基于GPRS的遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2014-07-24 18:07:31麻志濱劉芳劉震

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年14期

關(guān)鍵詞：無線通信

麻志濱+劉芳+劉震

摘要：針對能源計(jì)量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)能源自動(dòng)化管理，提出了一種基于GPRS通信技術(shù)的能源計(jì)量遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。采用三層框架，以熱量表作為計(jì)量儀表，采集器通過RS 485總線接口獲取單元計(jì)量表數(shù)據(jù)，采集器與集中器通過無線傳輸模塊連接，集中器通過GPRS DTU模塊的GPRS功能連接Internet，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。主要研究了系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，采集器和集中器的軟硬件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)表明，采用三層框架結(jié)構(gòu)的能源計(jì)量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： GPRS；無線通信；遠(yuǎn)程測量；能源計(jì)量

中圖分類號： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0060?04

Design of remote energy management system based on GPR

MA Zhi?bin， LIU Fang， LIU Zhen

（Harbin Institute of Technology， Weihai 264209， China）

Abstract： A remote energy metrology management system based on GPRS communication technology is presented to enable the energy management system to achieve accurate automated energy management. Taking the heat meter as a measurement instrument， a three?layer framework is adopted to get the data from unit metrology meter through RS?485 bus interface by collector. The collector is connected with the concentrator through wireless transmission module. The concentrator is connected with Internet by means of the GPRS function of the GPRS DTU module to upload the data to its server. The the hardware and software design of collector and the concentrator， key parts of the system， are studied in this paper. The experimental results show that the three?layer framework structure of energy metrology management system has the advantages of strong real?time performance and high accuracy， and is easy to extend.

Keywords： GPRS； wireless communication； remote measurement； energy metrology

0 引言

當(dāng)今世界，能源危機(jī)越來越突出，全球范圍內(nèi)也越來越重視這個(gè)問題。同時(shí)，國內(nèi)的企業(yè)面對日益激烈的市場競爭，能源作為生產(chǎn)成本的重要組成部分，其計(jì)量工作也越來越受到關(guān)注。如何節(jié)能降耗，提高能源計(jì)量管理技術(shù)，對企業(yè)具有重要的意義。對于采用按面積收費(fèi)的供熱企業(yè)，改變收費(fèi)模式，提高能源計(jì)量管理技術(shù)水平，一直是急需解決的問題[1]。

針對這個(gè)問題，本文提出了一種嵌入式GPRS通信技術(shù)與測量技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程能源計(jì)量管理系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)通信方式比較分析

我國目前多種遠(yuǎn)程能源計(jì)量系統(tǒng)并存，而各種遠(yuǎn)程能源計(jì)量系統(tǒng)不同方式在于通信方式。通信方式可以劃分為有線通信和無線通信兩種方式[2]。

1.1 有線通信方式

（1）電話線通信。電話線通信是覆蓋率很高的通信網(wǎng)絡(luò)。且只要安裝調(diào)制解調(diào)器并入網(wǎng)就可以進(jìn)行通信。但是電話線通信的響應(yīng)速度慢，往往需要數(shù)秒的時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性較差。同時(shí)期通信速率慢，當(dāng)需要大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，電話線通信方式不能夠勝任。

（2）電力線載波通信。電力載波通信分高壓電力載波通信和低壓電力載波通信。電力線載波可以將需要傳輸?shù)男盘柵c電力波疊加，隨電力線一起傳播，在已有的電力線網(wǎng)絡(luò)中任一點(diǎn)接上發(fā)送和接收信號裝置即可實(shí)現(xiàn)通信。電力線網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋所有居民區(qū)，因此不需要另外鋪設(shè)通信線路，使得此種通信方式成本很低。但是較弱信號容易受強(qiáng)電網(wǎng)干擾，而且此種通信不能穿越變壓器，因此電力載波通信在集中抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。

（3）光纖通信。光纖通信自動(dòng)抄表系統(tǒng)以光纖為信號傳輸媒介。近幾年光纖通信技術(shù)越來越成熟，其傳輸容量較其他通信技術(shù)大很多、而且極高的傳輸速率，較長的中繼距離，極強(qiáng)的抗干擾能力使其成為通信的熱點(diǎn)技術(shù)。但是較高的成本，復(fù)雜的技術(shù)使其在集中抄表系統(tǒng)中運(yùn)用的性價(jià)比很低。

