通用分组无线服务技术在电力抄表系统中的应用.pdf

第 3 2卷第 3期 上 海 理 工 大 学 学 报 J U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o 1 3 2 N o 3 2 0 1 0 文章编号 ： 1 0 0 7 6 7 3 5 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 2 8 5 0 4 通用分组无线服务技术在 电力抄表 系统 中的应用 张晓忠， 郝润科 ， 崔以 ( 上海理工大学 光 电信息与计算机工程学院 ，上海 田 2 0 0 0 9 3) 摘要： 针对传统的人工抄表不仅费时费力， 而且不便于用电量实时统计的情况， 研究了基于现有 G S M 网络发展起来的通用分组无线服务技 术( G P R S ) ， 提 出了利用 G S M 手机移动上 网功能， 进行 传送电力 系统抄表数据 的方法 基 于 G S M G P R S G T M9 0 0模块 ， 以单 片机 为核 心， 通过 R S 2 3 2 R S 4 8 5 接 口， 实现 了数据终端电能表与无线传输的连接 ， 并备有 A D转换接 E l ， 可实现模拟信号的 直接 采 集与传 输 关键词 ： G P R S ； 无线传输；单片机；无线抄表 中图分类号 ： T P 8 0 2 4 文献标志码 ： A n A ppl i c at i on oI ge ner al packet r adi o S e r v1 c e i n m e t e r - r e a di ng s ys t e m Z H AN G X i a o - z h o n g ， H A O R u n - k e ， C Ul Y i t i a n ( S c h o o l o f O p t i c a l - E l e c t r i c a l a n d C o mp u t e r E n g i n e e r i n g，U n i v e r s i t y of S h a ngh a i S c i e n c e a n d Te c h no l o g y，S t t a ng h a i 2 0 0 0 9 3，C h i n a) Ab s t r a c t ：Th e t r a d i t i o n a l ma n u a l me t e r r e a d i n g i s n o t o n l y t i me c o n s u mi n g a n d l a b o r i o u s ， b u t a l s o n o t e a s y t o o b t a i n r e a l t i me s t a t i s t i c s o f e l e c t r i c i t y c o n s u mp t i o n A c c o r d i n g t o t h i s c o n d i t i o n， t h e G e n e r a l P a c k e t R a d i o S e r v i c e ( GP RS ) wa s d e s c r i b e d b a s e d o n t h e e x i s t i n g GS M n e t wo r k， a n d a me t h o d o f t r a n s mi t t i n g t h e me t e r r e a d i n g d a ta t o p o we r s y s t e m wa s p r o po s e d v i a u s i n g o f GS M mo b i l e p h o n e s f o r I n t e r n e t a c c e s s T h e s y s t e m wh i c h i n c l u d e s t h e G S M G P R S G T 【 9 0 0 m o d u l e ， t h e s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r a n d t h e R S 2 3 2 R S 4 8 5 i n t e r f a c e ， e n a b l e s t h e c o n n e c t i o n bet we e n t h e e n