应用GPRS通信方式的用电信息采集现场手持设备设计研究

王险峰 曲直 李蒙 韩冬

【摘要】 为了简化现场工作流程，提高工作效率，根据多年现场调试经验，设计出了一款具备GPRS通信能力的、采用分体式设计的“用电信息采集现场手持设备”，用于智能电网用电信息采集系统相关产品的现场管理、远程调试、故障诊断。

【关键词】 GPRS 376.1通信规约 手持设备 嵌入式系统

Research on the design of the handheld device for electricityinformation collection that uses the application of GPRS communication Abstract：In order to simplify fieldwork process and improve work efficiency， based on years of field debugging experience， we developa "handheld device forelectricityinformation collection" thathas the GPRS communication ability and uses the split design method. It is designedfor the field management，remote debugging and fault diagnosis for the related products of electricityinformation collectionsystem for Smart Grid.

Key words： GPRS； 376.1 communication protocol； handheld device； embedded system

近年来符合国网新标准的智能电表和采集终端已大量安装使用，而且已基本实现自动抄表。但在实际应用中，每个台区总会有少量电表不能自动采集数据，这就需要工程人员现场进行故障排查。

作为必不可少的系统调试维护设备之一，传统的采用手持机+连接线+抄控盒的方式，不便于现场实际应用和携带，且此套设备只能解决小部分问题，更多问题需要借助电脑以及专业软件进行分析解决。

此外，根据现场操作人员的需求调研：

（1）北方地区冬天操作要戴手套，用按键操作较方便，同时要能单手操作；

（2）屏幕不宜过大。因为该设备往往与螺丝刀等电工用品放在一起，容易被尖锐物品损坏；

（3）抄表员年龄偏大，系统操作要求简单容易理解；

（4）电池待机时间要长，同时电池要为可拆卸模式；

（5）掌机要能兼容其他载波厂家抄控器。

可见，实际操作中，对于便携、简单及续航要求较高，而界面的华丽、外观的精巧反而要求不高。

针对以上需求，本文开发设计了一款具备GPRS通信能力的、采用分体式设计的用电信息采集设备。该设备能够充分利用移动GPRS网络，把办公地点延伸到工作现场，使得现场人员能够随时随地的调取服务器、现场终端和电表数据，为现场调试和维护提供现代化的手段。同时，该设备能够用于实现现场故障表计排查、台区故障定位、主站失败表计统计、表杆GPS定位等功能。

一、 GPRS通信方式及其优势

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称[1]，是在现有的全球移动通信系统GSM（Global system for Mobile communication）基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统[2]。

GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换话音业务信道极其相似[3]。因此，现有的基站子系统（BBS）从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GPRS特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP，可以用于Internet连接、数据传输等应用。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多用户共享，资源被有效的利用。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线并且数据按流量计费，迅速降低了服务成本[4]。

GPRS 用于电力系统远程抄表具有多方面的优势[5]：

（1）覆盖范围广

GPRS在现有的GSM基础上进行升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以使用户数据终端方便、快速、低成本的远程接入网络；

（2）永久在线

提供实时在线功能。“实时在线”或“永久在线”即用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速；

（3）快捷登陆

接入时间短，GPRS接入等待时间短、可快速建立连接、一般耗时为1到3秒；

（4）高速传输

同时使用8个时隙，数据传输速度最高理论值可达171.2kbps，是GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384kbps，完全可以满足应用需求；

（5）按流量计费

用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使在线，也不收费；

（6）投入低廉

随着移动通信的快速发展，GPRS终端的价格在很短的时间内已经降到了可以接受的水平，相对于铺设有线监控网络，成本不高。

通过GPRS通信方式，手持设备可以方便的连接主站采集系统，实时的与主站交互数据。利用手持设备的GPRS模块，现场人员能够随时随地的调取采集主站、现场终端、以及电表的数据，进行远程操控，打破工作地点固定的局限性，为现场的调试和维护提供了更加灵活便捷的方式。

二、 手持设备功能的实现

为了实现手持设备的各项功能，对现有主流嵌入式开发平台做了比较分析，最终选定利用高速ARM11做为主CPU，该芯片具有接口丰富，内存大，运行稳定，开发简单等特点，通过外围电路的配合可达到预订目标。嵌入式操作系统选用工业上应用较广泛的Windows CE，应用层采用嵌入式C#开发语言。

2.1 硬件部分

选用三星S3C6410处理器，基于ARM11架构，该芯片大小为13x13mm，424管脚。

S3C6410是一个16/32位RISC微处理器，旨在提供一个具有成本效益、功耗低、性能高的应用处理器解决方案。S3C6410采用了64/32位内部总线架构，该64/32位内部总线结构由AXI、AHB和APB总线组成。它还包括许多强大的硬件加速器，像视频处理、音频处理、二维图形、显示操作和缩放。

