基于GPRS電力抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅飛，郭紅梅，李民星，鄒文強(qiáng)

（江西理工大學(xué)，a.理學(xué)院；b.西校區(qū)管委會(huì)，江西贛州341000）

LUO Feia,GUO Hong-meia,LI Min-xingb,ZOU Wen-qianga

（a.Faculty of Science；b.West Campus Management Committee,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

基于GPRS電力抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅飛a，郭紅梅a，李民星b，鄒文強(qiáng)a

（江西理工大學(xué)，a.理學(xué)院；b.西校區(qū)管委會(huì)，江西贛州341000）

文中基于GPRS的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電力自動(dòng)抄表系統(tǒng).該系統(tǒng)底層通信基于RS-485總線傳輸，上層通信基于GPRS，其中GPRS模塊采用中興的ME3000.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，包括微控制器與GPRS模塊的外圍和接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元.軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，有利于軟件的模塊化，便于維護(hù)和移植.經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠.

電力通信系統(tǒng)；GPRS；自動(dòng)抄表；RS-485

LUO Feia,GUO Hong-meia,LI Min-xingb,ZOU Wen-qianga

（a.Faculty of Science；b.West Campus Management Committee,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

0 引言

電力通信系統(tǒng)是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要部分，是促進(jìn)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的有效手段.電力系統(tǒng)正常運(yùn)行需要依靠控制中心和遠(yuǎn)方終端之間的信息互通來(lái)實(shí)現(xiàn).

電力系統(tǒng)自動(dòng)抄表技術(shù)是將數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸和處理應(yīng)用在電能采集和監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)新的技術(shù).它從根本上克服了傳統(tǒng)的人工抄表模式實(shí)時(shí)性差、費(fèi)時(shí)費(fèi)工的弊端.隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用逐漸成為當(dāng)前電力通信的主流[1-2].無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的特點(diǎn)、合理的組網(wǎng)方式以及可靠的傳輸機(jī)制，使其迅速成為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中解決監(jiān)控點(diǎn)地域廣、設(shè)備布局分散等問(wèn)題的主流技術(shù).目前，遠(yuǎn)程抄表監(jiān)控系統(tǒng)主要基于微處理器，通過(guò)GPRS等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，向用電管理系統(tǒng)傳送采集的數(shù)據(jù).隨著AMR技術(shù)廣泛的應(yīng)用，各種AMR技術(shù)和系統(tǒng)（如電力線載波通信技術(shù)[3]、智能化計(jì)量?jī)x表[4]、電能量計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)[5]等）的研究也頻繁運(yùn)用于電力通信.

我們?cè)谡J(rèn)真研究我國(guó)部分地區(qū)通信規(guī)約的基礎(chǔ)上，為解決適應(yīng)多種協(xié)議的數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)哪芰坑?jì)量終端，采用ARM7結(jié)構(gòu)的LPC2132作為核心的嵌入式硬件平臺(tái)，以前后臺(tái)方式的軟件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控.文中基于GPRS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用RS—485總線型結(jié)構(gòu)解決底層數(shù)據(jù)采集[6-7]，采用GPRS無(wú)線傳輸并接入Internet的方式與數(shù)據(jù)中心的連接從而實(shí)現(xiàn)上層數(shù)據(jù)傳輸，以此完成遠(yuǎn)程抄表監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字式電能表通信規(guī)約的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的定時(shí)采集與存數(shù).

1 自動(dòng)抄表通訊方案概述

自動(dòng)抄表的底層通訊采用RS-485通訊方式，上層通訊采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊方式.

