基于GPRS的远程能源管理系统的设计
2014-07-24麻志滨刘芳刘震
麻志滨+刘芳+刘震
摘 要： 针对能源计量管理系统设计，为了使系统能够准确地实现能源自动化管理，提出了一种基于GPRS通信技术的能源计量远程管理系统。采用三层框架，以热量表作为计量仪表，采集器通过RS 485总线接口获取单元计量表数据，采集器与集中器通过无线传输模块连接，集中器通过GPRS DTU模块的GPRS功能连接Internet，将数据上传至服务器。主要研究了系统的关键部分，采集器和集中器的软硬件设计，并通过实验表明，采用三层框架结构的能源计量管理系统具有实时性强、准确度高、易扩展的优点。
关键词： GPRS； 无线通信； 远程测量； 能源计量
中图分类号： TN927?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0060?04
Design of remote energy management system based on GPR
MA Zhi?bin， LIU Fang， LIU Zhen
（Harbin Institute of Technology， Weihai 264209， China）
Abstract： A remote energy metrology management system based on GPRS communication technology is presented to enable the energy management system to achieve accurate automated energy management. Taking the heat meter as a measurement instrument， a three?layer framework is adopted to get the data from unit metrology meter through RS?485 bus interface by collector. The collector is connected with the concentrator through wireless transmission module. The concentrator is connected with Internet by means of the GPRS function of the GPRS DTU module to upload the data to its server. The the hardware and software design of collector and the concentrator， key parts of the system， are studied in this paper. The experimental results show that the three?layer framework structure of energy metrology management system has the advantages of strong real?time performance and high accuracy， and is easy to extend.
Keywords： GPRS； wireless communication； remote measurement； energy metrology
0 引 言
当今世界，能源危机越来越突出，全球范围内也越来越重视这个问题。同时，国内的企业面对日益激烈的市场竞争，能源作为生产成本的重要组成部分，其计量工作也越来越受到关注。如何节能降耗，提高能源计量管理技术，对企业具有重要的意义。对于采用按面积收费的供热企业，改变收费模式，提高能源计量管理技术水平，一直是急需解决的问题[1]。
针对这个问题，本文提出了一种嵌入式GPRS通信技术与测量技术相结合的远程能源计量管理系统。
1 远程能源管理系统通信方式比较分析
我国目前多种远程能源计量系统并存，而各种远程能源计量系统不同方式在于通信方式。通信方式可以划分为有线通信和无线通信两种方式[2]。
1.1 有线通信方式
（1） 电话线通信。电话线通信是覆盖率很高的通信网络。且只要安装调制解调器并入网就可以进行通信。但是电话线通信的响应速度慢，往往需要数秒的时间，导致数据传输实时性较差。同时期通信速率慢，当需要大量数据实时传输时，电话线通信方式不能够胜任。
（2） 电力线载波通信。电力载波通信分高压电力载波通信和低压电力载波通信。电力线载波可以将需要传输的信号与电力波叠加，随电力线一起传播，在已有的电力线网络中任一点接上发送和接收信号装置即可实现通信。电力线网络基本覆盖所有居民区，因此不需要另外铺设通信线路，使得此种通信方式成本很低。但是较弱信号容易受强电网干扰，而且此种通信不能穿越变压器，因此电力载波通信在集中抄表系统中的应用受到限制。