S3C6410有一个优化的接口连线到外部存储器。存储器系统具有双重外部存储器端口、 DRAM和FLASH /ROM/ DRAM端口。 DRAM的端口可以配置为支持移动DDR、DDR、移动SDRAM和SDRAM。FLASH/ROM/DRAM端口支持NOR-FLASH、NAND-FLASH、ONENAND、CF、ROM类型外部存储器和移动DDR、DDR、移动SDRAM和SDRAM。

为减少系统总成本和提高整体功能，S3C6410包括许多硬件外设，如一个相机接口，TFT 24位真彩色液晶显示控制器，系统管理器（电源管理等），4通道UART，32通道DMA，4通道定时器，通用的I/O端口，IIS总线接口，IIC总线接口，USB主设备，在高速（480 MB/S）时USB OTG操作，SD主设备和高速多媒体卡接口、用于产生时钟的PLL。

2.2 软件部分

Windows CE是微软公司推出的一个为多种嵌入式系统和产品而设计的紧凑、高效、可升级的嵌入式操纵系统。具有抢先式多任务功能、良好的实时性能、强大的通信能力、出色的图形用户界面。它还有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆（Heap）等。其模块化和可伸缩性设计使嵌入式系统开发者和应用程序开发者能够根据多种不同产品进行定制。例如，用户电子设备、专用工业控制器以及嵌入式通信设备等。Windows CE已支持广泛的微处理器体系结构，包括ARM、MIPS、SHx和x86四大系列CPU架构及超过200种品牌的CPU。

C#是一种面向对象的编程语言，主要用于开发可以在.NET平台上运行的应用程序，C#是从C和C++派生出来的一种简单、现代、面向对象和类型安全的编程语言，其语言体系都构建在.NET框架上，并且能够和.NET框架完美结合。C#具有以下突出的优点：

（1）语法简单：不允许直接操作内存，去掉了指针操作；

（2）彻底的面向对象设计：C#具有面向对象语言所应有的一切特征，即：封装、继承和多态；

（3）强大的安全机制：可以消除软件开发中的常见错误（如语法错误），提供的垃圾回收器能够帮助开发者有效的管理内存资源；

（4）完善的错误、异常处理机制：C#提供了完善的错误和异常处理机制，使程序在应用交互时能够更加强壮。

因此，本文手持设备嵌入式操作系统选用工业上应用较广泛的Windows CE，应用层采用嵌入式C#开发语言。

3 手持设备功能及技术特点

针对现场的功能需求，设计的手持设备具有如下功能：

（1）分离式设计：抄控器板与主板分离，便于能够兼容其他载波厂家方案；

（2）抄控器模块：用于低压电力线载波抄表；

（3）GPRS模块：用于进行数据上报、网络连接；

（4）GPS模块：用于进行表杆、表计位置定位；

（5）蓝牙模块：用于无线连接终端调试；

RS232模块：用于与集中器串口通信；

（6）USB模块：用于可插拔优盘；

（7）红外模块：用于红外通信；

（8）Micro-SD卡：用于数据存储；

（9）电源模块：用于整个终端设备供电。

手持设备整个系统架构的原理框图如下：

手持设备的技术特点如下：

（1）电能表故障诊断，可现场通过红外、RS485、载波等方式和电能表进行通信，快速诊断电能表故障。

（2）GPRS通信故障诊断，可通过本机诊断GPRS通信模块的常见故障。

（3）数据交互功能，本机可通过Web Service接口或中间数据库和主站系统进行数据交换。

（4）多载波一体化，各种载波方案抄控器模块可直接插入本机，实现一机多用，载波接口为标准的单相智能电表载波模块接口。

（5）扫描功能，可选配Symbol激光扫描模块，实现一维码扫描。

（6）定制功能，本机是一个开放Windows CE平台，具备常见的各种通信接口，以及丰富的内存（128MBytes）、FLASH空间（256Mbytes NandFlash，2-32G SD卡）。

四、总结

随着国网公司对采集质量的不断提高，各局对后期维护的需求急剧增加，局里采集人员对应用简单、界面友好的手持设备用以解决现场问题有着极大的需求。在此背景下，开发设计了一款应用GPRS通信方式的、采用分体式设计的用电信息采集现场手持设备。该设备能够充分利用移动的GPRS数据网络，把工作地点延伸到现场，使得现场维护人员能够方便的获取主站采集系统、现场终端、以及电表的数据，极大地简化了后期维护的工作流程，提高了工作效率。并且该手持设备还能够用于实现现场故障表计排查、台区故障定位、主站失败表计统计、表杆GPS定位等功能设计需求。

参 考 文 献

[1]R. J. BudBates.通用分组无线业务（GPRS）技术与应用.朱洪波等译.北京：人民邮电出版社，2004： 105-130

[2] 李惠宇，罗小莉，于盛林. 一种基于GPRS的配电自动化系统方案[J]. 电力系统自动化，2003， 27（24）： 63 - 66.

[3] Cai J. General Packet Service in GSM[J]. IEEE Communication，1997，122-131

[4] 文志成. 通用分组无线业务-----GPRS. 北京：电子工业出版社，2004.

[5] 包东智，赵劲松，夏军.GPRS技术概述.电信网技术[J].2001（6）：4-6