1.1 GPRS通訊方式

GPRS（General Packet Radio System）是無(wú)線分組業(yè)務(wù)的縮寫(xiě)，是介于移動(dòng)通信第二代和第三代技術(shù)之間的一種過(guò)渡形式，通常稱(chēng)為2.5G，目前通過(guò)升級(jí)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn).它是一個(gè)混合體，采用TDMA方式[8]傳輸語(yǔ)音,采用分組方式傳輸數(shù)據(jù).GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊方式具有瞬間上網(wǎng)、永遠(yuǎn)在線、快速傳輸和按量計(jì)費(fèi)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 RS-485總線通訊

RS-485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，＋2 V～＋6 V表示“0”，-6 V～-2 V表示“1”.RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps，最大的通信距離約為1219 m.RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸[9].

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 原理框圖

原理框圖如圖2所示：

圖2 硬件原理框圖

2.2 硬件電路簡(jiǎn)介

1）ME3000與CPU的連接電路圖

文中設(shè)計(jì)所用的GPRS模塊是中興的ME3000，該模塊要求的電源輸入為直流電壓3.3 V～4.25 V，支持?jǐn)?shù)字、語(yǔ)音、短消息和傳真四種數(shù)據(jù)任務(wù).這是一款低功耗通訊模塊，處于睡眠狀態(tài)下的電流僅為2.5 mA，工作電流損耗為通話模式下240 mA，待機(jī)模式下23 mA.其與CPU的連接電路圖如圖3所示：

圖3 ME3000電路連接圖

GRXD和GTXD分別連接到CPU的串口相應(yīng)的引腳上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信.CCRST為復(fù)位信號(hào)的輸出引腳，它連接在SIM卡的復(fù)位引腳上來(lái)控制SIM卡的復(fù)位.CCIO為是雙向的數(shù)據(jù)傳輸引腳，用于SIM卡的數(shù)據(jù)傳輸.CCCLK是為時(shí)鐘信號(hào)的輸出引腳，給SIM卡提供時(shí)鐘信號(hào).CCVCC可以輸出3 V電源，以提供給SIM卡使用.DVDD為載波信號(hào)檢測(cè)腳，連接在CPU的P0.30引腳上，當(dāng)有載波信號(hào)時(shí)會(huì)使該位發(fā)生相應(yīng)的變化.RESRT為模塊復(fù)位引腳，通過(guò)置其為低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊復(fù)位，但要保持低電平大于20 ms，通過(guò)外加一個(gè)集電極開(kāi)漏的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn).ON/0FF引腳為模塊的啟動(dòng)/關(guān)閉引腳，當(dāng)啟動(dòng)模塊時(shí)要保持大于1500 ms的低電平，當(dāng)關(guān)閉模塊時(shí)要保持大于2 s的低電平.SMSLED為來(lái)電、來(lái)短消息指示燈，其通過(guò)一個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，來(lái)顯示是否有信息或來(lái)電.SIGLED信號(hào)指示燈，也是通過(guò)一個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)找到信號(hào)時(shí)燈就會(huì)有50 ms的間隔亮滅.

2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

實(shí)時(shí)時(shí)鐘在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用的是前后臺(tái)的方式，所以中斷必不可少.中斷的產(chǎn)生是以時(shí)鐘提供正確的時(shí)間中斷為前提的，本設(shè)計(jì)采用的是ISL12022實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，這款芯片的主要特點(diǎn)是帶有內(nèi)部晶振和具有溫度補(bǔ)償控制功能[10].其電路圖如圖4所示：

圖4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

電路采用的供電方式為，當(dāng)電源正常打開(kāi)時(shí)由電源直接給時(shí)鐘芯片提供電壓，但是當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，有電池給芯片供電，電池B200使用的是3.6 V可充電的鋰電池，當(dāng)電池內(nèi)部電壓過(guò)低時(shí)電源會(huì)通過(guò)二極管D202給其充電，但是當(dāng)電源斷電時(shí)，由于二極管的單向?qū)ㄐ?，也不?huì)使電池的電壓形成倒流.電容C212既起到濾波的作用，濾去電源中的毛刺，而且在電源突然斷電時(shí)可以起到使芯片供電電壓曲線平滑的作用.