d wa t t h o u r me t e r a n d t h e wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i o n E q u i p p e d wi t h t h e A D c o n v e r s i o n i n t e r f a c e ， i t c a n r e a l i z e t h e d i r e c t a n a l o g s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d t r a n s mi s s i o n E x p e r i me n t s s h o w t h a t t h e met h o d i S e f f e c t i v e t o i m p r o v e t h e a c c ur a c y a n d c o nv e ni e n c e o f p o we r me t e r r e a di ng s y s t e m Ke y wo r d s ：GP RS；wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n ；s i n g l e c h i p；wi r e l e s s me t e r r e a d i n g 传统的人工抄表不仅费时费力 ， 而且不利于用电 量的实时统计 当前移动通信业务发展迅猛 ， 移动运 营商提供的全球移动通信系统( g l o b a l s y s t e m f o r m o b i l e c o m mu n i c a t i o n s ， G S M) 网络已覆盖我 国的绝大部 分地区 通用分组无线服务技术 ( g e n e r a l p a c k e t rad i o s e r v i c e ， G P I ) 是基于现有的 G s M 网络发展起来 的一 种分组数据承载业务， 利用 G S M 手机 的移动上网功 能传送电力系统的抄表数据或其它短数据是一种理 想 的方 法 本 文 以 P 8 9 O 6 6 9单 片 机 为 核 心， 利 用 G T Mg 0 0无线通信模块 ， 用 G P R S无线抄表的方式， 实 收稿 日期 ： 2 0 0 90 1 1 5 作者简介 ： 张 晓忠 ( 1 9 8 3一) ， 男 ， 硕士研究生 E - ma i l ： e p o s a r 1 6 3 c o m 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 0年 第 3 2 卷 现了将采集的数据通过 I n t e me t 传送到监控服务器 该方法具有传输速度快、 传输数据量大， 传输距离不 受限制等优点， 非常适合 电力抄表系统采集点数量 多、 范围广、 距离远的特点 不仅弥补了人工抄表的费 时费力的缺憾 ， 也便于用电高峰的统计 1 G P R S系统 G P R S使用分组交换技术 ， 在 G S M 系统 的基础 上新增 了两个节点 ( G P R S网关支持节点 G G S N和 G P R S服务支持节点 S G S N) S G S N的主要作用是记 录移动终端 的当前位 置信息 ， 并且 在移 动终端 与 G G S N之间完成移动分组数据的发送和接收 G G S N 主要起网关作用 ， 可 以与多种不 同的数据网络连接， 如 I S D N( 综合业务数字网) 、 P S P D N( 包交换公用数 据网) 和 L A N( 局域 网) 等 G G S N可以把 G S M 网中 的 G P R S分组数据包进行协议转换 ， 从 而把这些分 组数据包传送到远端 的 T C P I P网络 G P R S网络具 有以下特点： a 快速登陆G P R S接人等待时间短 ， 无需长 时间的拨号建立连接过程 ， 平均为 2 S b 永不掉线只要激活 G P R S应用后 ， 将永远 保持在线 ， 不存在掉线 问题 ， 类似 于一种 无线专线 网络 C 高速 传 输 G P R S最 高传 输 速度 1 7 1 2 k b p s ， 平均带宽 4 0 k b p s d 可靠性高利用公 网通信质量好 ， 一般数据 包传输的成功率在 9 9 9 以上 e 运行成本低 由于是按流量计费 ， 计费方式 更加科学合理； 只需要 向移动公司开户 S I M 卡 ， 费 