基于GPRS通信的网络电能表设计

随着技术的发展，抄表方式也从现场人工抄表到远程自动抄表转变，目前用于抄表的技术有多种，如RS485总线、红外和电力线载波等，这些抄表技术相对比较成熟，但应用却各有其局限性，如RS 485总线抄表需要布线而增加投资，且传输距离不能超过1200m，红外抄表需要人工现场抄表，电力载波抄表由于电磁干扰等的影响传输距离受限。GPRS通信技术成熟，网络覆盖广，可以永久在线，按流量计费，费用低廉，且不受距离和空间的限制，使得在抄表行业的应用非常适合。

1 GPRS网络电能表
    GPRS网络电能表就是GPRS通信技术和电表技术的结合体，他将三相多功能电能表和GPRS通信模块相结合，形成具有无线网络通信能力的电能计量装置。GPRS网络电能表由基表和GPRS无线通信模块两部分组成。
1．1 基表
    基表可实现普通三相多功能电能表的基本功能，在未接入GPRS通信模块的情况下，不影响其作为普通多功能电能表的使用。它对交流模拟量进行实时采样、处理和存储，实现电能计量、需量测量、复费率、负荷曲线计算和存储、数据冻结、事件记录、复费率等，可实现用户预购电控制、负荷控制、远程控制等功能。具备RS 485通信接口、红外通信接口、GPRS通信模块接口，以实现数据的抄读和设置；基表还具有本地液晶显示，可支持本地巡显和键显功能。
1. 2 GPRS通信模块
    GPRS通信模块是GPRS网络电能表的数据上传的关键节点，作为网络电能表的一个独立模块，在不影响基表计量的情况下，满足用户抄表系统的技术要求和传输规约，实现数据的可靠传输。GPRS通信模块与基表的下行通信满足DT／L645多功能电能表通信协议，与主站的上行通信满足《电力用户用电信息采集系统通信协议》(Q／GDW 376．1-2009)标准。
    在此着重描述GPRS通信模块的软硬件设计。

2 GPRS通信模块硬件结构
2.1 系统框图
    GPRS无线通信模块的系统框图如图1所示。系统包括：ARM微处理器(LPC2138)、GPRS模块、FLASH和铁电存储器、红外收发、RS 232串行调试接口、RS 485通信接口、JTAG仿真接口、LED指示及电源转换等。

2．2 模块功能
2．2．1 微处理器
    采用基于ARM7TDMI-S内核的32位微处理器LPC2138，其内嵌了512 KB的高速FLASH存储器和32 KB的RAM，具有丰富的外设资源，如：2个32位定时器(带捕获、比较通道)；2个10位8路ADC；1个10位DAC；PWM通道；47路GPIO；9个边沿或电平触发的外部中断；具有独立电源和时钟的RTC；多个串行接口(UART，I2C，SPI，SSP)；内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址；片内Boot装载程序，可以实现在系统／在应用编程(ISP／IAP)，通过片内PLL可实现60 MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒。
2．2．2 GPRS模块
    采用深圳有方科技出品的M580z模块，其内部集成了TCP／IP协议栈，具有两个通信链路，一路标准TTL串行通信端口，精简的AT指令集，通过AT命令可实现模块的参数设置和数据发送。M580与CPU通过一个TTL电平的串行口连接。
2．2．3 存储器
    由于与主站的上行通信应满足《电力用户用电信息采集系统通信协议》，需要存储规约要求的一类数据(实时数据)、二类数据(曲线数据、统计数据)和三类数据(事件)，特别是曲线数据要求存储的数据量大，因此采用大容量的FLASH存储器来存储二类和三类数据。由于铁电存储器可无限制的擦写，所以用来存储需要经常更新的实时数据和设置参数。存储器与MPU的接口为SPI接口。
2．2．4 串行接口和JTAG仿真端口
    利用RS 232串行口、红外通信口可实现模块参数的本地设置和维护。其中，RS 232串口可实现对GPRS模块状态的监测，通过RS 485串行口可抄读满足《电力用户用电信息采集系统通信协议》的数据；JTAG仿真端口可对ARM处理器进行仿真和程序烧写。
2．2．5 LED指示
    LED指示灯用来指示模块的电源状态、模块登陆状态、网络通信状态及保电状态等。
2．2．6 三相电能表
    三相电能表实现电能量及电压电流等数据的采集与计算。它与MPU通过一个串行口连接，通信规约满足DT／L645协议，模块定时抄读三相表数据，包括电量、需量、电压、电流等实时数据，并将抄读到的数据进行转换和存储，以满足主站对模块的访问要求。

3 软件设计
3．1 总体架构
    软件设计基于μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统的多任务设计，整体架构如图2所示。

    系统软件包括：主任务、上行任务、下行任务、模拟串口任务、事件处理任务和控制处理任务。
3．1．1 主任务
    实现全局变量初始化，硬件环境初始化，信号量和消息队列的建立、其他任务的创建和启动、键盘扫描、系统时间和定时处理、复位处理等功能。
3．1．2 上行任务
    上行任务实现GPRS通信链路的建立、维护及与主站的数据交换，包括链路维护、数据收发、协议解析等功能。
3．1．3 下行任务
    实现对基表数据定时抄读、数据处理、数据存储、数据的转发等功能。
3．1．4 模拟串口管理任务
    由于系统必须实现上行通信端口、下行通信端口、RS 485通信端口、RS 232通信端口和红外通信端口5个串行通信口，而LPC2138内部只有两个串行口，所以必须对串口进行扩展。在此，用软件来模拟串口通信，以实现串口扩展。建立一个模拟串口管理任务，专门管理下行抄表模拟串口、红外通信模拟串口和调试模拟串口。
3．1．5 事件处理任务
    事件处理任务处理系统发生的各类事件，包括事件记录、事件上报等。
3．1．6 控制任务
    控制任务执行一些控制操作，包括预购电控制、保电控制、告警控制等。
3．1．7 任务间的通信
    任务与任务之间数据传递通过消息发送和接收来实现，消息结构为：
   
    消息传递函数定义为：
   
3．2 软件模块实现流程
    软件采用模块化设计，每个任务包含不同的功能模块，由于系统包含模块较多，在此只给出主任务模块流程图及上行任务中的GPRS链路维护模块流程图。
3．2．1 主任务流程
    主任务程序流程如图3所示。

3．2．2 GPRS链路维护流程
    上行任务中的链路维护模块包括：GPRS网络登陆、链路状态检测以及心跳维护等。其中，GPRS网络登陆程序流程如图4所示。在GPRS通信链路建立后，如果长时间无数据传输，则GPRS网络连接将被断开，所以必须在一定时间间隔内发一个心跳帧至主站，确认主站应答后说明链路状态正常。不同品牌GPRS模块的AT指令集不同，因此在编程前须熟悉相关GPRS模块的指令集，以实现链路的建立和维护。

4 结语
    介绍了GPRS网络电能表的功能和GPRS无线通信模块的软硬件设计，它是对GPRS网络电能表开发项目的总结。系统软件移植了μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统，采用多任务设计，提高了系统的实时性，对实现远程无线抄表具有积极意义，设计的产品已在国家电网公司成功应用，且运行稳定，应用效果良好。