基于GPRS的无线采集终端开发

臧 峰 王江伟 赵 刚 陈 俊

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

基于GPRS的无线采集终端开发

臧 峰 王江伟 赵 刚 陈 俊

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

分散区域数据采集具有效率低、实时性差等缺点，因此设计了一种基于GPRS的数据采集控制终端。采用Freescale公司的MCF5213为核心处理器，结合华为公司的EM310无线发送模块,设计了无线采集终端的硬件结构。依据多状态、多任务的软件设计思想，详细阐述了GPRS的工作流程和对下数据采集监控功能。

GPRS 无线 MCF5213 EM310 数据采集 监控

0 引言

近几年我国经济发展突飞猛进,监控系统变得尤为重要[1]。作为监控系统的一个重要组成部分，电力抄表系统经历了数代产品的发展。目前，我国应用较多的几种抄表系统通信方式有：专用数据通信线路、电力线载波和无线通信方式[2]。现在普遍采用GPRS通信和Internet TCP/IP的传输[3]实现远程无线抄表功能。构建低压电力用户集中抄表系统，实现电力用户用电信息自动采集，是智能电网建设的重要组成部分[4]。

基于GPRS和单片机的电力监测仪表是实时在线电网监测系统的重要组成部分[5]。文献[1]和文献[6]介绍了GPRS在智能监控数据采集中的应用，文献[2]介绍了GPRS在无线抄表中的应用，文献[7]介绍了GPRS在民用电中反窃电的作用。本文介绍的无线采集终端集成了数据采集监控功能和无线抄表功能，并对文献[2]中无线抄表功能进行了扩展，通过配置文件支持3种智能电表数据的采集。同时，该终端具有流量计算功能，适用于钢铁、石油、煤炭等工业领域的应用，减少了仪表的采购与安装，降低了企业的运行成本。

1 系统总体方案

本文设计的无线采集终端是集成远距离采集和通信功能开发的一种终端装置。该装置用于采集现场的开入信号、4～20 mA信号，并支持通过RS- 485通信方式采集Modbus、DLT645和威胜电度表协议的智能仪表信号。经过规约转换后，通过广泛使用的GPRS，使用CDT规约与数据中心进行远距离无线通信，同时可以接收数据中心的遥控命令，实现对现场设备开关的远程控制。

GPRS无线通信网络不仅具有覆盖面广、可靠性高、组网简单和按量收费等优点，且GPRS通信模块具有动态分配IP地址的功能，可与分组数据网直接互通，有效提高了数据的传输速率和通信流量，特别适合分散、大批数据远程实时检测的场合。GPRS通信模块通过GPRS网关与Internet网络进行数据交互，由数据中心的上位机负责接收，从而实现运行数据可视化监测。

系统可广泛应用于以下场合：

① 大型工矿企业、大型钢铁企业的水、电、汽计量采集；

② 市政供暖管网计量、控制；

③ 水文、气象等环保领域数据采集；

④ 市政泵站、路灯等数据的采集和控制。

本文设计的无线采集终端集成了现在广泛使用的智能电表通信协议。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

2 硬件设计

硬件设计由输入电路和输出电路两部分组成。输入电路由电源回路、开入信号、4～20 mA输入和时钟信号等组成。输出电路包括灯控驱动电路、出口驱动电路和串口驱动电路。其中，灯控驱动电路驱动信号指示灯；出口驱动电路驱动输出继电器；串口驱动电路分成3路UART信号，分别用于调试接口、GPRS模块和外部智能电表进行通信。

输入电路和输出电路都与主控芯片MCF5213进行通信。程序根据输入信号和逻辑判断进行相应输出信号的处理。

主控芯片MCF5213和GPRS模块的设计是本文设计的无线采集终端硬件的核心。

2.1 主控芯片

系统硬件结构设计如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Structure of the hardware

MCF5213是Freescale半导体公司Coldfire系列嵌入式微处理器中一款低成本、低功耗的32位芯片。它作为主控制器MCU，具有3个UART接口、256 kB嵌入式闪存、32 kB的静态RAM和A/D转换功能，最高频率达到80 MHz。由于MCF5213具有丰富的外围接口和低廉的价格，在工业控制领域得到了广泛的应用。3个UART接口可以设计成调试接口、与GPRS通信接口和与智能电表通信接口。A/D转换功能用于采集4～20 mA信号，256 kB嵌入式闪存可以用于存储运行代码和配置文件。因此，本文采用MCF5213作为主控芯片实现与GPRS模块和智能电表的通信。

2.2 GPRS模块

GPRS模块是无线采集终端的核心模块，完成所有GPRS接入连接和通信的功能[8]。本系统采用的是华为公司推出的EM310模块。该模块为用户提供了完备的用户接口，只需要调用这些接口就可以把GPRS通信功能集成到自己的系统应用中。EM310模块提供标准的RS-232接口，通过这个接口可以实现串行通信和AT指令的输入。

3 软件设计

本文设计的无线采集终端实现了现场开入信号、4～20 mA信号采集，同时实现了与现场各种智能仪表的RS- 485通信，完成规约转换技术及转发功能。

为了方便各个模块间进行数据交换，定义了一个全局数据区。全局数据区用于存放通过通信模块、数据接口采集到的数据，并将数据提供给GPRS模块。无线采集终端对下通信模块支持Modbus、DLT645和威胜协议。通过配置工具可以实现对这三种协议数据采集功能的详细配置，并根据配置将采集到的数据存储到全局变量区中,供GPRS模块使用。对上支持CDT通信规约，可以通过配置软件选择不同规约。为了减少配置复杂度，对上规约模块采用免配置方式，采用默认的规约配置上送数据。

