應用GPRS通信方式的用電信息采集現場手持設備設計研究

王險峰 曲直 李蒙 韓冬

【摘要】 為了簡化現場工作流程，提高工作效率，根據多年現場調試經驗，設計出了一款具備GPRS通信能力的、采用分體式設計的“用電信息采集現場手持設備”，用于智能電網用電信息采集系統(tǒng)相關產品的現場管理、遠程調試、故障診斷。

【關鍵詞】 GPRS 376.1通信規(guī)約 手持設備 嵌入式系統(tǒng)

Research on the design of the handheld device for electricityinformation collection that uses the application of GPRS communication Abstract：In order to simplify fieldwork process and improve work efficiency， based on years of field debugging experience， we developa "handheld device forelectricityinformation collection" thathas the GPRS communication ability and uses the split design method. It is designedfor the field management，remote debugging and fault diagnosis for the related products of electricityinformation collectionsystem for Smart Grid.

Key words： GPRS； 376.1 communication protocol； handheld device； embedded system

近年來符合國網新標準的智能電表和采集終端已大量安裝使用，而且已基本實現自動抄表。但在實際應用中，每個臺區(qū)總會有少量電表不能自動采集數據，這就需要工程人員現場進行故障排查。

作為必不可少的系統(tǒng)調試維護設備之一，傳統(tǒng)的采用手持機+連接線+抄控盒的方式，不便于現場實際應用和攜帶，且此套設備只能解決小部分問題，更多問題需要借助電腦以及專業(yè)軟件進行分析解決。

此外，根據現場操作人員的需求調研：

（1）北方地區(qū)冬天操作要戴手套，用按鍵操作較方便，同時要能單手操作；

（2）屏幕不宜過大。因為該設備往往與螺絲刀等電工用品放在一起，容易被尖銳物品損壞；

（3）抄表員年齡偏大，系統(tǒng)操作要求簡單容易理解；

（4）電池待機時間要長，同時電池要為可拆卸模式；

（5）掌機要能兼容其他載波廠家抄控器。

可見，實際操作中，對于便攜、簡單及續(xù)航要求較高，而界面的華麗、外觀的精巧反而要求不高。

針對以上需求，本文開發(fā)設計了一款具備GPRS通信能力的、采用分體式設計的用電信息采集設備。該設備能夠充分利用移動GPRS網絡，把辦公地點延伸到工作現場，使得現場人員能夠隨時隨地的調取服務器、現場終端和電表數據，為現場調試和維護提供現代化的手段。同時，該設備能夠用于實現現場故障表計排查、臺區(qū)故障定位、主站失敗表計統(tǒng)計、表桿GPS定位等功能。

一、 GPRS通信方式及其優(yōu)勢

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務的簡稱[1]，是在現有的全球移動通信系統(tǒng)GSM（Global system for Mobile communication）基礎上引入新的部件而構成的無線數據傳輸系統(tǒng)[2]。

GPRS是在現有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、頻帶、突發(fā)結構、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結構，這種新的分組數據信道與當前的電路交換話音業(yè)務信道極其相似[3]。因此，現有的基站子系統(tǒng)（BBS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業(yè)務。GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。

GPRS是一種新的移動數據通信業(yè)務，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP，可以用于Internet連接、數據傳輸等應用。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多用戶共享，資源被有效的利用。使用GPRS技術實現數據分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線并且數據按流量計費，迅速降低了服務成本[4]。

GPRS 用于電力系統(tǒng)遠程抄表具有多方面的優(yōu)勢[5]：

（1）覆蓋范圍廣

GPRS在現有的GSM基礎上進行升級，可充分利用全國范圍的電信網絡，可以使用戶數據終端方便、快速、低成本的遠程接入網絡；

（2）永久在線

提供實時在線功能?！皩崟r在線”或“永久在線”即用戶隨時與網絡保持聯(lián)系，即使沒有數據傳送，終端還一直與網絡保持聯(lián)系，這將使訪問服務變得非常簡單、快速；

（3）快捷登陸

接入時間短，GPRS接入等待時間短、可快速建立連接、一般耗時為1到3秒；

（4）高速傳輸

同時使用8個時隙，數據傳輸速度最高理論值可達171.2kbps，是GSM網絡中電路數據交換業(yè)務速度的十幾倍，下一代GPRS業(yè)務的速度甚至可以達到384kbps，完全可以滿足應用需求；

（5）按流量計費

用戶只有在發(fā)送或接收數據期間才占用無線資源，計費方式是按照用戶接收和發(fā)送數據包的數量，沒有數據流量傳遞時，用戶即使在線，也不收費；

（6）投入低廉

隨著移動通信的快速發(fā)展，GPRS終端的價格在很短的時間內已經降到了可以接受的水平，相對于鋪設有線監(jiān)控網絡，成本不高。

通過GPRS通信方式，手持設備可以方便的連接主站采集系統(tǒng)，實時的與主站交互數據。利用手持設備的GPRS模塊，現場人員能夠隨時隨地的調取采集主站、現場終端、以及電表的數據，進行遠程操控，打破工作地點固定的局限性，為現場的調試和維護提供了更加靈活便捷的方式。

二、 手持設備功能的實現

為了實現手持設備的各項功能，對現有主流嵌入式開發(fā)平臺做了比較分析，最終選定利用高速ARM11做為主CPU，該芯片具有接口豐富，內存大，運行穩(wěn)定，開發(fā)簡單等特點，通過外圍電路的配合可達到預訂目標。嵌入式操作系統(tǒng)選用工業(yè)上應用較廣泛的Windows CE，應用層采用嵌入式C#開發(fā)語言。

