基于ＧＰＲＳ的远程无线抄表系统设计

摘要：文章介绍了一种基于通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）的远程无线自动抄表系统，给出了系统实现的整体框图和工作原理，提出了基于BENQ公司M23模块和Winbond公司W77E58单片机的电能远程抄表系统，从系统的硬件结构和软件设计等方面分析了该系统的实现方案。

关键词：远程抄表；GPRS；M23模块；W77E58单片机；AT指令

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）02-0045-03

对于供电部门和用户来说，传统的手工抄表收费方式既费时又费力，已经越来越难以适应时代的进步和发展。远程抄表是指将低压电力载波通信与GPRS无线数据通信方式结合起来，自动读取和处理电表的数据，实现抄表系统的自动化、远程化、网络化。这样的智能抄表系统可以节省大量的人力，提高工作效率，降低出错率，而且可以存储大量的数据，方便查询和检索。

一、GPRS技术简介

GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。应用在集中抄表系统中，GPRS具备一些特点:（1）覆盖范围广：GPRS依托于GSM网络提供服务。中国移动的GSM网络是覆盖范围最广的网络之一，这种特点能够满足集中抄表特别是居民集抄这种分散程度很大的监控系统的要求。（2）永远在线：GPRS随时与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户仍然在网上与网络之间还保持一种连接。（3）快速登录：连接时间很快。GPRS无线终端一开机，就己经与GPRS 网络建立了连接，每次登录互联网，只需要一个激活过程，一般仅需1～3秒。（4）高速传输：由于GPRS网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最高理论值可达171.2kb/s。（5）按量收费：GPRS网络按照客户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，客户即使在线，也不收费。GPRS技术使得自动抄表系统利用Internet实现远距离、宽范围的数据传输和管理成为可能[1]。

二、远程自动抄表系统

远程自动抄表系统由采集终端、数据集中器、主站系统、通信信道组成。系统的结构框图如图1所示[2]。

（一）采集终端

采集终端分为RS-485型和脉冲型两种，分别用来对多功能电表和脉冲电表进行电量采集。每个采集终端可连接16个电表，采用手持终端对采集终端载波地址和各个电表的表底数、表常数、费率、时段、电表号进行设置。采集终端利用现有的低压电网载波通道接收集中器的命令、发送当前各电表的电量及所有设置给集中器，并与上级校时。

（二）集中器

采集终端采集的电表数据经过220V/380V低压电力线载波，传输到集中器中，等待进一步的传输和处理。集中器主要包含了两个方面的电路：电力线载波接口电路和GPRS无线模块电路。其中电力线载波接口电路以单片机W77E58为控制中心通过RS-485与采集器通信，并且把采集器中的数据存储到EEPROM中。GPRS模块负责把集中器中的数据利用INTERNET网络传输到更远距离的主站监控中心。为了能标识集抄数据中的确切来源必须对集中器编址，因此，GPRS模块传出的数据中已加有该集中器的地址信息。

（三）GPRS无线数据传输模块设计

本GPRS无线数传模块采用BENQ公司的内部嵌有TCP/IP协议栈的GPRS通信模块M23，利用Winbond公司的W77E58单片机对M23进行控制，二者均支持RS-232通信标准。W77E58单片机具有两个UART（通用异步串行接口），其中一个与M23模块相连，进行数据和AT命令的传输，另一个经过MAX485芯片转换后与电力线载波接口电路中的RS-485串口相连，接收并转发线路上采集的电表的数据。GPRS无线数传模块的硬件框图如图2所示[3-4]：

单片机W77E58控制M23模块发送和接收数据，在软件中采用串行口的中断技术来实现数据的接收和转发。

1．W77E58单片机简介。W77E58是华邦公司生产的一款内核经过重新设计的单片机，从整体性能来看，W77E58的速度比标准的8051快2.5倍。由于采用全静态的CMOS设计，W77E58能够在低时钟频率下运行，电源消耗也降低。W77E58内含32KB Flash EPROM，具有1KB片上外部数据存储器，拥有12个中断源，2级中断优先级，两个增强型全双工串行口，是一款性价比很高的芯片。

2．M23无线数传模块简介。M23是BENQ公司生产的一款多功能GSM/GPRS无线通信模块，共支持三个频段：EGSM900/DCS1800/PCS1900。该模块内嵌TCP/IP协议，采用3.3V～4.5V电压供电，具有短消息服务、语音通话、数据传真等功能。对外可提供天线接口、模拟音频接口、异步串行接口、SIM卡接口等，给用户设计带来很大的方便。