1.2 無線通信方式

1.2.1 無線數(shù)傳電臺

無線數(shù)傳電臺設(shè)備維護(hù)簡單，建成后運(yùn)行轉(zhuǎn)費(fèi)用很低，因此通過無線數(shù)傳電臺進(jìn)行通信對具有較大用戶量的通信系統(tǒng)來說性價(jià)比較高。但無線數(shù)傳電臺的造價(jià)很高，信號傳輸容易受外界信號的干擾，傳輸距離有限，而且大范圍的能源管理系統(tǒng)需要通信穩(wěn)定，通信距離遠(yuǎn)，因此這種方式在集中抄表系統(tǒng)中應(yīng)用受到限制。

1.2.2 GPRS通信

近年來，GPRS技術(shù)發(fā)展迅速，它為人們提供一種點(diǎn)到點(diǎn)的無線廣域網(wǎng)IP通信連接，這種基于GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分布式無線交換技術(shù)，被應(yīng)用到更多的小型通信設(shè)備中。GPRS通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商服務(wù)器網(wǎng)關(guān)GGSN，以分組式交換作為數(shù)據(jù)收發(fā)的基本模式，利用現(xiàn)有的中國移動(dòng)運(yùn)行商通信網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與抄表，該技術(shù)目前以區(qū)域成熟，且運(yùn)行可靠。但其應(yīng)用中的運(yùn)行費(fèi)用高以及網(wǎng)絡(luò)前端通信模塊也成為了推廣的一個(gè)問題，但隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的普及，運(yùn)營商的資費(fèi)也不斷下調(diào)，這使得GPRS通信技術(shù)作為一種低成本、高效的無線數(shù)據(jù)傳輸方式成為可能[3?6]。

GPRS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：接入范圍為運(yùn)營商的服務(wù)范圍，目前中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國絕大部分地區(qū)，因此其應(yīng)用不受限于位置和地域。另外GPRS網(wǎng)絡(luò)通信還支持不同速率設(shè)備接入，傳輸速率范圍大，可滿足各種遠(yuǎn)程抄表的設(shè)備需求。由于運(yùn)行商網(wǎng)絡(luò)可不間斷的提供實(shí)時(shí)服務(wù)，因此GPRS終端設(shè)備可同樣提供不間斷的實(shí)時(shí)連接，保證其通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。目前各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商在GPRS的費(fèi)用上均采用按流量計(jì)費(fèi)，從而使得遠(yuǎn)程抄表這種少量（偶爾大量）、間斷、頻繁的數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用成本大大降低；最新的GPRS技術(shù)同時(shí)還支持標(biāo)準(zhǔn)的X.25和TCP/IP協(xié)議，這便可以與Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)通，突破了使用GSM通信數(shù)據(jù)流量的上限[7?10]。

根據(jù)上述對供熱企業(yè)遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)可選用的通信方式的分析比較可以看出，基于GPRS的遠(yuǎn)程能源計(jì)量管理系統(tǒng)具有性價(jià)比高、安全、通信簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足供熱企業(yè)的計(jì)量需求。

2 基于GPRS的遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)的組成和

硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

能源管理計(jì)量系統(tǒng)是按目前抄表行業(yè)的實(shí)際情況而開發(fā)的，它以采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)為核心，系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)都要求保證數(shù)據(jù)的可靠性。現(xiàn)階段我國計(jì)量表（包括水、電、氣、熱四種表）安裝的方式主要是一戶一表，總體表現(xiàn)為一個(gè)單元內(nèi)按戶上表，各單元之間計(jì)量表以同樣的形式安裝，形式上看為典型的對等模式。這對抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了極大的便利。

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS的能源管理系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)采集器，集中器，監(jiān)控中心組成。采集器把掛載在RS 485總線或者M(jìn)?BUS總線上的儀表數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示，并通過頻率為470 MHz無線傳輸模塊傳把數(shù)據(jù)送到集中器。集中器把附近采集器發(fā)送上來的數(shù)據(jù)打包通過GPRS DTU模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