（3） 光纤通信。光纤通信自动抄表系统以光纤为信号传输媒介。近几年光纤通信技术越来越成熟，其传输容量较其他通信技术大很多、而且极高的传输速率，较长的中继距离，极强的抗干扰能力使其成为通信的热点技术。但是较高的成本，复杂的技术使其在集中抄表系统中运用的性价比很低。
1.2 无线通信方式
1.2.1 无线数传电台
无线数传电台设备维护简单，建成后运行转费用很低，因此通过无线数传电台进行通信对具有较大用户量的通信系统来说性价比较高。但无线数传电台的造价很高，信号传输容易受外界信号的干扰，传输距离有限，而且大范围的能源管理系统需要通信稳定，通信距离远，因此这种方式在集中抄表系统中应用受到限制。
1.2.2 GPRS通信
近年来，GPRS技术发展迅速，它为人们提供一种点到点的无线广域网IP通信连接，这种基于GSM网络系统的分布式无线交换技术，被应用到更多的小型通信设备中。GPRS通过手机网络运行商服务器网关GGSN，以分组式交换作为数据收发的基本模式，利用现有的中国移动运行商通信网络，即可实现远程操作与抄表，该技术目前以区域成熟，且运行可靠。但其应用中的运行费用高以及网络前端通信模块也成为了推广的一个问题，但随着GPRS网络的普及，运营商的资费也不断下调，这使得GPRS通信技术作为一种低成本、高效的无线数据传输方式成为可能[3?6]。
GPRS技术的优点有：接入范围为运营商的服务范围，目前中国移动网络已覆盖全国绝大部分地区，因此其应用不受限于位置和地域。另外GPRS网络通信还支持不同速率设备接入，传输速率范围大，可满足各种远程抄表的设备需求。由于运行商网络可不间断的提供实时服务，因此GPRS终端设备可同样提供不间断的实时连接，保证其通信数据的实时更新。目前各大网络运行商在GPRS的费用上均采用按流量计费，从而使得远程抄表这种少量（偶尔大量）、间断、频繁的数据传输费用成本大大降低；最新的GPRS技术同时还支持标准的X.25和TCP/IP协议，这便可以与Internet实现数据联通，突破了使用GSM通信数据流量的上限[7?10]。
根据上述对供热企业远程能源管理系统可选用的通信方式的分析比较可以看出，基于GPRS的远程能源计量管理系统具有性价比高、安全、通信简便等诸多优点，完全能够满足供热企业的计量需求。
2 基于GPRS的远程能源管理系统的组成和
硬件设计
2.1 系统组成
能源管理计量系统是按目前抄表行业的实际情况而开发的，它以采集数据、传输数据和处理数据为核心，系统每一个环节都要求保证数据的可靠性。现阶段我国计量表（包括水、电、气、热四种表）安装的方式主要是一户一表，总体表现为一个单元内按户上表，各单元之间计量表以同样的形式安装，形式上看为典型的对等模式。这对抄表系统的实现提供了极大的便利。
本文设计的基于GPRS的能源管理系统组成如图1所示，系统采集器，集中器，监控中心组成。采集器把挂载在RS 485总线或者M?BUS总线上的仪表数据读出，进行数据处理、显示，并通过频率为470 MHz无线传输模块传把数据送到集中器。集中器把附近采集器发送上来的数据打包通过GPRS DTU模块传输到监控中心。
在图1设计思路中，每一户居民都将安装一块相关计量仪表，是抄表数据的来源，系统将在这里将每户居民实际能源使用情况进行汇总。通过采集器和集中器进行数据传递，数据将保存在数据库中，需要对数据进行分析，同时用户能够通过互联网获取自己的使用情况。
图1 GPRS的三级能源计量管理系统组成图
2.2 采集器硬件设计
目前仪器设计的发展趋势是低功耗、高度集成化和小型化，采集器采用了以低功耗著称的MSP430系列的MSP430F149单片机作为控制器的核心器件。
MSP430F149单片机是一种16位超低功耗的处理器，采用流行的RISC结构，具有强大的处理能力；寻址范围可达64 Kb，还可以外扩存储器，其中外设和内存统一编址；统一的中断管理器，丰富的片上资源；片内有精密硬件乘法器、1个14路1位的模/数转换器、2个16位定时器、2路USART通信端口、1个比较器、1个看门狗、6路P口、1个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8 MHz的时钟。该系列单片机主要有以下特点：超低功耗；强大的处理能力；高性能的模拟技术及丰富的片上外围模块；系统稳定工作；方便高效的开发环境。
采集器主要由电源，主控芯片，无线模块，数据存储器，电池电压检测电路，相应的通信接口和显示模块组成。采集器通过RS 485或者M?Bus接口采集热量表数据，经过主处理器MSP430F149的分析、处理后保存在FLASH存储器中，并且通过470 MHz的无线模块上传给集中器。终端维护可以通过终端本地输入模块操作，同时也能给从站（计量仪表）进行供电。维护界面友好，操作方式简单方便。
