基于无线数据的远程抄表系统的原理与建立

宁夏吴忠供电局 章望珠

在当前信息环境下，对广大的电力业主实现抄表，就是将现代化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析[1]。电力业主抄表自动化是电力系统远程化与网络化的一个基本功能，也是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分[2]。比如电力部门期望抄表系统不但能够进行随机抄表和定时抄表，而且还可以对进行监视，能有效地得到窃电的证据。近年来我国不少电力研究部门研制生产了不同方式的业主集中抄表系统[3]。而随着无线电技术和网络通信技术的发展，远程集中抄表技术的通信问题也得到解决。本文为此具体探讨了基于无线数据的远程抄表系统的原理与建立措施。

1.远程抄表系统的功能分析

远程抄表系统是自动采集和记录电力系统业主负荷的用电情况，并且通过通信方式，自动将记录的数据和业主信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电业主的电能量计费和管理功能的系统。通过定义分析与用电管理要求，其具备以下功能：（1）自动、定时地抄录各业主的用电量；（2）按用电的时间和季节自动调整核算每个业主的电价；（3）通过银行向各业主自动完成转账收款、电费结算；（4）为电力部门提供有效的电网运行参数，为电力管理自动化的实现提供基础数据；（5）实现业主电表工作状况的实时监测，当业主电表有异常错误时本系统可以自动上报，也可对电表硬件进行实时管理[4]。

2.GPRS通信技术分析

GPRS技术是第二代移动通信技术向第三代移动通信技术的过渡技术，它以分组交换技术为基础，业主通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务。GPRS采用分组交换技术，每个业主可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个业主共享，资源被有效的利用。具体来说，GPRS通信技术的特点主要体现在以下几个方面：GPRS采用分组交换技术，优化了对网络资源和无线资源的利用。GPRS无线信道，且分配方式灵活，且向上链路和向下链路的分配是独立的。支持中、高速率数据传输，提供了与现有数据网的无缝连接。GPRS的安全身份认证和加密功能由SGSN来执行。业主数据在MS和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封装和隧道技术。GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级（QoS）的计费功能，计费方式更加合理，业主使用更加方便。

3.基于无线数据的远程抄表系统的原理与硬件组成

3.1 基本原理

本文的基于无线数据的远程抄表系统的原理是集抄表和监视功能于一体，不但可以实现对电能表的抄表功能，而且还可以实现对电表计量现场情况进行监视，起到现场监控的作用[5]。它采用JPEG格式保存捕获的现场图像证据，有效地利用存储器空间，并且采用GPRS网络作为通信媒介，使系统不但可以通过短消息进行控制，而且可以将抄表数据和捕获的窃电图像证据通过电子邮件的方式传送到指定邮箱。

3.2 硬件组成

基于GPRS网络的无线远程抄表及监视系统主要由管理中心、手机、GPRS网络、现场单元等四部分组成。管理中心是装设在电力部门用电管理处的计算机，用来接收现场单元以电子邮件方式发送的抄表数据和窃电图像证据，并对信息分别进行管理。手机是系统的无线远程遥控器，负责对系统发送各种短消息命令和接收系统返回的短消息，它是系统信息显示和控制命令的终端设备。GPRS网络是系统的通信媒介，通过它进行短消息的接收和发送以及电子邮件的发送。现场单元是整个系统的核心，它主要由电能表、摄像模块、通信模块和控制单元等四部分组成。电能表用来提供电力业主的用电数据；摄像模块用来捕获现场窃电时的图像证据；通信模块用来与GPRS网络通信，通过它接收和发送短消息、传送现场单元的各种抄表数据和窃电图像证据；控制单元又是现场单元的核心部分，它需要协调电能表、摄像模块、通信模块的工作。

4.基于无线数据的远程抄表系统的硬件设计

4.1 通信模块设计

本系统所采用的现场单元是通过单片机C8055E6.0的串行通信口UARTO，经MAX500芯片进行电平转换后与通信模块相连，采用了通信模块的14脚插座的RS232通信接口。其中0.1μ的电容C8是去耦电容，防止高速跳变电流引起芯片MAX232供电电压的波动；电解电容C22是为了保证GPRS通信模块供电电压的稳定。

