基于GPRS通信和uC/OS-ii的网络电能表设计

 摘 要： 为了实现无线远程抄表的目的， 采用GPRS 通信技术和uC/ OS-ii嵌入式操作系统的多任务模块化设计方法，设计基于GPRS 通信的网络电能表。其中通信模块硬件由ARM 微处理器及相关外设组成， 实现GPRS 通信、RS 232 串行通信、RS 485 串行通信及红外通信等多种通信方式； 系统软件采用硬件驱动层、操作系统层、应用接口层和应用层四层结构，任务间通信由应用接口层实现消息接收和分发， 具有各任务相互独立、无直接耦合的特点。

　　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RS 485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1 200 m,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、JT AG 仿真接口、LED 指示及电源转换等。

图1 GPRS 网络电能表系统框图

　　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DA C; 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, I2 C, 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 MH z 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T CP/ IP 协议栈， 具有两个通信链路， 一路标准TT L 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TT L 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FLA SH 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uC/ OS-ii嵌入式操作系统的多任务设计， 整体架构如图2 所示。

图2总体架构框图

　　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。

图3 主程序流程图

　　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。

图4 GPRS 链路维护流程图

　　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？？C/ OS??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。