2.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

電力產(chǎn)品的工作環(huán)境存在各種復(fù)雜的電磁干擾和自然環(huán)境的影響.對(duì)于電力系統(tǒng)，要求電網(wǎng)電能質(zhì)量和各種電力參數(shù)、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確以及通訊可靠穩(wěn)定[11]，因此電磁兼容型設(shè)計(jì)和抗電磁干擾設(shè)計(jì)在電力產(chǎn)品設(shè)計(jì)中成為最不可缺少的部分，關(guān)系到電力產(chǎn)品運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性.

2.3.1 抗雷擊浪涌設(shè)計(jì)

雷擊是指帶電云層間或帶電云層和地之間相互靠近時(shí)產(chǎn)生的一種直接放電現(xiàn)象，這個(gè)放電的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電和巨大的響聲，并產(chǎn)生大量的能量傳遞.此外，在電站或開(kāi)關(guān)站中，大型開(kāi)關(guān)切換瞬間，也會(huì)在供電線路上感應(yīng)出大的浪涌電壓和電流.雷擊浪涌有共模（縱向）浪涌和差模（橫向）浪涌?jī)煞N，因此選擇吸收器件時(shí)要與其對(duì)應(yīng)，所以在設(shè)計(jì)中分別采用瞬變二極管（TV202）和氣體放電管(YS200)來(lái)吸收浪涌.具體如圖5所示：

圖5 浪涌吸收電路

防雷擊浪涌的另外一個(gè)措施就是對(duì)被保護(hù)器件實(shí)現(xiàn)光電隔離，隔離元件的兩邊是不共地的，當(dāng)線路引入雷擊過(guò)電壓時(shí)，這個(gè)瞬間過(guò)電壓施加在隔離元件的兩邊，在設(shè)計(jì)中采用的是光耦隔離，其隔離電壓為4.5 kV.只要過(guò)電壓不超過(guò)這個(gè)電壓值，線路上的雷擊過(guò)壓就不能轉(zhuǎn)化為過(guò)電流進(jìn)入設(shè)備，即起到了保護(hù)作用.如圖6所示：

圖6 光耦隔離原理圖

2.3.2 抗干擾設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中采用了很多方式進(jìn)行防干擾：

（1）在電源和地之間加上濾波電容，如圖7所示；

（2）RS-485供電電路和其他電源要隔離；

圖7 濾波電路

（3）實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片由于上部的部分引腳是沒(méi)有用到的引腳，而且該部位是內(nèi)部晶振的所在地，所以采用該部分引腳單獨(dú)鋪地和單點(diǎn)接地的方式來(lái)減少外部電路對(duì)時(shí)鐘晶振的干擾；

（4）GPRS模塊抗干擾設(shè)計(jì)，在模塊下采用網(wǎng)狀的鋪地，正面除了SIM卡的信號(hào)線不再走線，并且插針處加濾波電容.如圖8所示：

圖8 GPRS模塊PCB

（5）SIM卡信號(hào)是很微弱的，很容易受到干擾，所以在SIM卡的信號(hào)線加了濾波電容，而且為了防止GPRS模塊的強(qiáng)信號(hào)對(duì)其有影響，則把SIM卡和GPRS模塊放在板的不同面；

（6）LPC2132芯片的供電電路和RS-485的供電電路的布線要隔離一定距離，在設(shè)計(jì)中的間隔距離為10 mm.

2.4 功能特點(diǎn)

完全自主設(shè)計(jì)的軟硬件，擁有簡(jiǎn)化為10針的JTAG仿真接口，支持遠(yuǎn)程升級(jí)和本地升級(jí).下行采用RS-485進(jìn)行通訊并留有RS232通訊接口，需要時(shí)可以擴(kuò)展；上行通訊采用GPRS無(wú)線通訊，具有定時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理的功能.對(duì)于異常情況可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生警號(hào)，支持多種通訊協(xié)議和多家的單向智能表.

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中采用的是32位ARM---LPC2132[12]，采用的是C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，因?yàn)镃語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)性很好，易于閱讀，而且程序的移植性也較好.