用可以采用包月方式使用 f 组网灵活支持点对点 、 中心对多点及多点 间的实时、 对等数据传输 ， 不受通讯距离和 区域 的 限制 2 GP RS无线抄表系统 方案设计I- 系统逻辑框图如图 1所示 ， 单 片机通过 R s 4 8 5 方式采集智能电能表 的数据 ， 然后通过 R S 2 3 2的方 式把数据传送给 G P R S无线模块 ， 最后 由 G P R S无 线模块通过 T C P I P( 传输控制协议 网际协议 ) 把 抄表数据发送到抄表 系统服务主站 ， 由主站的工作 人员通过报文监视软件读取抄表数打印账单发给用 户 ， 达到无线抄表的 目的 无 亟 抄 表 系 线 统 服 - _ _ _ _ _ _ _ _ 单 片机 块 务 电 能 表l ( 主 站 ) P U AR T S I M- 1【一 图 1系统逻辑框 图 Fi g 1 S y s t e m l o g i c d i a g r a m 2 1 系统硬件 电路 系统结构主要 由电源处理模块 、 看门狗模块 、 单 片机模块 、 G P R S模块、 系统时钟模块、 S I M 卡接 口 模块和电能表数据采集接 口组成， 如图 2 所示 状态 指示 电平 转换 。 兀 A S H I l S I M 时钟 电路 电源 接 口 本地 配置 接 口 S I M卡 接 口 图 2系统 结 构 框 图 Fi g 2 S y s t e m s t r u c t u r e d i a gr am 2 1 1 电源处理模块 为 了更好地适应复杂的应用环境 ， 外部采用 电 源适配器供电， 内部采用二次直流稳压技术， 提供单 片机 5 0 V电源 ， 通过 MP 2 1 0 4芯片把 5 V电源转 换为 3 3 V给 G P R S模块供电， 电平转换 电路如图 3 所示 5v驿一MP2104 4uH ?。 上 _ l 一 R 图 3 电平转换电路 Fi g 3 Le v e l c o n v e r t e r c i r c ui t 2 1 2 看门狗模块 看 门狗模块采用 了 X 5 0 4 5芯片， 它是一种集看 门狗 、 电压监控和串行 E E P R O M 3种功能于一体的 第 3期 张晓忠， 等： 通用分组无线服务技术在电力抄表系统中的应用 2 8 7 可编程控制 电路 X 5 0 4 5中的看门狗对 系统 提供 了 保护功能 当系统发生故障而超过设置时间时 ， 看门 狗使系统复位， 避免陷入死循环 x 5 0 4 5提供 了 3个 时间值供用户选择使用 它所具有 的电压监控功 能 还可以保护系统免受低 电压的影响， 当电源电压 降 到允许范围以下时， 系统将复位 ， 直到 电源电压返回 到稳定值为止 2 1 3 单片机模块 单片机采用 P 8 9 C 6 6 9 ， 它包含 9 6 k字节的 F l a s h 程序存储器、 2 k字节的数据 S M、 1 个可编程计数 器阵列 ( P C A) 、 可配置成不 同时 问范 围的看 门狗定 时器( 通过 S F R的位设置) 、 2个增强型 T以及 字节型 I 2 C总线 串行接 口， 完全满足系统 的硬件及 程序编制的需要 其主要特性如下 ： a 2 3位的程序存储器 空间和 2 3位 的数据存 储器空间， 程序 数据地址范围增加 到 8 M 字节 ； b 线性地址经扩展后可支持高达 8 M 字节 的 程序存储器和数据存储器； c 1 0 0 二进 制兼容典 型 的 8 0 C 5 1 ， 现有 代码 可全部再使用 ； d 4个中断优先级 ， 3 2个 I 0口( 4个端 口) ； e 3个定 时器 ， 即定时器 0 、 定时器 1和定 时 器 2 ； f 含有可编程的预分频器 、 可得到不 同时间范 围的看 门狗定时器 2 1 4 GP R S模块 G P R S模块采用华为的 GT M9 0 0芯片 G 1 M9 0 0 无线模块是一款三频段 G S M G P R S的无线模块 ， 它 支持标准的 A T命令及增 强 A T命令 ， 提供丰富 的 语音和数据业务等功能 内置 T C P I P协议 ， 支持标 准 AT命令集和扩展 A T命令集 ， 支持无线数据业 务， 支持电路型数据业务和分组域数据业务 ， 完全满 足设计 的需要 在本设计中通过 U A R T口与单片机 通信来实现单 片机对 G T M9 0 0发送 AT指令以及数 据的传送 2 1 5 系统时钟模块 模块要求采样 的数据具有准确的时间标识 ， 因 此对系统实时时钟有较高的要求 