3.1 GPRS软件设计

GPRS通信是通过AT指令来实现的。AT指令集是从终端设备向终端适配器发送的。终端设备通过串口操作发送的都是以“AT”为开头的AT指令字符串[9]，通过发送AT指令与移动GPRS网络交互，实现网络的建立和数据的传输。

本系统主要的设置工作如下。

① 查询无线发送模块状态：AT+CPAS。

② 查询SIM卡状态: AT%TSIM。

③ 查询GPRS网络状态: AT+CGREG。

④ 设置接入点网关：AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"，此命令设置GPRS接入点网关为移动梦网。

⑤ 无线数据发送功能：AT%IPSEND。通过此功能可以把无线采集终端对下接收的数据通过GPRS网络发送到数据中心。

GPRS模块内嵌了TCP/IP协议栈，当无线采集终端需要发送数据时，GPRS模块把这些数据打包成TCP/IP协议包，然后将其分装为GPRS分组数据包并发送到GPRS网络。此外，GPRS模块还可以接收从数据中心发送的控制命令，通过RS-232接口把这些命令传输到控制模块。

GPRS程序主要完成采集终端的硬件状态监测、GPRS网络的初始化、与控制模块的数据传输和与控制中心进行数据交互。GPRS工作流程图如图3所示。

图3 GPRS工作流程图Fig.3 Operation process of GPRS

3.2 数据采集设计

无线采集终端具有网关功能和流量计算功能，能够采集8路开入、2路4～20 mA输入，并将数据存储至全局数据区，同时接收遥控数据，动作输出继电器。

① 网关功能

无线采集终端具有网关功能，对下支持Modbus、DLT645和威胜智能电表协议。通过配置工具，可以实现对这三种协议数据采集功能的详细配置，并根据配置将采集到的数据存储到全局变量区中，供GPRS模块使用。数据采集流程如图4所示。

图4 数据采集流程图Fig.4 Flowchart of data acquisition

② 流量计算功能

无线采集终端具有2路4～20 mA信号输入，可以用于涡街、涡轮、电磁等类型流量计通过4～20 mA变送输入的流量计算。其中，体积流量公式为：

Qv=RvIv

(1)

质量流量公式为：

Qm=ρ1Qv

(2)

式中：Iv为输入信号，mA；Rv为体积流量量程，即20 mA满量程对应的采集量；ρ1为工况密度，kg/m3。

累加算法：

Y(t)=Y(t-1)+K[Q(t)+Q(t-1)]T/2

(3)

式中：Q(t)为瞬时流量；Q(t-1)为上一时刻的瞬时流量，m3/h；Y(t)为累计流量；Y(t-1)为上一时刻的累计流量，m3；T为采样周期，默认0.5s；K为累计系数，默认为3 600。

4 结束语

采用基于GPRS无线采集终端进行远程数据的采集和控制，既便利又节省了成本。系统集成了网关功能，能够采集智能电表数据，具有远程抄表功能。依据本文方案开发的无线采集装置已在山东某项目中装配了三百多台，系统运行稳定，大大减少了人力抄表的成本和时间，而且数据可以集中管理和存储，具有良好的推广应用前景。

[1] 甘家锦,李泽滔.基于GPRS的无线智能监控系统[J].云南大学学报：自然科学版,2009,31(S2):317-320.

[2] 韩晓萍,邵宏强，李佰园.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(4)：81-84.

[3] 杨梅,李康,孔凡敏，等.基于GPRS通信的配电网无功功率自动测控系统[J].自动化仪表,2009，11(30):29-33.

[4] 陈晓娟,李松寒，隋吉生.基于PFC和GPRS的远程自动抄表系统设计[J].自动化仪表,2012,33(11)：48-50.

[5] 卢刚,程显蒙.基于GPRS和AT89C52的远程电力监测系统设计[J].自动化仪表,2008,29(11):40-42.

[6] 吴芳,刘亚利,马昌喜.基于GPRS的危险货物仓储环境实时监测系统[J].北京理工大学学报,2013,33(8):806-810.

[7] 赵杏梅.浅谈GPRS远程抄表系统在反窃电中的应用[J].科技资讯,2011(14):45.

[8] 谭保华,周俊,陈睿，等.一种基于GPRS的远程温度采集系统设计[J].仪器仪表学报,2007,28(4):253-256.

[9] Chen Yuan，Zhang Jing，Huang Lifeng.Study on dangerous goods logistics model based on RFID and GPRS[J].Packaging Engineering，2008，30(5):24-26.

Development of the Wireless Data Acquisition System Based on GPRS

Dispersed regional data acquisition features low efficiency and poor real time performance, thus the data acquisition and control terminal based on GPRS has been designed. The MCF5213 from Freescale is adopted as the core processor; the hardware structure of wireless acquisition terminal is designed combining with the wireless transmission module EM310 from Huawei. On the basis of software design concept of multi-state and multi-task, the operational process of GPRS and the data acquisition monitoring functions are described in detail.

GPRS Wireless MCF5213 EM310 Data acquisition Monitoring

臧峰(1983-)，男，2011年毕业于清华大学自动化专业，获硕士学位，工程师；主要从事电力系统自动化产品研发工作。

TP368+.2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506016

修改稿收到日期：2014-09-28。