2.1 硬件部分

選用三星S3C6410處理器，基于ARM11架構，該芯片大小為13x13mm，424管腳。

S3C6410是一個16/32位RISC微處理器，旨在提供一個具有成本效益、功耗低、性能高的應用處理器解決方案。S3C6410采用了64/32位內部總線架構，該64/32位內部總線結構由AXI、AHB和APB總線組成。它還包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理、音頻處理、二維圖形、顯示操作和縮放。

S3C6410有一個優(yōu)化的接口連線到外部存儲器。存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口、 DRAM和FLASH /ROM/ DRAM端口。 DRAM的端口可以配置為支持移動DDR、DDR、移動SDRAM和SDRAM。FLASH/ROM/DRAM端口支持NOR-FLASH、NAND-FLASH、ONENAND、CF、ROM類型外部存儲器和移動DDR、DDR、移動SDRAM和SDRAM。

為減少系統(tǒng)總成本和提高整體功能，S3C6410包括許多硬件外設，如一個相機接口，TFT 24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器（電源管理等），4通道UART，32通道DMA，4通道定時器，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設備，在高速（480 MB/S）時USB OTG操作，SD主設備和高速多媒體卡接口、用于產生時鐘的PLL。

2.2 軟件部分

Windows CE是微軟公司推出的一個為多種嵌入式系統(tǒng)和產品而設計的緊湊、高效、可升級的嵌入式操縱系統(tǒng)。具有搶先式多任務功能、良好的實時性能、強大的通信能力、出色的圖形用戶界面。它還有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（Heap）等。其模塊化和可伸縮性設計使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者和應用程序開發(fā)者能夠根據多種不同產品進行定制。例如，用戶電子設備、專用工業(yè)控制器以及嵌入式通信設備等。Windows CE已支持廣泛的微處理器體系結構，包括ARM、MIPS、SHx和x86四大系列CPU架構及超過200種品牌的CPU。

C#是一種面向對象的編程語言，主要用于開發(fā)可以在.NET平臺上運行的應用程序，C#是從C和C++派生出來的一種簡單、現代、面向對象和類型安全的編程語言，其語言體系都構建在.NET框架上，并且能夠和.NET框架完美結合。C#具有以下突出的優(yōu)點：

（1）語法簡單：不允許直接操作內存，去掉了指針操作；

（2）徹底的面向對象設計：C#具有面向對象語言所應有的一切特征，即：封裝、繼承和多態(tài)；

（3）強大的安全機制：可以消除軟件開發(fā)中的常見錯誤（如語法錯誤），提供的垃圾回收器能夠幫助開發(fā)者有效的管理內存資源；

（4）完善的錯誤、異常處理機制：C#提供了完善的錯誤和異常處理機制，使程序在應用交互時能夠更加強壯。

因此，本文手持設備嵌入式操作系統(tǒng)選用工業(yè)上應用較廣泛的Windows CE，應用層采用嵌入式C#開發(fā)語言。

3 手持設備功能及技術特點

針對現場的功能需求，設計的手持設備具有如下功能：

（1）分離式設計：抄控器板與主板分離，便于能夠兼容其他載波廠家方案；

（2）抄控器模塊：用于低壓電力線載波抄表；

（3）GPRS模塊：用于進行數據上報、網絡連接；

（4）GPS模塊：用于進行表桿、表計位置定位；

（5）藍牙模塊：用于無線連接終端調試；

RS232模塊：用于與集中器串口通信；

（6）USB模塊：用于可插拔優(yōu)盤；

（7）紅外模塊：用于紅外通信；

（8）Micro-SD卡：用于數據存儲；

（9）電源模塊：用于整個終端設備供電。

手持設備整個系統(tǒng)架構的原理框圖如下：

手持設備的技術特點如下：

（1）電能表故障診斷，可現場通過紅外、RS485、載波等方式和電能表進行通信，快速診斷電能表故障。

（2）GPRS通信故障診斷，可通過本機診斷GPRS通信模塊的常見故障。

（3）數據交互功能，本機可通過Web Service接口或中間數據庫和主站系統(tǒng)進行數據交換。

（4）多載波一體化，各種載波方案抄控器模塊可直接插入本機，實現一機多用，載波接口為標準的單相智能電表載波模塊接口。

（5）掃描功能，可選配Symbol激光掃描模塊，實現一維碼掃描。

（6）定制功能，本機是一個開放Windows CE平臺，具備常見的各種通信接口，以及豐富的內存（128MBytes）、FLASH空間（256Mbytes NandFlash，2-32G SD卡）。

四、總結

隨著國網公司對采集質量的不斷提高，各局對后期維護的需求急劇增加，局里采集人員對應用簡單、界面友好的手持設備用以解決現場問題有著極大的需求。在此背景下，開發(fā)設計了一款應用GPRS通信方式的、采用分體式設計的用電信息采集現場手持設備。該設備能夠充分利用移動的GPRS數據網絡，把工作地點延伸到現場，使得現場維護人員能夠方便的獲取主站采集系統(tǒng)、現場終端、以及電表的數據，極大地簡化了后期維護的工作流程，提高了工作效率。并且該手持設備還能夠用于實現現場故障表計排查、臺區(qū)故障定位、主站失敗表計統(tǒng)計、表桿GPS定位等功能設計需求。

參 考 文 獻

[1]R. J. BudBates.通用分組無線業(yè)務（GPRS）技術與應用.朱洪波等譯.北京：人民郵電出版社，2004： 105-130

[2] 李惠宇，羅小莉，于盛林. 一種基于GPRS的配電自動化系統(tǒng)方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2003， 27（24）： 63 - 66.

[3] Cai J. General Packet Service in GSM[J]. IEEE Communication，1997，122-131

[4] 文志成. 通用分組無線業(yè)務-----GPRS. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 包東智，趙勁松，夏軍.GPRS技術概述.電信網技術[J].2001（6）：4-6