双向用电信息发布系统设计

2015-01-17董海波张海鹏于仲华赵高建

电子设计工程 2015年1期

董海波，冯帆，张海鹏，于仲华，赵高建

（1郑州华力信息技术有限公司河南郑州 450006；2国网郑州供电公司河南郑州 450006）

良好的服务是电力行业永恒的主题。提高居民用电质量，让人民群众享受到优质、高效、便捷的供电服务，是电力行业义不容辞的责任。随着人民群众生活水平的不断提高，对供电部门的供电服务质量需求也越来越高，城市规模的不断扩大伴随着用电用户的激增也给供电部门的服务质量带来极大的挑战。服务好用户，减少用户投诉，是供电部门努力追求的目标。在突发故障情况下，现有的服务体系已经不能满足群众的迫切需要。

目前在居民用电的服务工作中，故障停电抢修、计划停电检修、电费抄收催缴等服务还存在问题，涉及到用户信息获知这方面还不够完善，造成信息通告工作无法满足用户需求：

1）故障停电信息反馈不及时，故障停电受影响区域面积不能及时确定。

2）计划停电中服务信息针对性差，比如公共途径发布的停电信息不一定能让真正受影响的用户获知。

3）电费抄收催交，人工通知催交造成用户服务信息获知速度慢，或获知信息不全。

4）在大面积停电或者故障时，受影响的用户无法获知准确信息，集中拨打服务热线95598造成线路拥塞，降低服务质量。

5）不能及时安抚停电区域群众的情绪，造成投诉量激增。

为此，我们开发了双向用电信息发布系统，它不但具备远程实时信息发布功能，还可以实时收集现场信息。它的信息发布功能既可以发布通用信息，如用电常识、安全提醒、天气预报等，又能根据设备位置发送特定的用电服务信息，如计划停电信息、故障停电信息和提醒交费信息等。现场信息收集通过每一台前置终端的市电监测、终端监测等传感器，将现场的供电、终端工作状态情况上传到主站服务器，通过系统分析，能在第一时间内获取设备所在区域的供电情况，比如是线路整体停电或者是个别停电；是单线路停电或者是多线路停电等，并根据停电计划进行分析，如果是非计划停电，在第一时间向故障区域内的显示设备发布警示安抚信息，通知相关的检修部门进行故障处理，极大缩短故障派修时间。

1 系统概述

双向用电信息发布系统主要由服务器主站和现场终端两部分组成，服务器主站由可靠的服务器、数据库和web工作站等组成，主站管理软件运行在服务器上，并将终端上传数据和用户下发数据分别存储在数据库内，另外有权限用户还可以根据权限进行数据查询，发布信息和系统管理。现场终端主要完成数据处理显示与信息采集，包括视频摄像头、LED显示屏、人机接口、市电检测和扬声器等功能模块的管理，并通过无线GPRS模块借助移动通信网络，完成远程与主站的数据通信。总体设计如图1。

1.1 服务器主站功能简介

服务器主站主要功能是管理各现场终端、信息分析发布和数据共享。

终端管理包括终端的运行状态是否正常，各功能模块的运行情况，比如视频摄像头、LED信息显示屏、人机交互、市电检测、扬声器等模块的工作状态。现场终端会定时向主站服务器回传终端本身以及各模块的工作状态信息，这样可以实时监控现场设备的工作情况。当有终端或模块发生故障时，服务器主站会产生报警信息通报管理员，从而让相关人员能够及时了解现场情况，采取主动措施进行现场维修。

图1 系统总体设计图Fig.1 Overall system design

主站还会根据实际情况主动发布信息，当有计划停电信息需要发布时，可以主动发送计划停电信息到指定终端的LED信息显示屏。如果有故障停电时，终端市电检测模块就会主动发出停电报警信息给主站，主站会综合各种停电报警，进行信息分析判断停电原因，是个别停或是线路停电，采取资源调配及时抢修，并发布安抚信息以及停电原因和维修情况。

服务器主站管理通过权限划分，主要分为管理员和授权用户。管理员统管整个系统，它有最高权限，可以做任何工作。授权用户，只有有限管理权限。另外主站通过自身和其他系统的接口，进行数据共享，对营销系统、客服系统、配调系统等互相提供数据服务和支持。

1.2 现场终端功能简介

现场终端主要完成信息发布和数据采集工作，并通过GPRS无线通信技术与服务器主站进行信息实时交换。

信息发布的主要模块是LED显示屏和扬声器，终端通过GPRS模块收到主站的指令和数据，通过LED显示屏把告知信息滚动显示出来，它还可以根据指令把数据转换成语音信息通过扬声器进行广播。本系统在设计时，专门配备了一块大容量锂电池，做为保障停电时的紧急供电系统，它可以在停电后继续保证工作2小时以上的时间，完全能够准确的完成信息实时发布功能。

数据采集的基本功能是市电检测，如故障停电时，市电检测模块就会感知并产生报警信号，终端会把停电信息通过GPRS及时传回服务器主站。人机交互功能是数据采集的扩展功能，可以现场采集用户对供电服务的满意度调查，它设置了非常满意、满意、一般、差等调查内容，用户可以根据自己的用电体验来对供电服务进行评价。通过人机交互功能系统可以统计出供电服务中的不足，从而进一步提高服务质量。

2 硬件设计简介

双向用电信息发布系统现场终端采用意法半导体的32位ARM控制器，作为主信息处理单元。并结合电源、GPRS通信、LED显示屏、市电检测，扬声器等功能模块完成用电信息的发布与现场数据采集。功能框图如图2所示。