軟件的整體設(shè)計(jì)是采用前后臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的，按照數(shù)據(jù)處理的流程采用中斷方式來(lái)完成總體功能，圖9為整體流程圖.下面就圖中進(jìn)行幾點(diǎn)說(shuō)明：

總館組織落實(shí)圖書(shū)、期刊等文獻(xiàn)資源以及數(shù)字資源的采購(gòu)、編目和配送。分館在納入上海市圖書(shū)館“一卡通”借閱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所在街鎮(zhèn)常住人口數(shù)量，按需設(shè)崗，明確崗位職責(zé)。定期開(kāi)展業(yè)務(wù)培訓(xùn)，實(shí)施統(tǒng)一的業(yè)務(wù)和人員考核標(biāo)準(zhǔn)，考核結(jié)果視為各街鎮(zhèn)績(jī)效考核的重要依據(jù)。

（1）1秒鐘任務(wù)：進(jìn)行軟件時(shí)間處理，即軟件模擬時(shí)鐘走時(shí)，當(dāng)秒寄存器大于60時(shí)分加1，秒清零.時(shí)、分依次進(jìn)行.

（2）1分鐘任務(wù)：處理子表的自動(dòng)抄表時(shí)間，不同規(guī)格的電表抄表所用時(shí)間不同，所以要判斷處理.當(dāng)抄表完成后使相應(yīng)的標(biāo)志置位.

（3）半分鐘任務(wù)：控制運(yùn)行燈的閃爍.

軟件設(shè)計(jì)中包含以下內(nèi)容：實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、GPRS模塊、GPRS模塊撥號(hào)流程和下行通訊協(xié)議等.以下就下行通訊協(xié)議中的RS485在電表通訊中出現(xiàn)問(wèn)題及解決方案加以說(shuō)明.

1）收發(fā)時(shí)序不匹配

圖9 程序整體流程圖

現(xiàn)象1：485通訊不成功，用邏輯分析儀查看，發(fā)送的碼字正確，電能表返回碼字也符合規(guī)約.再細(xì)看，主站發(fā)送的碼字的最后一位同電能表應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀的第一位之間幾乎沒(méi)有停頓.

現(xiàn)象2：當(dāng)主站對(duì)某塊表連續(xù)抄幾幀數(shù)據(jù)時(shí)，第一幀通訊成功，第二幀開(kāi)始電表不回應(yīng)答幀.

2）判斷幀起始符出錯(cuò)

電能表485總線是一種數(shù)字異步通信方式，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的同步信號(hào)進(jìn)行同步，接收方無(wú)法準(zhǔn)確判知哪一個(gè)字節(jié)是一幀數(shù)據(jù)通信的開(kāi)始.因此系統(tǒng)中規(guī)定68H作為幀起始符（幀同步碼），代表一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始.如果軟件編程時(shí)以接收到的第一個(gè)字符作為幀起始標(biāo)志，則接收到的數(shù)據(jù)將可能會(huì)出現(xiàn)同步錯(cuò)誤.另外，如總線上平時(shí)有干擾信號(hào)存在，將導(dǎo)致485芯片不停地收到雜亂數(shù)據(jù).當(dāng)總線上有正常信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，由于干擾信號(hào)比較小的原因，其對(duì)通信并無(wú)太大的影響，但對(duì)接收方來(lái)講，其接收正確數(shù)據(jù)幀前會(huì)混有若干個(gè)字節(jié)的雜亂數(shù)據(jù)，由于同步處理不當(dāng)，通訊也會(huì)失敗.因此，通常的做法是每接收一個(gè)字節(jié)都要判是否是68H，若不是則丟掉該字節(jié)，然后繼續(xù)往下判，直到收到68H才啟動(dòng)一幀數(shù)據(jù)的接收.