4.2 摄像模块设计

本系统通过对摄像模块LMM2100A的硬件接口和命令的介绍，通过单片机C8055E6.0的串行通信口UARTl与摄像模块的应用接口相连，通过摄像模块的命令即可实现对它的控制，从而获得JPEG格式的图像文件。摄像模块的接口电路的具体实现时，只需将现场单元的电源和地与摄像模块LMM2100A的电源和地连，将单片机C8055E6.0的串行通信口UART1的发送引脚和接收引脚与摄像模块的接收引脚和发送引脚相连就可以。

4.3 电能表模块设计

图5-1 基于无线数据的远程抄表系统的软件设计

结合单片机C8055E6.0具有可编程计数器阵列（PCA），本模块包括5个捕捉/比较模块，用其中的任意两个捕捉/比较模块均能够实现软件UART功能。正因为如此，现场单元借用PCA来模拟实现波特率为9600bps的UART功能，再通过MAX485进行电平转换与RS485接口的电能表通信。

图6-1 广度优先生成树拓扑结构图

5.基于无线数据的远程抄表系统的软件设计

基于无线数据的远程抄表系统的软件设计主要包括以下3个功能模块：处理短消息命令功能模模块（FLAG1）、进行现场图像的拍摄及传输的功能模块（FLAG2）、定时抄表的功能模块（FLAG3）。其中FLAG1的主要功能为在UARTO中断子程序中置位该标志，FLAG2在/INTO中断子工程中置位该标志，FLAG3在/INT1中断子工程中置位该标志。软件设计的主要流程为图5-1。

软件处理流程为：系统上电后，单片机C8055E6.0就开始执行主程序。在主程序中，首先进行系统初始化，然后清零子功能模块标志位，接着启动看门狗电路，最后进入主程序的循环部分，它包括：根据标志位FLAG1判断是否收到授权手机业主发来的短消息命令；根据标志位FLAG2判断现场的外部触发电路是否启动以决定是否进行摄像操作；根据标志位FLAG3判断是否进行定时抄表操作。

6.基于无线数据的远程抄表系统的仿真及分析

本文的仿真平台主要使用OPNET，其是世界上最先进的网络仿真开发的应用平台之一。根据本系统的节点部署，按照广度优先生成树算法得出来的网络拓扑如图6-1所示。

当Fu_DMTs小于零时，表示使用Fu_DMTs算法得到的节点本地时钟与根节点时钟的偏差值小于使用DMTs算法的。从图中我们可以看到，绝大多数的节点的_DMTs行值都小于零。因此，我们可认为Fu_DMTs算法的时步效果要好于DMTs算法。此外，我们可以看出各节本地时钟与根节点时钟的时钟偏差均在1OOms级，满足远程抄表对时间同步的要求。

总之，本文根据远程抄表应用的需求，初步设计了GPRS网络的体系结构和相应的体系，极大地推进和提高供电部门的效率、效益和自动化管理水平。该项目技术的成功研发，可推广应用到水表远程集中抄表、煤气表远程集中抄表、热能表远程集中抄表、环境监测点数据远程采集等系统的多智能体组网方案与实施。

[1]庄严,向农.电力远程抄表系统的设计与实现[J].微计算机信息,2010,25(10):25-28.

[2]周书民,周建勇,潘仕彬,孙亚民.无线传感器网络中时钟同步的研究[J].计算机技术,2006,32(9):24-26.

[3]周贤伟,韦炜,覃伯平.无线传感器网络的时间同步算法研究[J].传感技术学报,2006,19(1):20-25.

[4]王红红,李仁俊.远程抄表系统中的通信方式[J].电力系统通信,2010,24(11):47-50.

[5]周游,高新华.国内几种电能表自动抄录系统之比较[J].广东电力,2009,15(1):55-58.