3．M23模块与W77E58单片机的接口。M23与W77E58采用串口相连，具体的端口连接说明如下[5-6]：

（1）M23的串行口TXD：接单片机的RXD，用于向单片机转发主站监控中心的数据或指令。

（2）M23的串行口RXD：接单片机的TXD，用于接收单片机发来的数据或指令。

（3）M23的DSR引脚：即Data Set Ready，说明模块准备好，与单片机的P1.0口相连。DSR为高表示处在数据模式，为低表示处在命令模式。

（4）M23的DTR引脚：即Data Terminal Ready，说明终端设备准备好接收数据，与单片机的P1.1口相连，可通过控制此引脚电平的高低时间来进行M23的数据态和命令态的切换。

（四）数传终端的软件实现

数传终端系统的软件设计的核心部分是单片机与GPRS模块的通信，两者间需定义通信协议、规定帧的格式，通过AT命令实现GPRS网络的附着、PDP激活、Internet的接入及数据传输。

1．AT指令的调试。利用AT指令控制M23模块建立无线信道进行数据传输的步骤如下：

（1）AT$NOSLEEP=1：防止串口进入睡眠状态。利用M23进行TCP/IP数据连接前必须使串口永远打开，否则可能会造成数据丢失。

（2）AT+CGDCONT=1，“IP”，“APN”：设置接入网关，中国移动的APN是CMNET。

（3）AT%CGPCO=1，“PAP，，”，1:PAP验证，默认的用户名和密码。

（4）AT$DESTINFO＝“*.*.*.*”，1，主站的端口号：设置远端主站的IP地址，其中“*.*.*.*”指远端主站的固定的IP地址，“1”指支持TCP协议，若为“2”指支持UDP协议。

（5）ATD*97# :拨号建立连接。当建立了TCP/IP的连接后，可以通过发送“+++”（后面不能有任何字符）命令从TCP状态切换到AT命令状态，TCP状态此时没有断开只是被暂时挂起，在AT命令状态可以使用“ATO”命令来返回到TCP状态，也可以在AT命令状态发送“ATH”彻底断开TCP连接。

2．程序的设计

系统程序采用标准的C51进行编写，采用模块化设计的思想，主要分为系统初始化模块、建立连接模块、数据传输模块、断开连接模块4部分。系统程序流程图如图3所示：

（1）单片机的初始化。单片机初始化部分将W77E58串口设置为工作方式1，即1个起始位，8位数据位和1位停止位。定时器选用定时器1的工作模式2即8位自动重装定时器来作为串行口波特率发生器，波特率设为9600b/s，晶振为11.0592MHZ。采用串行口中断技术来实现数据或指令的接收和转发。初始化时先将串行口中断关闭，在与上位机建立连接后再打开。

（2）建立连接。单片机使用串行口对M23模块发送AT命令建立连接，相邻AT命令间要有2～3s的延时，所以每发送完一条AT命令都要调用一个2～3s的延时子程序，然后通过串行中断接收子程序接收AT命令返回值来判断连接是否成功。

（3）数据传输。在M23模块成功接入网络后，单片机只要将要发送的数据通过串口发给M23，M23就会把数据转发给相应的IP地址的PC机。

（4）GPRS通信心跳信息。M23模块在接入网络后，在设定的周期内无数据通信时，由单片机控制M23模块向主站发送心跳信息，主站收到心跳信息后，回应应答信号。

（5）重要数据的存储。程序中把一些重要的数据如主站的IP地址、端口号、SIM卡号等存入EEPROM中。在需要时从EEPROM中读出或向EEPROM重新写入数据进行设置。

（6）断开连接。数据链路的释放可通过发送数据结束标志“＋＋＋”实现，但必须延时一定时间后再发送断开连接指令。

三、结语

电能抄表一直是困扰电力部门的难题，因为电能表数量多，地理位置分散，若采用人工抄表则需要投入大量的人力、物力和财力。基于GPRS的电能远程抄表系统可以对电能表进行远程无线集抄，同时，通过GPRS双向系统可实现对远程电能表和其他电力设备进行控制，节省人力资源和建设成本。目前，基于GPRS的电能远程抄表系统在电力部门已得到广泛的应用。

参考文献

[1]金小萍．使用单片机实现GPRS通信小系统的研究[J]．电子工程师，2007，（7）．

[2]陈壮奕．基于GPRS的电能远程抄表系统的设计与实现[J]．广东电力，2006，（1）．

[3]M23 GSM/GPRS Wireless Module DATASHEET．BenQ Corp．2005．

[4]孙鸣，吴珏．基于TC45模块的GPRS无线抄表系统[J]．自动化与仪器仪表，2005，（6）．

[5]李朝青．单片机原理及接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006．

[6]张齐，杜群贵．单片机应用系统设计技术－基于C语言[M]．北京：电子工业出版社，2004.

作者简介：刘建平（1976- ），供职于江苏宏图高科技股份有限公司通信设备分公司，东南大学无线电工程系硕士，研究方向：电子与通信工程。