设计 中选用 D A L L A S公司的 DS 1 2 8 8 7芯片为本 模块提供系统实 时 时钟 ， 其主要特点如下 ： a 自带 晶振和电池 ， 在没有外部 电源的情况下 可工作十年 b 可计算秒 、 分 、 小时、 星期 、 日期、 月 、 年并带 闰年补偿， 用二进制码或 B C D码代表 日历和闹钟 信息 c 数据 地址总线复用 ， 内建 1 2 8字节 R A M， 包 括 1 4字节时钟控制寄存器和 1 1 4字节通用 R A M d 当 V C C低于 4 2 5 V时 ， 芯片处 于写保护状 态( 所有的输入均无效) ， 同时所有输 出呈高电阻状 态 ； 当 V C C低于 3 V时 ， 芯片 自动把供 电方式切换 为内部电池供电 2 1 6 S I M 卡接 口模块 G T M9 0 0支持 1 8 V和 3 0 V两种类型的 S I M 卡 ， 符合 G S M l 1 1 1 P h a s e 2+规定 的 I S 0 7 8 1 6 3 标准 ， 同时支持 S I M t o o l k i t r e l e a s e 9 9标准 S I M 卡 采用直接接触式方式 ， 简单方便 2 1 7 电能表数据采集接 口 。 智能电能表采用美 国 A D公 司推出的高精度电 能测量集成 芯片 A D E 7 7 5 7 此芯片 引脚 较少 ， 且 内 置了一个精确的振荡器 电路来给芯片提供 时钟 这 就使得使用 A D E 7 7 5 7的电能表省掉 了外部 晶体或 者共振器 ， 因此可以降低总体成本 该芯片的内部电 路除了 A D C和参考 电路是模拟电路外 ， 其余均为数 字 电路 ， 使芯片具有较高的稳定性与精度 电压 传 感 器 和 电 流 传 感 器 的 信 号 送 人 A DE 7 7 5 7芯片内部 的两个 ) C以后 ， A D E 7 7 5 7内 置 的乘 法器 将 电压 和 电 流相 乘 ， 得 到 有功 功率 ， A D E 7 7 5 7通过数字一 频率转换器将功率转换成频率 输出 单 片 机 P 8 9 C 6 6 9通 过 外 部 中 断 方 式 对 A D E 7 7 5 7输 出的脉冲进行计数 ， 并根据脉 冲频率和 有功功率之间的比例关系得到用户的用 电量 处理 结果通过 R S 4 8 5接 口方式送 到 G T M9 0 0模块 ， 再 由 G T M9 0 0与之前得到 的 A T指令连接 到相应 I P地 址的 P C机 2 2系统软件设计 4 系统软件采用 C语言编写 ， 在 K E I L环境下编 译 由于本系统是远程管理终端 的一个模块 ， 因此在 程序 的编写中要遵守一定 的协议 ， 这样才能保证正 确通信 程序 的主体是单片机控制 G T M9 0 0模块 的 A T命令对 G T M9 0 0进行 初始 设 置和信 息数 据 的 处 理 2 2 1 连接的建立 G P R S模块连接到 I n t e r n e t 和 G P R S网络的实 现过程为 ： 单片机软件 控制 G T M9 0 0模块开机 ， 等 待此模块正常启动 ； 通过单片机和 G T M9 0 0模块连 接的串口， 向 G T M9 0 0模块写入相应 的 A T设置命 令 ， 进行初始化， 使模块成功黏附在 G P R S网络上 ， 获得网络运行商分配的动态 I P地址， 与目的终端建 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 0年 第 3 2 卷 立 连接 2 2 2 数据的处理 数据包在数据 中心服务器和 G P R S服务器 中是 基于 I P数据包传输的， 但明文传送 I P包不可取 ， 因 此大多选用 P P P ( 点对点协议) 进行传输， 实现通过 G P R S模 块 的数 据 和 I n t e r n e t网络 的 透 明传 输 G T M9 0 0内部集成 了 T C P I P协议 ， 所 以用户可 以 直接通过 G T M9 0 ( 】 传递数据 a 模块与 P C机的数据传输 要求 P C机具有公 网的 I P地址和开放 的端 口 以及监视传输报文的运行软件 这样 ， 模块与 I n t e r n e t 传输数据时， 报文就会显示 在模块成功联人网 络后 ， 单片机 只要将要 发送 的数据 通过 串 口发 给 G T M9 0 0 ， G T M9 0 0就会把数据转发给相应的 I P地 址 的 P C机 b 短消息数据的处理 在与 I n t