基于GPRS無線模塊的數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

黃海燕

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

基于GPRS無線模塊的數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

黃海燕

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

隨著3G/4G網(wǎng)絡(luò)的大面積覆蓋和無線技術(shù)的日益成熟，國家對(duì)智能電網(wǎng)的大力推進(jìn)可以利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線抄表方式已逐步成為智能電網(wǎng)中對(duì)電表數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)闹饕l(fā)展趨勢(shì)?；趯?duì)智能電表的無線傳輸和自動(dòng)抄表技術(shù)的研究，簡單介紹GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，闡述集中器的電路模塊設(shè)計(jì)，簡單介紹集中器所采用的通信模塊和GPRS通信芯片的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹GPRS通信流程以及整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的物理層結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，基于GPRS無線模塊的數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)是可行的，它具有一站到基站，通信鏈路單一，無需重新組建網(wǎng)絡(luò)，通訊速度較快，且免于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

GPRS無線模塊；集中器；無線抄表

0 引言

集中器的主要作用是連接下行電表終端或采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給主站，或?qū)⒅髡鞠掳l(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給下行電表。集中器的GPRS模塊經(jīng)過與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行握手、認(rèn)證、協(xié)商后，得到一個(gè)IP地址，集中器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理后，封裝到UDP或TCP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)域中，然后將UDP或TCP數(shù)據(jù)包嵌入到PPP中，最終在PPP鏈路上進(jìn)行儀表數(shù)據(jù)傳輸。隨著3G/4G技術(shù)的日漸成熟和5G技術(shù)的到來，GPRS網(wǎng)絡(luò)幾乎已經(jīng)覆蓋到全國各地，智能電網(wǎng)上無線抄表技術(shù)可直接使用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約了大量搭建網(wǎng)絡(luò)所需的人力物力。因此，本項(xiàng)目在我司現(xiàn)有智能電表的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種GPRS通信模塊，不僅可依托現(xiàn)成的GPRS網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，無需因地域的不同而進(jìn)行改造，使得安裝施工比較簡易。且具備高效的傳輸速率，經(jīng)多次試驗(yàn)，可提供高達(dá)200kBit的抄表傳輸速率。該產(chǎn)品的GPRS通信模塊遵守國網(wǎng)要求的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》中的第三部分--Q/GDW 376.3—2013《采集終端遠(yuǎn)程通信模塊接口協(xié)議》，該協(xié)議規(guī)定了電力用戶用電信息采集終端遠(yuǎn)程通信模塊的接口、功能要求，以及AT命令集。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于GPRS無線通信技術(shù)，主控芯片選型性能穩(wěn)定可靠的STM32芯片,滿足對(duì)復(fù)雜環(huán)境下傳輸速率的要求。主要電路包括MCU控制電路、485通信電路、USB電路，紅外通信電路，計(jì)量電路，存儲(chǔ)電路，液晶顯示電路，電源電路和GPRS通信電路。通過485通信電路將下行電表或采集器的數(shù)據(jù)抄讀回來，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包通過GPRS模塊電路將數(shù)據(jù)發(fā)送給綁定有固定IP地址和端口的主站。

2 GPRS電路工作原理及數(shù)據(jù)傳輸流程

2.1 芯片結(jié)構(gòu)

GPRS模塊上的主芯片采用DP83848K，該芯片性能穩(wěn)定，體積小，可嵌入到對(duì)體積要求較高的電路板上，它的寬溫度工作范圍也使該芯片在惡劣環(huán)境下也能正常工作，適合工業(yè)應(yīng)用。具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2.2 GGPPRRSS通信原理

電表使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)與配電中心相連。集中器首先要與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行握手通信，ol雙方先要進(jìn)行LCP配置協(xié)商，協(xié)商成功后進(jìn)行PAP/CHAP認(rèn)證，認(rèn)證通過后最后進(jìn)行IPCP配置選項(xiàng)協(xié)商，協(xié)商通過后最終連接成功，GPRS終端獲得一個(gè)IP地址，GPRS終端使用該IP地址將數(shù)據(jù)包封裝好后通過PPP鏈路與主站進(jìn)行通信。由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，因此監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)需要一個(gè)固定的IP地址或固定的域名，GPRS網(wǎng)絡(luò)鎖定主站的IP地址有兩種方式：1.通過動(dòng)態(tài)域名，即時(shí)刷新檢測(cè)主機(jī)的動(dòng)態(tài)IP得到當(dāng)前時(shí)刻主機(jī)的IP地址，從而通過PPP鏈路進(jìn)行通信；2.端口映射，通過查找主站系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)連接外界ISP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器IP地址，和主站系統(tǒng)所在電腦在內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)的端口號(hào)來鎖定主站系統(tǒng)的電腦，最后通過PPP鏈路進(jìn)行通信。抄表中一般是集中器讀取485串口數(shù)據(jù)，然后集中器MCU有另一個(gè)串口（通常是232）與GPRS模塊相連，MCU向232串口發(fā)送AT指令，指令中包含想用來做服務(wù)器的IP和端口，實(shí)質(zhì)是通過移動(dòng)中轉(zhuǎn)。服務(wù)器端必須有固定IP，使用TCP協(xié)議，SOCKET偵聽連接。電表集中器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動(dòng)的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。

