通信技術(shù)、微處理器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的共同發(fā)展推動了智能電網(wǎng)的建設(shè)，實時用電采集系統(tǒng)的設(shè)計是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的重要組成部分。用電采集系統(tǒng)主要由主站、數(shù)據(jù)采集層和采集點設(shè)備層三部分組成。主站是整個系統(tǒng)管理控制中心，負責整個系統(tǒng)的信息采集和電能管理；數(shù)據(jù)采集層的主體是電能采集終端，負責對電能信息的采集、數(shù)據(jù)傳輸和執(zhí)行主站發(fā)送的命令；采集點是電能信息的采集源和監(jiān)控對象，包括電能表和相關(guān)測量設(shè)備。
     目前,對低壓非居民用戶和居民用戶的用電信息采集設(shè)備主要是集中抄表終端(包括集中器和采集器)，并以遠程無線通信(GPRS/CMDA)與主站完成數(shù)據(jù)交互。但在新舊電力設(shè)備轉(zhuǎn)換的階段，針對集中用戶和分散用戶、大用電戶和小用電戶在實際抄表中遇到一些問題，本文介紹了一種便攜式手抄系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案，可使電力管理部門更加方便地采集用電信息[1]。
1 手抄系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    該系統(tǒng)主要由手持終端和采集器兩部分組成。手持終端作為控制端不僅能完成對電能數(shù)據(jù)的抄收、存儲和顯示，而且能與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸并及時上傳至主站系統(tǒng)。采集器在整個抄表系統(tǒng)中起過渡作用，它根據(jù)手持終端發(fā)來的命令控制所管轄的電能表，負責收集和提供整個系統(tǒng)的原始用電信息，并把用電信息發(fā)送給手持終端，因此集中器要能夠同時與手持終端和電能表進行通信[2]。
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在正常情況下，手持終端通過采集器對電能表進行電能數(shù)據(jù)的抄收和參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)電能表地址對各個電能表的電能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析發(fā)送給上位機。但當采集器無法完成通信時，手持終端也可以通過紅外方式直接對電能表進行電能數(shù)據(jù)抄收與參數(shù)設(shè)置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    無線抄表系統(tǒng)由采集器和手持終端兩部分組成，綜合考慮本系統(tǒng)設(shè)計的需求選擇了意法半導(dǎo)體(ST)公司STM32系列的STM32F103RBT6作為本系統(tǒng)的主處理器。它基于Cortex-M3內(nèi)核,擁有的資源包括128 KB Flash、20 KB SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC(16通道)、RTC、DMA、4個16位定時器、51個可用的I/O腳等，因其有較高性能和豐富的資源，較好地滿足抄表系統(tǒng)的開發(fā)需求，所以選擇它作為主芯片[3]。
2.1采集器硬件設(shè)計
　采集器主要由微處理器、電源模塊、存儲模塊、485通信模塊、時鐘模塊和無線收發(fā)模塊組成，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。采集器與電能表通過RS485通信，根據(jù)用戶實際情況，采集器可以用于采集單個或多個電能表的電能信息。當采集器收到手持終端抄表命令時，對其連接的電能表進行電能數(shù)據(jù)采集并將這些數(shù)據(jù)進行存儲，然后通過無線將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給手持終端。

2.2手持終端硬件設(shè)計
    手持器終端是整個系統(tǒng)的控制端，它管理全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用，并與上位機進行數(shù)據(jù)交換，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    電源模塊由3 V的電池供電，并通過升壓型DC-DC芯片TPS60100和TPS60110產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的3.3 V和5 V電壓；時鐘是系統(tǒng)記錄事件和數(shù)據(jù)通信的時間依據(jù)，本設(shè)計采用低功耗、低成本、高精度的DS3231芯片，并通過400 kHz 的IIC總線接口與處理器相連；手持終端需要存儲和處理各類數(shù)據(jù)，因此選用了ATMEL公司的AT45DB642芯片來存儲，它具有8 MB的存儲空間，數(shù)據(jù)傳輸時鐘頻率達66 MHz，通過SPI串行口連接處理器；液晶選用北京集萃公司的SO160160—01ASWE，采用并口6800工作方式，并通過處理器GPIO控制液晶的顯示。DL/T645-2007通信協(xié)議規(guī)定紅外通信的載波頻率為38 kHz±1 kHz，故而采用適合此頻段的紅外發(fā)射管TSAL6200 和紅外接收管TSOP1838，發(fā)送脈沖調(diào)制采用三極管耦合，載波由PWM產(chǎn)生，并通過STM32的串口1完成通信。
2.3 無線收發(fā)硬件電路設(shè)計
    無線模塊作為采集器和手持終端的重要部分，本系統(tǒng)采用2.4 G通信的JF24C無線模塊。它整合了高頻鍵控(GFSK)收發(fā)電路的功能，以小體積實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達到1 Mb/s，具有快速跳頻、向前糾錯、循環(huán)冗余校驗等功能，可以在擁擠的ISM頻段中達到穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。JF24C采用SPI數(shù)字接口與STM32處理器連接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    JF24C提供了兩種方法來處理TX/RX數(shù)據(jù)包長度，一種是在JF24C微處理器內(nèi)自動檢測數(shù)據(jù)包長度，另一種是微處理器保持接收/發(fā)送狀態(tài)直到單片機終止發(fā)送和接收。JF24C微處理器可處理的數(shù)據(jù)包長度最高為255 B，本系統(tǒng)無線通信一幀數(shù)據(jù)長度小于255 B，所以選用JF24C微處理器內(nèi)自動檢測數(shù)據(jù)包長度。其中，TX的時序圖如圖5所示，RX的時序圖如圖6所示。

