基于GPRS电力抄表系统的设计

罗飞，郭红梅，李民星，邹文强

（江西理工大学，a.理学院；b.西校区管委会，江西赣州341000）

LUO Feia,GUO Hong-meia,LI Min-xingb,ZOU Wen-qianga

（a.Faculty of Science；b.West Campus Management Committee,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

基于GPRS电力抄表系统的设计

罗飞a，郭红梅a，李民星b，邹文强a

（江西理工大学，a.理学院；b.西校区管委会，江西赣州341000）

文中基于GPRS的优势设计了一种经济实用的电力自动抄表系统.该系统底层通信基于RS-485总线传输，上层通信基于GPRS，其中GPRS模块采用中兴的ME3000.系统硬件结构简洁，包括微控制器与GPRS模块的外围和接口电路、实时时钟、存储单元.软件设计采用C语言进行软件编程，有利于软件的模块化，便于维护和移植.经调试，系统功耗低，运行稳定可靠.

电力通信系统；GPRS；自动抄表；RS-485

LUO Feia,GUO Hong-meia,LI Min-xingb,ZOU Wen-qianga

（a.Faculty of Science；b.West Campus Management Committee,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

0 引言

电力通信系统是保障电力系统安全稳定运行的重要部分，是促进电力系统实现自动化的有效手段.电力系统正常运行需要依靠控制中心和远方终端之间的信息互通来实现.

电力系统自动抄表技术是将数据自动采集、传输和处理应用在电能采集和监测的一项新的技术.它从根本上克服了传统的人工抄表模式实时性差、费时费工的弊端.随着无线网络技术的不断发展，基于无线网络技术的应用逐渐成为当前电力通信的主流[1-2].无线网络技术自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制，使其迅速成为远程数据采集系统中解决监控点地域广、设备布局分散等问题的主流技术.目前，远程抄表监控系统主要基于微处理器，通过GPRS等无线通信网络，向用电管理系统传送采集的数据.随着AMR技术广泛的应用，各种AMR技术和系统（如电力线载波通信技术[3]、智能化计量仪表[4]、电能量计量收费系统[5]等）的研究也频繁运用于电力通信.

我们在认真研究我国部分地区通信规约的基础上，为解决适应多种协议的数据采集、传输的能量计量终端，采用ARM7结构的LPC2132作为核心的嵌入式硬件平台，以前后台方式的软件设计方案，实现远程的数据采集和监控.文中基于GPRS的技术优势，采用RS—485总线型结构解决底层数据采集[6-7]，采用GPRS无线传输并接入Internet的方式与数据中心的连接从而实现上层数据传输，以此完成远程抄表监控系统和数字式电能表通信规约的设计，实现电能数据的定时采集与存数.

1 自动抄表通讯方案概述

自动抄表的底层通讯采用RS-485通讯方式，上层通讯采用GPRS无线网络通讯方式.

1.1 GPRS通讯方式

GPRS（General Packet Radio System）是无线分组业务的缩写，是介于移动通信第二代和第三代技术之间的一种过渡形式，通常称为2.5G，目前通过升级GSM网络实现.它是一个混合体，采用TDMA方式[8]传输语音,采用分组方式传输数据.GPRS无线网络通讯方式具有瞬间上网、永远在线、快速传输和按量计费等技术优点.系统结构框图如图1所示.

图1 GPRS通讯网络结构图

1.2 RS-485总线通讯

RS-485采用差分信号负逻辑，＋2 V～＋6 V表示“0”，-6 V～-2 V表示“1”.RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点，数据最高传输速率为10 Mbps，最大的通信距离约为1219 m.RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输[9].

2 硬件设计

2.1 原理框图

原理框图如图2所示：

图2 硬件原理框图

2.2 硬件电路简介

1）ME3000与CPU的连接电路图

文中设计所用的GPRS模块是中兴的ME3000，该模块要求的电源输入为直流电压3.3 V～4.25 V，支持数字、语音、短消息和传真四种数据任务.这是一款低功耗通讯模块，处于睡眠状态下的电流仅为2.5 mA，工作电流损耗为通话模式下240 mA，待机模式下23 mA.其与CPU的连接电路图如图3所示：

图3 ME3000电路连接图

GRXD和GTXD分别连接到CPU的串口相应的引脚上，实现数据的通信.CCRST为复位信号的输出引脚，它连接在SIM卡的复位引脚上来控制SIM卡的复位.CCIO为是双向的数据传输引脚，用于SIM卡的数据传输.CCCLK是为时钟信号的输出引脚，给SIM卡提供时钟信号.CCVCC可以输出3 V电源，以提供给SIM卡使用.DVDD为载波信号检测脚，连接在CPU的P0.30引脚上，当有载波信号时会使该位发生相应的变化.RESRT为模块复位引脚，通过置其为低电平来实现模块复位，但要保持低电平大于20 ms，通过外加一个集电极开漏的开关电路实现.ON/0FF引脚为模块的启动/关闭引脚，当启动模块时要保持大于1500 ms的低电平，当关闭模块时要保持大于2 s的低电平.SMSLED为来电、来短消息指示灯，其通过一个三极管来驱动LED，来显示是否有信息或来电.SIGLED信号指示灯，也是通过一个三极管来驱动LED，当网络找到信号时灯就会有50 ms的间隔亮灭.