e r n e t 连接 5 次不成功后启用 G T M9 0 0 的 G S M短信息功能 短消息采用 P D U格式， 在程序 中需要判断短消息的到来和读取短信 内容 ， 并根据 内容执行相应的功能 ， 最后把结果构造成 P D U格式 返回给相应的发送者 c G P R S通信心跳信息 G P R S通信 网络的优点之一就是支持 G P R S终 端设备永久在线， 因此典型的 G P R S DT U在设计上 都支持永久在线功能， 这就要求 D T U包含上电自动 拨号、 采用心跳包保持永久在线 ( 当长时间没有数据 通信时 ， 移动网关将 断开 D T U与 中心的连接 ， 心跳 包就是 D T U与数据中心在连接被断开之前 发送一 个小数据包 ， 以保持 连接不被断开) 、 支持断线 自动 重连、 自动重拨号等特点 d 重要数据的存储 程序中把一些重要的常用和易变的数据 ( 如计 算机服务器的 I P地址、 端 口号 、 终端地址 、 S I M 卡号 等) 存入单片机 的 E E P R O M 中 需要时从 E E P R O M 中读出或向 E E P R O M重新写入数据进行设置 2 2 3 P P P协议在 GP R S中的应用 P P P协议是为在同等单元之问传输数据包而设 计 的链路层协议 这种链路提供全双工操作 ， 并按照 顺序传递数据包 P P P协议 中提供 了一整套方案来 解决链路建立 、 维护 、 拆除 、 上层协议协商、 认证等问 题 P P P包含这样几个部分 ： 链路控制协议 L C P 、 网 络控制协议 和认证协议 P P P中最常用的认证协议 包括 口令 验 证 协 议 P A P和 挑 战 握 手 验 证 协 议 CHAP L C P负责创建、 维护或终止一次物理连接 N C P 是一族协议 ， 负责解决物理连接上运行什么网络协 议 ， 以及解决上层网络协议发生的问题 一个典型的 P P P链路建立过程分为 3个阶段 ： 创建阶段、 认证阶 段和网络协商阶段 经过 3个阶段以后 ， 一条完整的 P P P链路就建立起来了 2 2 4 程序流程 程序总体上可以分为： G P R S连接的初始设置、 各 模块的初始化设置 、 短消息的判断处理、 无数据传输 时的心跳处理、 数据判断转发和正常模式与休眠模式 之间的转换等等 主程序 由模块函数组成 ， 模块 函数 由基本函数嵌套组成， 把子程序块有机结合到一起 ， 相互控制 ， 无限循环 主程序流程为： 首先进行单片机 设置变量的初始化； 进行单片机相应配置单元的初始 化， 比如设定端 口方向、 设置中断优先级 、 定时器初始 化等； 然后由单片机控制 0 0的电源 ， 以决定是 否开机 ； 待开机成功后， 查询网络是否注册成功 ； 成功 后即可建立模块与 P C机服务器的连接 ， 并进行数据 传输和短消息处理， 最后返回成功信息 3 结束语 电力抄表系统广泛地分布在城乡广大区域 ， 规模 巨大 ， 需要投入大量的人力 、 物力和财力 因此如何实 现准确快捷 的电力抄表有着重大的意义 采用 G P R S 网络远程数据通信方法有效地解决了此问题 ， 而且相 比其它有线通信方式 ， 具有通信系统成本低 、 设计周 期短 、 便携性好等优点 本文通过单 片机实现利用 G P R S网络远程传送电能表的数据， 经现场测试， 电能 表采集数据的精确性及可靠性完全满足设计要求 由 于本 系统可 以实现无 人工干预 的 自主工作 ， 因此它可 以在保证数据通讯畅通的前提下提高工作效率， 节省 人力和运营成本 ， 有效提高经济效益 参考文献 ： 1 文志成 G P R S网络技 术 M 北京： 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 5 2 李玉萍， 齐志强 ， 张良祖， 等 基于 G P R S的电力监控终 端网络接人方案 J 测控技术， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 3 ) ： 5 65 8 E 3 魏宁， 王宇寰 ， 施勇红 基于 G P R S无线网络的数据采 集系统的设计 J 北京电子科技学院学报， 2 0 0 6 ， 1 4 ( 4 )： 7 98 2 4 廖传书， 程鑫 基于 G P R S的配电网远程监控终端的设 计 J 电子技术应用， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 5 ) ： 8 08 2