周游,高新華.國內(nèi)幾種電能表自動(dòng)抄錄系統(tǒng)之比較[J].廣東電力,2009,15(1):55-58.