采集器的电路模块框图如图2所示。
图2 采集器模块框图
2.3 集中器硬件设计
集中器的功能是发起采集命令给采集器，将各个釆集器的数据进行汇总，最后通过GPRS模块将数据上传至服务器。集中器与采集器之间数据连接方式采用无线传输模块。集中器电路模块框图如图3所示。
集中器主控芯片选择STC公司的STC12C5A60S2芯片。STC12C5A60S2单片机是STC公司生产的单时钟单片机，具有低功耗、高速、超强抗干扰性、指令集完全兼容传统的8051单片机、ISP下载的特点，而且内部集成了双串口功能用复位，符合采集器设计要求。
图3 集中器模块框图
3 基于GPRS远程能源管理系统的软件设计
3.1 采集器软件设计
采集器软件设计时，采用IAR Embedded Workbench IDE 集成开发环境。
由于数据采集器主要完成接受命令与读取数据，所以要有较快的接受能力和处理速度，防止接错或漏接数据。这就要求数据采集器要随时处于接收状态，为了能达到以上要求，可以使用单片机高效的中断处理功能。然而过多的处于中断状态，可能导致其他中断不能及时响应，所以要求中断处理要快或处理较少的程序。
由以上所述确定程序设计的结构为中断响应软件查询。中断响应是及时响应外来信息，并作相应的标记，关中断，启动软件查询，达到快速响应中断的目的；而软件查询主要在主程序中进行，通过查询各个标志位，就可知道那个中断发生相应，并执行相应中断函数。
MSP430F149具有丰富的中断设置，可方便满足设计要求。本设计主要用到的中断主要有以下几方面：
（1） UARTA接收中断。接收热量表数据。
（2） UARTB接收中断。接收来自集中器的命令数据。
（3） TIMERA0中断。用于按照传输响应定时接收数据帧。
（4） TIMERA1中断。用于定时间隔发送数据帧。
（5） P1INPUT中断。外部中断、按键查询、掉电查询以及外接电源。
（6） ADC12中断。锂电池电压A/D转换完成。
采集器主程序流程如图4所示，首先进行各个驱动功能初始化（时钟初始化、LCD初始化、串口初始化、A/D转换初始化、I/O初始化、中断初始化），然后进行电池电压检测判断锂电池电量判断，首页显示，按键判断，读表判断，上传数据到集中器判断，进入低功耗等待中断唤醒。
3.2 采集器软件设计
集中器主要对数据进行汇总和传输作用，程序主要采用中断响应和程序查询的方式。部分程序设计思想与采集器相似，本节主要对串口中断数据接受发送程序和GPRS程序做介绍。
3.2.1 收发程序设计
集中器串口中断流程图如图5所示，接收数据时，当收到前导字符0xFE或者起始符时开始接收，接收到0x68时数据开始移入到缓冲中，接收完成的判断根据数据长度进行判断。接收完成以后进行数据校验，检测到校验和、偶校验或格式出错，均应该放弃该信息帧，校验完成以后数据移入保存。发送数据时，当接收到发送数据请求时，开始发送数据。由于STC12C5A60S2不支持硬件上偶校验发送，故先把数据送到累加器中，获得数据奇偶标准位P，如果是偶校验P移入串口发送第9位，奇校验则取反移入，并把累加器中数移入到串口发送缓冲器中。
图4 采集器主程序流程图
3.2.2 GPRS程序实现
本次数据传输使用的透明传输协议的GPRS DUT模块，无线DTU（Data Terminal Unit）能够稳定地进行数据的双向传输，而且此DTU具有自身检测功能，因而数据传输的可靠性高。只需进行相应配置，即可选择需要的工作模式。DTU支持通过串口、短信、数据中心进行协议配置。通过串口使用AT指令，可以方便地实现自动的机器配置。命令格式如表1所示。
表1 DTU的命令格式
通过配置串口发送+++，DTU则会回答in set mode
数据通过GPRS通道传输都遵循这一原则：对数据进行AT Command相关包装、发送数据、接收后进行AT Command解析、数据传到上层、解析数据。集中器数据接收和发送通过串口进行。以接收数据为例。GPRS数据接收流程如图6所示。
图5 串口中断流程图
图6 GPRS数据接收流程图
4 结 语
本文提出并设计了一种系统结构简洁、数据传输可靠的能源管理系统。该系统采用典型的三层结构，即：
（上接第63页）
数据采集层、传输层、管理层，分别用采集器、集中器和上位机管理软件来实现相应功能。本系统的特点是集中器和采集器之间通过无线通信模块相连，而且采集器硬件设计上采用了低功耗的设计思想，能够很好的保证系统的连续稳定工作。采集器既起到单元内数据采集功能，又具有中继功能，增加了系统的稳定性。经试验测试，达到了设计效果，数据传输准确，是一种较为理想的能源管理系统解决方案。
参考文献
[1] 曾乃鸿.当前自动抄表技术的现状和展望[J].华东电力，2001（1）：57?58.