    在抄表通信中涉及到自動獲取電能表地址，目前根據(jù)DL/T645—2007通信協(xié)議，按以下搜索算法獲取電能表地址。用全AA的地址域抄電能數(shù)據(jù)量，如果接收到完整的回應(yīng)幀，則表明下面只接一只電能表，然后從地址域中得到該表的地址，跳出搜表循環(huán)；如果收到錯誤數(shù)據(jù)，則表明所接的電能表不止一只。然后將地址域低字節(jié)使用XX(00~99），其余高5 B使用AA地址抄讀表計電量。如果收到完整的回應(yīng)幀，則收到了一只表，此時將地址域低字節(jié)加1繼續(xù)抄表命令，直到出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)為止，記錄循環(huán)次數(shù)為N，此時表明所接的RS485表計地址在低位有相同的值XX+N。
　通信部分作為多功能無線抄表系統(tǒng)的核心，不僅完成數(shù)據(jù)的通信，而且為系統(tǒng)的合理有序運行提供可靠的保障。系統(tǒng)通過串口中斷接收數(shù)據(jù)。當接收到主站有效數(shù)據(jù)幀后,首先要檢驗從站地址正確與否，若非本站則可將該數(shù)據(jù)幀丟棄，若是本站則繼續(xù)檢驗控制碼、校驗碼等其他信息，確保接收到的數(shù)據(jù)幀的正確性，然后再進行數(shù)據(jù)幀的解析。非廣播命令則需要組織回應(yīng)數(shù)據(jù)幀，如果組織數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)錯誤，則需做出異常應(yīng)答，在完成回應(yīng)之后，返回等待主站下一次的通信命令。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1采集器軟件設(shè)計
　采集器作為手抄系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，不僅需要與電能表進行本地通信，還需要與手持終端進行無線通信。所以在整個系統(tǒng)中，采集器主要實現(xiàn)了手持終端與電能表之間的通信,并且對DL/T645通信規(guī)約進行解析和轉(zhuǎn)換。
　采集器程序流程如圖7所示。系統(tǒng)上電時初始化STM32外設(shè)，初始化JF24C無線射頻模塊，然后通過串口1中斷接收數(shù)據(jù)。當接收到手持終端的抄表命令時，向電能表發(fā)送命令并接收電能表返回的抄表數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)錯誤則重新給電能表發(fā)送抄表命令，如果正確則對電能數(shù)據(jù)通過串口2發(fā)送給手持終端，接著等待下一次抄表命令[5]。

    JF24C無線射頻模塊初始化流程圖如圖8所示。
4.2 手持終端軟件設(shè)計
　    為了能較好地完成系統(tǒng)的多任務(wù)處理，在STM32微處理器上嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)。在μC/OS-II實時操作系統(tǒng)下的程序設(shè)計可以將應(yīng)用程序分成相對獨立的多個任務(wù)，每個任務(wù)都有自己的優(yōu)先級，μC/OS-II內(nèi)核按照優(yōu)先級對這些任務(wù)進行調(diào)度和管理。 根據(jù)手持終端實現(xiàn)的功能，對系統(tǒng)任務(wù)進行分割, 并為各個任務(wù)分配優(yōu)先級。系統(tǒng)大致可分為如下幾個任務(wù)：RTC任務(wù)、按鍵檢測任務(wù)、LCD顯示任務(wù)、無線通信任務(wù)和紅外通信任務(wù)。如圖9所示，系統(tǒng)的總體程序設(shè)計以μC/OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，首先初始化STM32F103RBT6外設(shè)功能，然后創(chuàng)建各個功能模塊的應(yīng)用程序任務(wù)并合理分配優(yōu)先級，并按照優(yōu)先級對每一個任務(wù)進行處理[6]。

5 手抄系統(tǒng)測試
　    系統(tǒng)測試中采用一塊電能表通過RS485接口與采集器相連接，并由手持終端發(fā)送抄表命令。因本系統(tǒng)設(shè)計所測試的電能表是掛在計量箱內(nèi)部，所以本測試是通過JF24C無線模塊進行抄表，測試采用的電能表地址為000000563825。在正常天氣下，不同距離對電能表進行多次的抄收，并記錄下成功抄收次數(shù)和失敗次數(shù)，其測試結(jié)果如表2所示。

    本系統(tǒng)通過無線通信和紅外通信的相互配合完成了對電能表電能數(shù)據(jù)的抄收，并將電能數(shù)據(jù)抄收與數(shù)據(jù)管理相結(jié)合，不僅保證了用電采集系統(tǒng)的可靠性，而且更加方便電力管理部門對用電信息的統(tǒng)計。通過實際的測試和長時間運行，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和通用性，能夠快速準確地完成電能表電能數(shù)據(jù)的抄收。
參考文獻
[1] 徐金亮, 程必宏. 用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2102.
[2] 周長紅，劉敬彪．智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004(172)：35-37．
[3] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] DL/T 645- 2007，多功能表通信規(guī)約標準[S].2007.
[5] 王振朝，郭偉東，王伊瑾．基于電力載波通信技術(shù)的抄表通信模塊設(shè)計[J]．電測與儀表，2009(19)：72-76．
[6] 任哲，潘樹林，房紅征. 嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)μC/OSII和Linux[M]. 北京: 北京航天航空大學出版社，2006.