图2 功能框图Fig.2 Functional block diagram

2.1 供电电源

电源电路采用外接市电和锂电池供电两种方式。市电220VAC转5VDC的开关电源输出电流10 A，电池用12.3 AH的锂电池。在有市电的情况下系统用市电供电，还可以给锂电池充电，没有市电的情况下自动零延时切换到电池供电。并且保证在没有市电的情况下整个系统还可以持续工作2个小时以上。

2.2 主控制器

主CPU采用72M主频的STM32F103，10KB SRAM内存，64K ROM Flash程序存储器和3个UART等外设接口组成。STM32F103基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM?Cortex-M3内核。它主要完成各模块的信息收集与处理工作。

2.3 无线GPRS通讯

GPRS采用有方的M590E是一款SMD类型的GSM/GPRS四频模块，M590E基于工业标准接口，支持GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz的语音、短信、数据传输和传真等功能，具有小尺寸、低功耗的特点。它是现场设备与主站软件信息交换的通道，实现远程对各个功能的管理。

2.4 停电检测

220 V市电电源检测模块，直接接入市电220 V交流电压。当有交流电时，模块会产生一个持续高电平；当市电停电时，模块没有220 V交流电压接入，此时模块输出持续低电平产生报警信号。

2.5 LED显示屏

它是本系统主要的显示功能模块，采用的是P10的户外高亮红绿双色LED显示屏单元板设计，可以显示红色、绿色、黄色等字体颜色。它的主要功能是把主控设备发送过来的内容显示出来，比如本系统经常要用到的（停送电信息、紧急通知、服务性提醒信息等）。并且它带有状态检测功能，当显示屏本身发生故障时，检测模块检测到故障10秒钟后向主控设备报警；当检测到显示屏体故障排除时，检测模块立即把恢复正常OK指令发送到主控设备。这样系统就能实时跟踪设备工作状态，以提高设备工作的可靠性。

2.6 语音广播

有些信息需要通过语音播放提示的，终端会通过主站语音指令把数据转换成音频信息通过扬声器进行广播。数据信息转换成音频信息，本系统采用的是合肥讯飞数码科技有限公司高性价比的中文语音合成芯片XFS3031CNP，是业界最好的中文语音合成芯片，合成的语音具有音色甜美、音质优异、顺畅自然等突出优势，芯片采用LQFP64封装，方便集成。

CPU主控设备主要完成信息的收集分析处理工作。当主站通过GPRS模块下发显示内容时，它会把显示内容及时准确的发布到LED显示屏上。如果下发的是语音指令时，内容会被转换成语音进行广播。并且存储主站下发数据和设备参数到内部FLASH存储器中，以备后续调用与查询。当220V电源检测模块产生停电报警、LED屏状态检测模块发生故障报警或产生人机交互信息时，终端会在30秒内及时把信息回传主站。

3 软件设计简介

3.1 主站软件设计

双向用电发布系统主站采用TCPServer模式，采用IOCP技术可以支持几千个终端实时连接通讯，现场终端通过GPRS连接服务器。现场终端与服务端建立连接后，服务器收到连接信息后记录下终端地址和设备编号，现场终端定时发送心跳包至服务器，保障通讯的及时可靠。

系统完成启动后就会一直等待终端连接，服务器会把每一个终端连接情况记录在数据库内，如果有终端产生了停电报警信息时，服务器会记录它的发生时间及停电具体地址，并把报警信息存入SQL数据库方便以后查询，及时把报警信息通过短信、网络、web页面等多种方式报知管理员，管理员会协调其它系统进行分析数据，及时通知维修部门快速维修。

当有计划停电信息需要发布时，其他系统比如营销系统、客服系统、配调系统都可以通过本系统接口，将计划信息发给指定终端；如果是区域性停电信息，则可以进行信息群发处理。外联系统还可以通过服务接口实现数据共享，如客服系统可以直接通过服务接口，及时获取停电地址、停电原因、停电时间等信息。软件流程如图3所示。

图3 主站软件流程图Fig.3 Master software flow

3.2 现场终端程序设计

终端程序设计如图4所示。系统上电后，首先对系统时钟和各功能模块初始化，设定工作状态，通过GPRS模块主动连接指定服务器。

图4 终端程序流程图Fig.4 Terminal program flowchart

单片机完成启动后，开始对各功能状态进行检测，程序采用循环检测模式。当检测市电5次以上为停电状态时，将确定为停电并产生停电报警，报警信息由终端主动回传服务器主站，并把停电记录保存在存储器中。各模块的工作状态是否正常，系统会进行不断的检测，当出现LED显示保障时，终端会连续5次收到时ERR信息，或者10钟内没收到OK信息，都断定为显示故障。人机交互通过按键评价时，系统就会对按键信息进行编码：01H表示非常满意，02H表示满意，03 H表示一般，04H表示差。终端会主动把模块状态信息与交互信息打包上传至服务器。

信息发布通常是服务器主动发送的信息内容。如果是计划停电信息，服务器主站会主动下发显示停电指令，终端会根据指令把内容显示在LED显示屏上，主站下发语音信息指令时，信息会被终端根据指令转换成语音数据通过扬声器进行广播。如果是故障停电发生时，终端先把故障停电报警上传至服务器，服务器经过信息分析处理后，再下发特定的显示信息或语音信息给终端。终端程序循环运行，一直处于实时检测状态。