[2] 张平泽，赵振勇.远程抄表系统通信技术的应用[J].电工电气，2010（1）：41?42.
[3] 唐伟，张建波，范文宾.基于GPRS技术的远程抄表系统设计[J].电力系统通信，2004（11）：37?38.
[4] 韩晓萍，邵宏强，李佰国.GPRS技术在电力远程抄表系统中的应用[J].电子测量与仪器学报，2005（19）：81?82.
[5] 李昱.电力线远程抄表系统技术规范的研究[D].保定：华北电力大学，2009.
[6] 刘进波.基于多种通讯方式的城市热网调度管理系统[J].水力发电，2012（11）：3?4.
[7] KHALIFA Tarek， NAI Kshirasagar， NAYAK Amiya. A survey of communication protocols for automatic meter reading applications [J]. IEEE Journal， 2011， 1（13）： 169?151.
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[9] ZHOU Qiang， ZHANG Shi?qing. A wireless meter reading system based on GPRS [J]. Instrumentation Technology， 2009（1）： 34?37.
[10] 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2003.
由以上所述确定程序设计的结构为中断响应软件查询。中断响应是及时响应外来信息，并作相应的标记，关中断，启动软件查询，达到快速响应中断的目的；而软件查询主要在主程序中进行，通过查询各个标志位，就可知道那个中断发生相应，并执行相应中断函数。
MSP430F149具有丰富的中断设置，可方便满足设计要求。本设计主要用到的中断主要有以下几方面：
（1） UARTA接收中断。接收热量表数据。
（2） UARTB接收中断。接收来自集中器的命令数据。
（3） TIMERA0中断。用于按照传输响应定时接收数据帧。
（4） TIMERA1中断。用于定时间隔发送数据帧。
（5） P1INPUT中断。外部中断、按键查询、掉电查询以及外接电源。
（6） ADC12中断。锂电池电压A/D转换完成。
采集器主程序流程如图4所示，首先进行各个驱动功能初始化（时钟初始化、LCD初始化、串口初始化、A/D转换初始化、I/O初始化、中断初始化），然后进行电池电压检测判断锂电池电量判断，首页显示，按键判断，读表判断，上传数据到集中器判断，进入低功耗等待中断唤醒。
3.2 采集器软件设计
集中器主要对数据进行汇总和传输作用，程序主要采用中断响应和程序查询的方式。部分程序设计思想与采集器相似，本节主要对串口中断数据接受发送程序和GPRS程序做介绍。
3.2.1 收发程序设计
集中器串口中断流程图如图5所示，接收数据时，当收到前导字符0xFE或者起始符时开始接收，接收到0x68时数据开始移入到缓冲中，接收完成的判断根据数据长度进行判断。接收完成以后进行数据校验，检测到校验和、偶校验或格式出错，均应该放弃该信息帧，校验完成以后数据移入保存。发送数据时，当接收到发送数据请求时，开始发送数据。由于STC12C5A60S2不支持硬件上偶校验发送，故先把数据送到累加器中，获得数据奇偶标准位P，如果是偶校验P移入串口发送第9位，奇校验则取反移入，并把累加器中数移入到串口发送缓冲器中。
图4 采集器主程序流程图
3.2.2 GPRS程序实现
本次数据传输使用的透明传输协议的GPRS DUT模块，无线DTU（Data Terminal Unit）能够稳定地进行数据的双向传输，而且此DTU具有自身检测功能，因而数据传输的可靠性高。只需进行相应配置，即可选择需要的工作模式。DTU支持通过串口、短信、数据中心进行协议配置。通过串口使用AT指令，可以方便地实现自动的机器配置。命令格式如表1所示。
表1 DTU的命令格式
通过配置串口发送+++，DTU则会回答in set mode
