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線通信方式將用戶電表的電量信息集中起來，然后通過GPRS無線局域網(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)無線抄表系統(tǒng)主要由3部分組成：無線電表、現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程GPRS無線控制終端。

　　圖1是某小區(qū)的無線抄表系統(tǒng)組成框圖。其中無線電表是將傳統(tǒng)的電表所采集到的電量做相應(yīng)的處理，并配置無線收發(fā)模塊以短距離無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)除了配置無線數(shù)傳模塊外，還需要配置GPRS無線收發(fā)模塊，首先將每個(gè)樓層以無線方式所采集到的電量數(shù)據(jù)集中起來，然后通過GPRS模塊將此信息發(fā)送出去。遠(yuǎn)程GPRS無線控制終端主要完成對(duì)GPRS無線數(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)。該部分主要包括無線數(shù)據(jù)收／發(fā)以及GPRS數(shù)據(jù)收／發(fā)兩部分。其中無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)中所采用的模塊與無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)通過無線數(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)?，F(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)。微控制器通過串行接口TX(P3．0引腳)和RX(P3．1引腳)外接無線數(shù)傳模塊的發(fā)送和接收單元，通過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I2C總線進(jìn)行串行傳輸?shù)摹Ｋ芴峁┟?、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)。現(xiàn)場(chǎng)主控節(jié)點(diǎn)對(duì)DTD462A狀態(tài)的控制是通過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“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)通過無線收／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。