在圖1設(shè)計(jì)思路中，每一戶居民都將安裝一塊相關(guān)計(jì)量儀表，是抄表數(shù)據(jù)的來源，系統(tǒng)將在這里將每戶居民實(shí)際能源使用情況進(jìn)行匯總。通過采集器和集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)將保存在數(shù)據(jù)庫中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)用戶能夠通過互聯(lián)網(wǎng)獲取自己的使用情況。

圖1 GPRS的三級能源計(jì)量管理系統(tǒng)組成圖

2.2 采集器硬件設(shè)計(jì)

目前儀器設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢是低功耗、高度集成化和小型化，采集器采用了以低功耗著稱的MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)作為控制器的核心器件。

MSP430F149單片機(jī)是一種16位超低功耗的處理器，采用流行的RISC結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的處理能力；尋址范圍可達(dá)64 Kb，還可以外擴(kuò)存儲器，其中外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址；統(tǒng)一的中斷管理器，豐富的片上資源；片內(nèi)有精密硬件乘法器、1個(gè)14路1位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16位定時(shí)器、2路USART通信端口、1個(gè)比較器、1個(gè)看門狗、6路P口、1個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8 MHz的時(shí)鐘。該系列單片機(jī)主要有以下特點(diǎn)：超低功耗；強(qiáng)大的處理能力；高性能的模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊；系統(tǒng)穩(wěn)定工作；方便高效的開發(fā)環(huán)境。

采集器主要由電源，主控芯片，無線模塊，數(shù)據(jù)存儲器，電池電壓檢測電路，相應(yīng)的通信接口和顯示模塊組成。采集器通過RS 485或者M(jìn)?Bus接口采集熱量表數(shù)據(jù)，經(jīng)過主處理器MSP430F149的分析、處理后保存在FLASH存儲器中，并且通過470 MHz的無線模塊上傳給集中器。終端維護(hù)可以通過終端本地輸入模塊操作，同時(shí)也能給從站（計(jì)量儀表）進(jìn)行供電。維護(hù)界面友好，操作方式簡單方便。

采集器的電路模塊框圖如圖2所示。

圖2 采集器模塊框圖

2.3 集中器硬件設(shè)計(jì)

集中器的功能是發(fā)起采集命令給采集器，將各個(gè)釆集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，最后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。集中器與采集器之間數(shù)據(jù)連接方式采用無線傳輸模塊。集中器電路模塊框圖如圖3所示。

集中器主控芯片選擇STC公司的STC12C5A60S2芯片。STC12C5A60S2單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘單片機(jī)，具有低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾性、指令集完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)、ISP下載的特點(diǎn)，而且內(nèi)部集成了雙串口功能用復(fù)位，符合采集器設(shè)計(jì)要求。

圖3 集中器模塊框圖

3 基于GPRS遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用IAR Embedded Workbench IDE 集成開發(fā)環(huán)境。

由于數(shù)據(jù)采集器主要完成接受命令與讀取數(shù)據(jù)，所以要有較快的接受能力和處理速度，防止接錯(cuò)或漏接數(shù)據(jù)。這就要求數(shù)據(jù)采集器要隨時(shí)處于接收狀態(tài)，為了能達(dá)到以上要求，可以使用單片機(jī)高效的中斷處理功能。然而過多的處于中斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致其他中斷不能及時(shí)響應(yīng)，所以要求中斷處理要快或處理較少的程序。

由以上所述確定程序設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為中斷響應(yīng)軟件查詢。中斷響應(yīng)是及時(shí)響應(yīng)外來信息，并作相應(yīng)的標(biāo)記，關(guān)中斷，啟動(dòng)軟件查詢，達(dá)到快速響應(yīng)中斷的目的；而軟件查詢主要在主程序中進(jìn)行，通過查詢各個(gè)標(biāo)志位，就可知道那個(gè)中斷發(fā)生相應(yīng)，并執(zhí)行相應(yīng)中斷函數(shù)。

MSP430F149具有豐富的中斷設(shè)置，可方便滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)主要用到的中斷主要有以下幾方面：