数据通过GPRS通道传输都遵循这一原则：对数据进行AT Command相关包装、发送数据、接收后进行AT Command解析、数据传到上层、解析数据。集中器数据接收和发送通过串口进行。以接收数据为例。GPRS数据接收流程如图6所示。
图5 串口中断流程图
图6 GPRS数据接收流程图
4 结 语
本文提出并设计了一种系统结构简洁、数据传输可靠的能源管理系统。该系统采用典型的三层结构，即：
（上接第63页）
数据采集层、传输层、管理层，分别用采集器、集中器和上位机管理软件来实现相应功能。本系统的特点是集中器和采集器之间通过无线通信模块相连，而且采集器硬件设计上采用了低功耗的设计思想，能够很好的保证系统的连续稳定工作。采集器既起到单元内数据采集功能，又具有中继功能，增加了系统的稳定性。经试验测试，达到了设计效果，数据传输准确，是一种较为理想的能源管理系统解决方案。
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MSP430F149具有丰富的中断设置，可方便满足设计要求。本设计主要用到的中断主要有以下几方面：
（1） UARTA接收中断。接收热量表数据。
（2） UARTB接收中断。接收来自集中器的命令数据。
（3） TIMERA0中断。用于按照传输响应定时接收数据帧。
（4） TIMERA1中断。用于定时间隔发送数据帧。
（5） P1INPUT中断。外部中断、按键查询、掉电查询以及外接电源。
（6） ADC12中断。锂电池电压A/D转换完成。
采集器主程序流程如图4所示，首先进行各个驱动功能初始化（时钟初始化、LCD初始化、串口初始化、A/D转换初始化、I/O初始化、中断初始化），然后进行电池电压检测判断锂电池电量判断，首页显示，按键判断，读表判断，上传数据到集中器判断，进入低功耗等待中断唤醒。
3.2 采集器软件设计
集中器主要对数据进行汇总和传输作用，程序主要采用中断响应和程序查询的方式。部分程序设计思想与采集器相似，本节主要对串口中断数据接受发送程序和GPRS程序做介绍。
3.2.1 收发程序设计
集中器串口中断流程图如图5所示，接收数据时，当收到前导字符0xFE或者起始符时开始接收，接收到0x68时数据开始移入到缓冲中，接收完成的判断根据数据长度进行判断。接收完成以后进行数据校验，检测到校验和、偶校验或格式出错，均应该放弃该信息帧，校验完成以后数据移入保存。发送数据时，当接收到发送数据请求时，开始发送数据。由于STC12C5A60S2不支持硬件上偶校验发送，故先把数据送到累加器中，获得数据奇偶标准位P，如果是偶校验P移入串口发送第9位，奇校验则取反移入，并把累加器中数移入到串口发送缓冲器中。
图4 采集器主程序流程图
3.2.2 GPRS程序实现
本次数据传输使用的透明传输协议的GPRS DUT模块，无线DTU（Data Terminal Unit）能够稳定地进行数据的双向传输，而且此DTU具有自身检测功能，因而数据传输的可靠性高。只需进行相应配置，即可选择需要的工作模式。DTU支持通过串口、短信、数据中心进行协议配置。通过串口使用AT指令，可以方便地实现自动的机器配置。命令格式如表1所示。
表1 DTU的命令格式
通过配置串口发送+++，DTU则会回答in set mode
数据通过GPRS通道传输都遵循这一原则：对数据进行AT Command相关包装、发送数据、接收后进行AT Command解析、数据传到上层、解析数据。集中器数据接收和发送通过串口进行。以接收数据为例。GPRS数据接收流程如图6所示。
图5 串口中断流程图
图6 GPRS数据接收流程图
4 结 语
本文提出并设计了一种系统结构简洁、数据传输可靠的能源管理系统。该系统采用典型的三层结构，即：
（上接第63页）
数据采集层、传输层、管理层，分别用采集器、集中器和上位机管理软件来实现相应功能。本系统的特点是集中器和采集器之间通过无线通信模块相连，而且采集器硬件设计上采用了低功耗的设计思想，能够很好的保证系统的连续稳定工作。采集器既起到单元内数据采集功能，又具有中继功能，增加了系统的稳定性。经试验测试，达到了设计效果，数据传输准确，是一种较为理想的能源管理系统解决方案。
参考文献
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