2）实时时钟电路

实时时钟在产品设计中起着举足轻重的作用，因为本设计的软件设计采用的是前后台的方式，所以中断必不可少.中断的产生是以时钟提供正确的时间中断为前提的，本设计采用的是ISL12022实时时钟芯片，这款芯片的主要特点是带有内部晶振和具有温度补偿控制功能[10].其电路图如图4所示：

图4 实时时钟电路

电路采用的供电方式为，当电源正常打开时由电源直接给时钟芯片提供电压，但是当电源断开时，有电池给芯片供电，电池B200使用的是3.6 V可充电的锂电池，当电池内部电压过低时电源会通过二极管D202给其充电，但是当电源断电时，由于二极管的单向导通性，也不会使电池的电压形成倒流.电容C212既起到滤波的作用，滤去电源中的毛刺，而且在电源突然断电时可以起到使芯片供电电压曲线平滑的作用.

2.3 电磁兼容设计

电力产品的工作环境存在各种复杂的电磁干扰和自然环境的影响.对于电力系统，要求电网电能质量和各种电力参数、数据采集准确以及通讯可靠稳定[11]，因此电磁兼容型设计和抗电磁干扰设计在电力产品设计中成为最不可缺少的部分，关系到电力产品运行的稳定性和可靠性.

2.3.1 抗雷击浪涌设计

雷击是指带电云层间或带电云层和地之间相互靠近时产生的一种直接放电现象，这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的响声，并产生大量的能量传递.此外，在电站或开关站中，大型开关切换瞬间，也会在供电线路上感应出大的浪涌电压和电流.雷击浪涌有共模（纵向）浪涌和差模（横向）浪涌两种，因此选择吸收器件时要与其对应，所以在设计中分别采用瞬变二极管（TV202）和气体放电管(YS200)来吸收浪涌.具体如图5所示：

图5 浪涌吸收电路

防雷击浪涌的另外一个措施就是对被保护器件实现光电隔离，隔离元件的两边是不共地的，当线路引入雷击过电压时，这个瞬间过电压施加在隔离元件的两边，在设计中采用的是光耦隔离，其隔离电压为4.5 kV.只要过电压不超过这个电压值，线路上的雷击过压就不能转化为过电流进入设备，即起到了保护作用.如图6所示：

图6 光耦隔离原理图

2.3.2 抗干扰设计

在设计中采用了很多方式进行防干扰：

（1）在电源和地之间加上滤波电容，如图7所示；

（2）RS-485供电电路和其他电源要隔离；

图7 滤波电路

（3）实时时钟芯片由于上部的部分引脚是没有用到的引脚，而且该部位是内部晶振的所在地，所以采用该部分引脚单独铺地和单点接地的方式来减少外部电路对时钟晶振的干扰；

（4）GPRS模块抗干扰设计，在模块下采用网状的铺地，正面除了SIM卡的信号线不再走线，并且插针处加滤波电容.如图8所示：

图8 GPRS模块PCB

（5）SIM卡信号是很微弱的，很容易受到干扰，所以在SIM卡的信号线加了滤波电容，而且为了防止GPRS模块的强信号对其有影响，则把SIM卡和GPRS模块放在板的不同面；

（6）LPC2132芯片的供电电路和RS-485的供电电路的布线要隔离一定距离，在设计中的间隔距离为10 mm.

2.4 功能特点

完全自主设计的软硬件，拥有简化为10针的JTAG仿真接口，支持远程升级和本地升级.下行采用RS-485进行通讯并留有RS232通讯接口，需要时可以扩展；上行通讯采用GPRS无线通讯，具有定时采集数据并进行存储、分析、处理的功能.对于异常情况可以通过无线网络发生警号，支持多种通讯协议和多家的单向智能表.

3 软件设计

软件设计中采用的是32位ARM---LPC2132[12]，采用的是C语言进行软件编程，因为C语言的结构性很好，易于阅读，而且程序的移植性也较好.

软件的整体设计是采用前后台的软件设计思想来实现的，按照数据处理的流程采用中断方式来完成总体功能，图9为整体流程图.下面就图中进行几点说明：

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（1）1秒钟任务：进行软件时间处理，即软件模拟时钟走时，当秒寄存器大于60时分加1，秒清零.时、分依次进行.