（1） UARTA接收中斷。接收熱量表數(shù)據(jù)。

（2） UARTB接收中斷。接收來自集中器的命令數(shù)據(jù)。

（3） TIMERA0中斷。用于按照傳輸響應(yīng)定時(shí)接收數(shù)據(jù)幀。

（4） TIMERA1中斷。用于定時(shí)間隔發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

（5） P1INPUT中斷。外部中斷、按鍵查詢、掉電查詢以及外接電源。

（6） ADC12中斷。鋰電池電壓A/D轉(zhuǎn)換完成。

采集器主程序流程如圖4所示，首先進(jìn)行各個(gè)驅(qū)動(dòng)功能初始化（時(shí)鐘初始化、LCD初始化、串口初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、I/O初始化、中斷初始化），然后進(jìn)行電池電壓檢測判斷鋰電池電量判斷，首頁顯示，按鍵判斷，讀表判斷，上傳數(shù)據(jù)到集中器判斷，進(jìn)入低功耗等待中斷喚醒。

3.2 采集器軟件設(shè)計(jì)

集中器主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和傳輸作用，程序主要采用中斷響應(yīng)和程序查詢的方式。部分程序設(shè)計(jì)思想與采集器相似，本節(jié)主要對串口中斷數(shù)據(jù)接受發(fā)送程序和GPRS程序做介紹。

3.2.1 收發(fā)程序設(shè)計(jì)

集中器串口中斷流程圖如圖5所示，接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)收到前導(dǎo)字符0xFE或者起始符時(shí)開始接收，接收到0x68時(shí)數(shù)據(jù)開始移入到緩沖中，接收完成的判斷根據(jù)數(shù)據(jù)長度進(jìn)行判斷。接收完成以后進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，檢測到校驗(yàn)和、偶校驗(yàn)或格式出錯(cuò)，均應(yīng)該放棄該信息幀，校驗(yàn)完成以后數(shù)據(jù)移入保存。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)請求時(shí)，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。由于STC12C5A60S2不支持硬件上偶校驗(yàn)發(fā)送，故先把數(shù)據(jù)送到累加器中，獲得數(shù)據(jù)奇偶標(biāo)準(zhǔn)位P，如果是偶校驗(yàn)P移入串口發(fā)送第9位，奇校驗(yàn)則取反移入，并把累加器中數(shù)移入到串口發(fā)送緩沖器中。

圖4 采集器主程序流程圖

3.2.2 GPRS程序?qū)崿F(xiàn)

本次數(shù)據(jù)傳輸使用的透明傳輸協(xié)議的GPRS DUT模塊，無線DTU（Data Terminal Unit）能夠穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而且此DTU具有自身檢測功能，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?。只需進(jìn)行相應(yīng)配置，即可選擇需要的工作模式。DTU支持通過串口、短信、數(shù)據(jù)中心進(jìn)行協(xié)議配置。通過串口使用AT指令，可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的機(jī)器配置。命令格式如表1所示。

表1 DTU的命令格式

通過配置串口發(fā)送+++，DTU則會回答in set mode

并進(jìn)入?yún)f(xié)議配置狀態(tài)。用戶設(shè)備可以通過給配置串口發(fā)送AT命令進(jìn)行查詢、配置、重啟動(dòng)或退出該配置狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)主要的讀取、修改參數(shù)包括：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、連接管理、短信通道、系統(tǒng)參數(shù)。

數(shù)據(jù)通過GPRS通道傳輸都遵循這一原則：對數(shù)據(jù)進(jìn)行AT Command相關(guān)包裝、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收后進(jìn)行AT Command解析、數(shù)據(jù)傳到上層、解析數(shù)據(jù)。集中器數(shù)據(jù)接收和發(fā)送通過串口進(jìn)行。以接收數(shù)據(jù)為例。GPRS數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。

圖5 串口中斷流程圖

圖6 GPRS數(shù)據(jù)接收流程圖

4 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、數(shù)據(jù)傳輸可靠的能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用典型的三層結(jié)構(gòu)，即：

（上接第63頁）

數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、管理層，分別用采集器、集中器和上位機(jī)管理軟件來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是集中器和采集器之間通過無線通信模塊相連，而且采集器硬件設(shè)計(jì)上采用了低功耗的設(shè)計(jì)思想，能夠很好的保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定工作。采集器既起到單元內(nèi)數(shù)據(jù)采集功能，又具有中繼功能，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)測試，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，是一種較為理想的能源管理系統(tǒng)解決方案。

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