圖1 集中器結(jié)構(gòu)圖

2

2.3 基于GGPPRRSS無線通信的數(shù)據(jù)傳輸流程

電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位于居民小區(qū)的信息中心，居民用戶的用電數(shù)據(jù)由付費(fèi)率電表首先通過RS-485接口通過雙絞線連接到位于小區(qū)信息中心的電能表集中器，電表集中器再通過RS-232接口與GPRS無線通信模塊相連。GPRS無線通信模塊先與GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過LCP、PAP/CHAP、IPCP三階段的協(xié)商建立PPP連接，獲取IP地址，再將TCP/IP數(shù)據(jù)包嵌入到PPP包中通過GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問Internet，通過Internet網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳給主站，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接，數(shù)據(jù)集中器可對(duì)電表參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、預(yù)處理或?qū)⒉杉降碾姳頂?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到配電中心；同時(shí)，數(shù)據(jù)集中器還可將配電中心發(fā)送的遙控指令傳給電表控制模塊，對(duì)電表進(jìn)行控制操作。

圖2 GPRS通信芯片結(jié)構(gòu)圖

圖3 GPRS通信流程圖

圖4 基于GPRS無線通信抄表的物理層組成圖

基于GPRS無線模塊的數(shù)據(jù)集中器由惠州中城電子科技有限公司研發(fā)制造，已經(jīng)供應(yīng)給河北電力局一萬臺(tái)安裝在河北省各個(gè)地區(qū)進(jìn)行使用，目前反饋集中器對(duì)電表數(shù)據(jù)采集和GPRS無線傳輸效果非常理想,一是性能穩(wěn)定，存儲(chǔ)量大，一臺(tái)集中器對(duì)于處理下行一千多臺(tái)電表的電量、事件等數(shù)據(jù)仍能可靠運(yùn)行，二是升級(jí)方便，該系統(tǒng)可以在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)很方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)，無需人工到現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，甚至后期可隨網(wǎng)絡(luò)性能發(fā)展進(jìn)一步升級(jí)更新，三是傳輸信號(hào)穩(wěn)定，該集中器自2014年安裝運(yùn)行到現(xiàn)在，通過GPRS無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)穩(wěn)定性不會(huì)受到環(huán)境的影響。

3 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的集中器可根據(jù)當(dāng)?shù)刂悄茈姳淼耐ㄓ嵎绞竭M(jìn)行通訊模塊的拓展?，F(xiàn)在國內(nèi)許多地區(qū)，為簡化通信線路，大多采用載波通信的方式通過電力線傳輸信號(hào)，一些辦公區(qū)域采用ZigBee無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為適應(yīng)不同地區(qū)的多種通信方式，可以對(duì)集中器拓展增加載波通信，ZigBee無線通信等功能,應(yīng)用前景十分廣泛。

[1]陳文榮.基于GPRS的儀表數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[D].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）：18-20.[2].

[2]李明.GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用[R].電力行業(yè)信息化年會(huì)會(huì)議，2006.

Design of Data Concentrator Based on GPRS Wireless Module

HUANG Hai-yan
（Huizhou Midtown Electronic Technology Co.,Ltd.，Huizhou 516006）

With the development of wireless communication technology and computer network technology,especially the national strategy of smart grid,automatic meter reading based on wireless transmission has gradually become the main trend of meter reading of electronic energy me?ter.Based on the study of wireless transmission for smart meter and automatic meter reading technology,introduces the characteristics of GPRS wireless data transmission module,describes the circuit design of concentrator,introduces the structure of communication module and GPRS chip of the concentrator,introduces in detail the GPRS communication process and the structure of physical layer of communica?tion network.Practice has proved that the design of data concentrator based on GPRS wireless module is feasible.It has the advantages of one station to base station,single communication link,no need to re-organize network,fast communication,and easy to maintain.

1007-1423（2017）23-0072-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.017

黃海燕（1969-），女，廣東惠州人，大專，董事長，研究方向電能表行業(yè)的儀器儀表軟件、硬件開發(fā)

2017-07-20

2017-08-10

GPRS Wireless Module;Concentrator;GPRS