引 言
電能計(jì)量是現(xiàn)代電力營(yíng)銷系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場(chǎng)抄取數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在諸多不足之處；將現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電能量測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映電量的使用(即銷售)情況。本方案首先采用短距離無(wú)線通信方式將用戶電表的電量信息集中起來(lái)，然后通過(guò)GPRS無(wú)線局域網(wǎng)，以一種短消息的方式將此信息送給總控中心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)無(wú)線抄表功能。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于GPRS的智能小區(qū)無(wú)線抄表系統(tǒng)主要由3部分組成：無(wú)線電表、現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程GPRS無(wú)線控制終端。
圖1是某小區(qū)的無(wú)線抄表系統(tǒng)組成框圖。其中無(wú)線電表是將傳統(tǒng)的電表所采集到的電量做相應(yīng)的處理，并配置無(wú)線收發(fā)模塊以短距離無(wú)線的方式將此電量信息發(fā)進(jìn)出去?，F(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)除了配置無(wú)線數(shù)傳模塊外，還需要配置GPRS無(wú)線收發(fā)模塊，首先將每個(gè)樓層以無(wú)線方式所采集到的電量數(shù)據(jù)集中起來(lái)，然后通過(guò)GPRS模塊將此信息發(fā)送出去。遠(yuǎn)程GPRS無(wú)線控制終端主要完成對(duì)GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)，以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集到的電量數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理。
2 現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
無(wú)線抄表系統(tǒng)中最主要的是現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。該部分主要包括無(wú)線數(shù)據(jù)收／發(fā)以及GPRS數(shù)據(jù)收／發(fā)兩部分。其中無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)中所采用的模塊與無(wú)線電表中所使用的模塊相同?，F(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)設(shè)置在小區(qū)各樓層的中心位置，負(fù)責(zé)定時(shí)將單個(gè)單元采集點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的集中。主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)的信令控制和數(shù)據(jù)提取，并通過(guò)GPRS模塊對(duì)遠(yuǎn)端主控中心的數(shù)據(jù)請(qǐng)求作出響應(yīng)。現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖2所示。
主站以Armel公司的AT89C2051作為主控制器，包括無(wú)線數(shù)傳模塊、存儲(chǔ)模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊和時(shí)鐘模塊。微控制器選用ATB9C2051。該控制器內(nèi)部有1個(gè)全雙工異步串行通信模塊UART，可以發(fā)送／接收8位數(shù)據(jù)，帶有幀錯(cuò)誤檢測(cè)功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選擇容量為64 KB的EEPROM存儲(chǔ)器AT24C256，通過(guò)微控制器的I／O口(P1．2引腳)外接存儲(chǔ)器的SDA腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀／寫；P1．3引腳外接SCL腳，提供讀／寫時(shí)序信號(hào)。微控制器通過(guò)串行接口TX(P3．0引腳)和RX(P3．1引腳)外接無(wú)線數(shù)傳模塊的發(fā)送和接收單元，通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片接GPRS模塊的RS232口。單片機(jī)的串行口同時(shí)連接兩個(gè)設(shè)備的串行口，容易出現(xiàn)硬件沖突。采用分時(shí)復(fù)用方式可保證同一時(shí)刻只連接一個(gè)設(shè)備的串口。
時(shí)鐘模塊采用基于I2C總線結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘芯片DS1307。DSl307串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片是一種低功耗，全部采用BCD碼的時(shí)鐘／日歷芯片，內(nèi)帶56字節(jié)的NVSRAM。地址和數(shù)據(jù)是通過(guò)I2C總線進(jìn)行串行傳輸?shù)?。它能提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年信息。它具有可編程方波輸出信號(hào)；時(shí)鐘可以以24小時(shí)模式工作或者用AM／PM來(lái)指示以12小時(shí)模式工作。DS1307有一個(gè)內(nèi)置電源敏感電路，能檢測(cè)到主電源掉電并自動(dòng)切換至電池供電；可選工業(yè)溫度為一40～+85℃。微控制器模擬I2C總線的讀／寫控制時(shí)序完成對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息的讀／寫操作。
2.1 基于DTD462A的數(shù)據(jù)收／發(fā)模塊設(shè)計(jì)
DTD462A屬于微功率智能型無(wú)線數(shù)傳模塊，其內(nèi)部集成了8位CMOS低功耗高速M(fèi)CU AT90S2313。DTD462A最大發(fā)射功率為10mW，工作在433MHz的ISM頻段；采用基于FSK的調(diào)制方式和高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，具有較高的數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，可靠傳輸距離可達(dá)300m；提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議；具有休眠功能以及可靠性高、體積小、重量輕的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用DTD462A-96，通信接口速率為9600bps，通信信道是半雙工的，最適合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。
DTD462無(wú)線數(shù)傳模塊提供標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS485和UART／TTL電平3種接口方式，可直接與計(jì)算機(jī)、RS485設(shè)備、單片機(jī)或其他UART器件連接使用。DTD462提供1個(gè)9針的連接器(JPl)，其定義及與終端的連接方法如表1所列。
圖3給出了DTD462A與AT89C2051的接口設(shè)計(jì)方法。