4 性能調(diào)試

產(chǎn)品性能的調(diào)試是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一步，產(chǎn)品調(diào)試主要有以下幾方面：

（1）存儲(chǔ)單元的調(diào)試.存儲(chǔ)單元包括EEPROM和FLASH兩者采取的數(shù)據(jù)傳數(shù)方式不同，EEPROM采用的是I2C傳輸方式，F(xiàn)LASH采用的是SPI傳輸方式，但是兩者的調(diào)試方法是一樣的，首先，通過(guò)函數(shù)向存儲(chǔ)設(shè)備里寫(xiě)數(shù)據(jù)，然后，在通過(guò)函數(shù)讀出，當(dāng)讀出來(lái)的數(shù)據(jù)和寫(xiě)進(jìn)去的一樣時(shí)，則說(shuō)明存儲(chǔ)設(shè)備能正常使用.

（2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘的調(diào)試.實(shí)時(shí)時(shí)鐘的調(diào)試主要包括能否設(shè)置時(shí)間，能否正確讀取時(shí)間，和在一段時(shí)間走時(shí)后能否正常走時(shí).

（3）GPRS模塊調(diào)試.GPRS模塊的調(diào)試主要是通過(guò)函數(shù)模擬發(fā)送AT指令，看其是否能有正確的返回值，如能否上網(wǎng)，能否發(fā)信息等.

（4）RS-485調(diào)試.RS485的調(diào)試是通過(guò)串口調(diào)試軟件，用USB轉(zhuǎn)485的轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)調(diào)試軟件向本設(shè)備發(fā)送據(jù)然后利用程序進(jìn)行回發(fā)，如果能實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程則說(shuō)明該通訊方式正常.

（5）遙信、遙控的調(diào)試.遙信的調(diào)試通過(guò)分別短接遙信的兩端引腳，然后在相應(yīng)的引腳上會(huì)發(fā)生電平的變化，通過(guò)判斷遙信引腳的變化使能遙控的繼電器的吸合，這樣做可以在測(cè)試遙信時(shí)，同時(shí)測(cè)量遙控.

通過(guò)以上五個(gè)方面的性能調(diào)試，根據(jù)各功能模塊的特點(diǎn)，編寫(xiě)相應(yīng)的程序代碼對(duì)各模塊進(jìn)行性能的測(cè)試，以確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品在投入使用前各模塊都能正常使用，調(diào)試的結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠.

5 結(jié)論

文中構(gòu)建了底層通信基于RS-485總線傳輸，上層通信基于GPRS相結(jié)合的遠(yuǎn)程復(fù)合式自動(dòng)抄表系統(tǒng).由于GPRS是支持TCP/IP協(xié)議的，組網(wǎng)方面可以采用通過(guò)GPRS接入Internet的方式，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括微控制器與GPRS模塊的外圍和接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì).微控制器選用ARM7LPC213X系列芯片LPC2132，GPRS模塊采用中興的ME3000.實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用具有內(nèi)部晶振和溫補(bǔ)的時(shí)鐘芯片ISL12022.存儲(chǔ)單元分別采用AT24C08和AT45DB041D，從而在整體上完成對(duì)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的構(gòu)建.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，運(yùn)行功耗低，穩(wěn)定可靠.

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Design of a GPRS-based power meter reading system

A kind of economical and practical electricity automatic meter reading system is designed.on the advantages of GPRS.Bottom communication of the system is based on RS-485 bus transfer,and upper layer communication is based on GPRS by using ZET ME3000 Module.The hardware of system is compact,including peripheral circuits and interface circuits between microcontroller and GPRS Module,real-time clock and memory cell.C language program,which is used to design the software,benefits the modularization of software and is easy to maintain and transplant After adjustment,the system is stable,and power dissipation is low.

electric power communication system；GPRS；automatic reading meter；RS-485

TM764.1；TP274

A

2012-03-15

教育部高校物理教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)研究項(xiàng)目（WJZW-2010-34-hd）

羅飛（1980-），男，講師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，E-mail：gzluofei@126.com.

2095-3046（2012）03-0071-05