（2）1分钟任务：处理子表的自动抄表时间，不同规格的电表抄表所用时间不同，所以要判断处理.当抄表完成后使相应的标志置位.

（3）半分钟任务：控制运行灯的闪烁.

软件设计中包含以下内容：实时时钟模块、GPRS模块、GPRS模块拨号流程和下行通讯协议等.以下就下行通讯协议中的RS485在电表通讯中出现问题及解决方案加以说明.

1）收发时序不匹配

图9 程序整体流程图

现象1：485通讯不成功，用逻辑分析仪查看，发送的码字正确，电能表返回码字也符合规约.再细看，主站发送的码字的最后一位同电能表应答的数据帧的第一位之间几乎没有停顿.

现象2：当主站对某块表连续抄几帧数据时，第一帧通讯成功，第二帧开始电表不回应答帧.

2）判断帧起始符出错

电能表485总线是一种数字异步通信方式，没有专门的同步信号进行同步，接收方无法准确判知哪一个字节是一帧数据通信的开始.因此系统中规定68H作为帧起始符（帧同步码），代表一帧数据的开始.如果软件编程时以接收到的第一个字符作为帧起始标志，则接收到的数据将可能会出现同步错误.另外，如总线上平时有干扰信号存在，将导致485芯片不停地收到杂乱数据.当总线上有正常信号产生时，由于干扰信号比较小的原因，其对通信并无太大的影响，但对接收方来讲，其接收正确数据帧前会混有若干个字节的杂乱数据，由于同步处理不当，通讯也会失败.因此，通常的做法是每接收一个字节都要判是否是68H，若不是则丢掉该字节，然后继续往下判，直到收到68H才启动一帧数据的接收.

4 性能调试

产品性能的调试是产品设计过程中的重要一步，产品调试主要有以下几方面：

（1）存储单元的调试.存储单元包括EEPROM和FLASH两者采取的数据传数方式不同，EEPROM采用的是I2C传输方式，FLASH采用的是SPI传输方式，但是两者的调试方法是一样的，首先，通过函数向存储设备里写数据，然后，在通过函数读出，当读出来的数据和写进去的一样时，则说明存储设备能正常使用.

（2）实时时钟的调试.实时时钟的调试主要包括能否设置时间，能否正确读取时间，和在一段时间走时后能否正常走时.

（3）GPRS模块调试.GPRS模块的调试主要是通过函数模拟发送AT指令，看其是否能有正确的返回值，如能否上网，能否发信息等.

（4）RS-485调试.RS485的调试是通过串口调试软件，用USB转485的转换模块，通过调试软件向本设备发送据然后利用程序进行回发，如果能实现这个过程则说明该通讯方式正常.

（5）遥信、遥控的调试.遥信的调试通过分别短接遥信的两端引脚，然后在相应的引脚上会发生电平的变化，通过判断遥信引脚的变化使能遥控的继电器的吸合，这样做可以在测试遥信时，同时测量遥控.

通过以上五个方面的性能调试，根据各功能模块的特点，编写相应的程序代码对各模块进行性能的测试，以确保设计产品在投入使用前各模块都能正常使用，调试的结果基本达到设计的目标，系统运行稳定可靠.

5 结论

文中构建了底层通信基于RS-485总线传输，上层通信基于GPRS相结合的远程复合式自动抄表系统.由于GPRS是支持TCP/IP协议的，组网方面可以采用通过GPRS接入Internet的方式，硬件系统设计包括微控制器与GPRS模块的外围和接口电路、实时时钟、存储单元的设计.微控制器选用ARM7LPC213X系列芯片LPC2132，GPRS模块采用中兴的ME3000.实时时钟采用具有内部晶振和温补的时钟芯片ISL12022.存储单元分别采用AT24C08和AT45DB041D，从而在整体上完成对自动抄表系统的构建.该系统结构简洁，运行功耗低，稳定可靠.

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Design of a GPRS-based power meter reading system

A kind of economical and practical electricity automatic meter reading system is designed.on the advantages of GPRS.Bottom communication of the system is based on RS-485 bus transfer,and upper layer communication is based on GPRS by using ZET ME3000 Module.The hardware of system is compact,including peripheral circuits and interface circuits between microcontroller and GPRS Module,real-time clock and memory cell.C language program,which is used to design the software,benefits the modularization of software and is easy to maintain and transplant After adjustment,the system is stable,and power dissipation is low.

electric power communication system；GPRS；automatic reading meter；RS-485

TM764.1；TP274

A

2012-03-15

教育部高校物理教学指导委员会教学研究项目（WJZW-2010-34-hd）

罗飞（1980-），男，讲师，主要从事大学物理实验教学及创新实验教学研究，E-mail：gzluofei@126.com.

2095-3046（2012）03-0071-05