DTD462A數(shù)傳模塊的第8腳SLP(SLEEEP)是休眠控制信號(hào)。為進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，軟件控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的DTD462A模塊平時(shí)工作在間歇休眠狀態(tài)。SLP(SLEEP)信號(hào)持續(xù)1ms低電平(4800 bps以上200μs即可)，DTD462A進(jìn)入休眠。如果休眠信號(hào)到來(lái)時(shí)，DTD462A正在接收空中數(shù)據(jù)或正在將接收的串口數(shù)據(jù)發(fā)射到空中，則當(dāng)接收完該組數(shù)據(jù)后，DTD462A才進(jìn)入體眠狀態(tài)。第9腳RST(RESET)是微功率數(shù)傳模塊的MCU外部復(fù)位信號(hào)。該信號(hào)用來(lái)復(fù)位MCU，也可喚醒已經(jīng)體眠的MCU。該信號(hào)持續(xù)lOμs低電平，DTD462A復(fù)位或被喚醒。在RESET信號(hào)的上升沿后20ms，DTD462A即可開(kāi)始工作。
平時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)的DTD462A模塊處于休眠狀態(tài)。當(dāng)需要對(duì)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，喚醒DTD462A；當(dāng)所有的采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送完后，DTD462A重新進(jìn)入休眠狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)對(duì)DTD462A狀態(tài)的控制是通過(guò)AT89C2051 P1口的P1．6和P1．7腳實(shí)現(xiàn)的。
2.2 GPRS終端設(shè)計(jì)原理
GPRS終端采用Q2403A核心模塊研制而成。Q2403A是法國(guó)Wavecom公司推出的新一代無(wú)線通信GSM／GPRS模塊，基于EGSM／GPRS 900／l800 MHz雙頻，帶有16 MB的閃存和2MB的SRAM，支持class2，通過(guò)AT指令控制；體積為58．3mm×32．2 mm×3．9 mm；執(zhí)行ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)；下載速率為26．8kbps，上傳速率為13．4 kbps；功耗為2W(900MHz)和1W(1800MHz)；SIM 3V／5V和SIM檢測(cè)；支持GPRSWAP。
在硬件構(gòu)成上，遠(yuǎn)端
控制中心采用PC+GPRS模塊的架構(gòu)，各現(xiàn)場(chǎng)主控中心則采用MCU+GPRS模塊的硬件架構(gòu)。GPRS模塊僅提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信接口，與PC機(jī)連接十分方便，因而遠(yuǎn)端控制中心的構(gòu)造很容易實(shí)現(xiàn)；在橋梁現(xiàn)場(chǎng)，GPRS模塊與MCU間是通過(guò)串行口進(jìn)行通信的，通信速率最高可達(dá)115 200 bps；系統(tǒng)采用GPRS模塊，默認(rèn)的波特率為9600 bps。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，其中大部分命令是符合協(xié)議“ATcommand set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM07．07 version 6．4．O Release1997)”的，但也有一些是Wavecom公司定義的AT命令。MCU提供TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的串行口UART，而GPRS模塊的串行通信口是屬于RS232電平標(biāo)準(zhǔn)的。二者不能直接相連，需要設(shè)置TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換模塊。利用MAK3232C實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，其轉(zhuǎn)換原理如圖4所示。除了串口發(fā)送(TX)、串口接收(RX)之外，MCU與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號(hào)，如DTR、CTS、DCD等。為了簡(jiǎn)化微控制器的控制，硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有使用全部的硬件握于信號(hào)，而只使用數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD(Data Carrier Detect)和終端準(zhǔn)備DTR(Da-ta Terminal Ready)信號(hào)。DCD信號(hào)可以檢測(cè)GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于AT命令傳送狀態(tài)，DTR信號(hào)用來(lái)通知GPRS模塊傳送工作已經(jīng)結(jié)束。
硬件連接完成后，在進(jìn)行收／發(fā)短消息之前，應(yīng)該對(duì)GPRS模塊進(jìn)行一定的設(shè)置。主要的設(shè)置工作有：通信波特率，采用“AT+IPR=(波特率)＆W”命令，本系統(tǒng)采用模塊默認(rèn)的波特率9 600 bps；短消息服務(wù)中心號(hào)碼，通過(guò)“AT+CSCA=+8613800270500”將服務(wù)中心號(hào)碼設(shè)置為13800270500。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電復(fù)位首先完成對(duì)各端口和模塊的初始化。作為現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)的主站，與子站通信時(shí)，微控制器定時(shí)向各子站發(fā)出喚醒信息，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，等待應(yīng)答。主站收到應(yīng)答信號(hào)后發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)命令，并且接收該子站發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，接收完最后一幀數(shù)據(jù)后，返回檢查是否為最后一個(gè)子站。如果是，則結(jié)束本次數(shù)據(jù)采集工作；如果不是，則修改握手協(xié)議中子站地址識(shí)別信息，采集下一個(gè)子站的數(shù)據(jù)。主控節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。
4 結(jié)論
系統(tǒng)中為每個(gè)家庭的電表中配置了無(wú)線收／發(fā)模塊，而在樓層比較密集的地方設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線收／發(fā)模塊將每個(gè)家庭中電表記錄的電量信息收集以后進(jìn)行緩存，然后通過(guò)GPRS模塊將這些集中的電量信息發(fā)送給總控中心，真正實(shí)現(xiàn)了總控中心的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表功能。此外，該系統(tǒng)還可擴(kuò)展其他功能，例如當(dāng)無(wú)線電表工作異常時(shí)，可以向遠(yuǎn)程終端發(fā)出報(bào)警信息，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對(duì)電表的實(shí)時(shí)監(jiān)控。