通用分组无线服务技术在电力抄表系统中的应用

第32卷第3期上海理工大学学报JUNIVERSITYOFSHANGHAIFORSCIENCEANDTECHNOLOGYVO132NO32010文章编号10076735201003028504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200093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GSM网络发展起来的通用分组无线服务技术GPRS，提出了利用GSM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GSMGPRSGTM900模块，以单片机为核心，通过RS232RS485接口，实现了数据终端电能表与无线传输的连接，并备有AD转换接EL，可实现模拟信号的直接采集与传输关键词GPRS；无线传输；单片机；无线抄表中图分类号TP8024文献标志码ANAPPLICATIONOIGENERALPACKETRADIOSERV1CEINMETERREADINGSYSTEMZHANGXIAOZHONG，HAORUNKE，CULYITIANSCHOOLOFOPTICALELECTRICALANDCOMPUTERENGINEERING，UNIVERSITYOFSHANGHAISCIENCEANDTECHNOLOGY，STTANGHAI200093，CHINAABSTRACTTHETRADITIONALMANUALMETERREADINGISNOTONLYTIMECONSUMINGANDLABORIOUS，BUTALSONOTEASYTOOBTAINREALTIMESTATISTICSOFELECTRICITYCONSUMPTIONACCORDINGTOTHISCONDITION，THEGENERALPACKETRADIOSERVICEGPRSWASDESCRIBEDBASEDONTHEEXISTINGGSMNETWORK，ANDAMETHODOFTRANSMITTINGTHEMETERREADINGDATATOPOWERSYSTEMWASPROPOSEDVIAUSINGOFGSMMOBILEPHONESFORINTERNETACCESSTHESYSTEMWHICHINCLUDESTHEGSMGPRSGT【900MODULE，THESINGLECHIPMICROCOMPUTERANDTHERS232RS485INTERFACE，ENABLESTHECONNECTIONBETWEENTHEENDWATTHOURMETERANDTHEWIRELESSDATATRANSMISSIONEQUIPPEDWITHTHEADCONVERSIONINTERFACE，ITCANREALIZETHEDIRECTANALOGSIGNALACQUISITIONANDTRANSMISSIONEXPERIMENTSSHOWTHATTHEMETHODISEFFECTIVETOIMPROVETHEACCURACYANDCONVENIENCEOFPOWERMETERREADINGSYSTEMKEYWORDSGPRS；WIRELESSTRANSMISSION；SINGLECHIP；WIRELESSMETERREADING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GLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONS，GSM网络已覆盖我国的绝大部分地区通用分组无线服务技术GENERALPACKETRADIOSERVICE，GPI是基于现有的GSM网络发展起来的一种分组数据承载业务，利用GSM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P89O669单片机为核心，利用GTMG00无线通信模块，用GPRS无线抄表的方式，实收稿日期20090115作者简介张晓忠1983一，男，硕士研究生EMAILEPOSAR163COM上海理工大学学报2010年第32卷现了将采集的数据通过INTEMET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1GPRS系统GPRS使用分组交换技术，在GSM系统的基础上新增了两个节点GPRS网关支持节点GGSN和GPRS服务支持节点SGSNSGSN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GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收GGSN主要起网关作用，可以与多种不同的数据网络连接，如ISDN综合业务数字网、PSPDN包交换公用数据网和LAN局域网等GGSN可以把GSM网中的GPRS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TCPIP网络GPRS网络具有以下特点A快速登陆GPRS接人等待时间短，无需长时间的拨号建立连接过程，平均为2SB永不掉线只要激活GPRS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GPRS最高传输速度1712KBPS，平均带宽40KBPSD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999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SIM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2GPRS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RS485方式采集智能电能表的数据，然后通过RS232的方式把数据传送给GPRS无线模块，最后由GPRS无线模块通过TCPIP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PUARTSIM1【一图1系统逻辑框图FIG1SYSTEMLOGICDIAGRAM21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、GPRS模块、系统时钟模块、SIM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ASHILSIM时钟电路电源接口本地配置接口SIM卡接口图2系统结构框图FIG2SYSTEMSTRUCTUREDIAGRAM211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50V电源，通过MP2104芯片把5V电源转换为33V给GPRS模块供电，电平转换电路如图3所示5V驿一MP21044UH。上_L一R图3电平转换电路FIG3LEVELCONVERTERCIRCUIT212看门狗模块看门狗模块采用了X5045芯片，它是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM3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287可编程控制电路X5045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X5045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213单片机模块单片机采用P89C669，它包含96K字节的FLASH程序存储器、2K字节的数据SM、1个可编程计数器阵列PCA、可配置成不同时问范围的看门狗定时器通过SFR的位设置、2个增强型T以及字节型I2C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A23位的程序存储器空间和23位的数据存储器空间，程序数据地址范围增加到8M字节；B线性地址经扩展后可支持高达8M字节的程序存储器和数据存储器；C100二进制兼容典型的80C51，现有代码可全部再使用；D4个中断优先级，32个I0口4个端口；E3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214GPRS模块GPRS模块采用华为的GTM900芯片G1M900无线模块是一款三频段GSMGPRS的无线模块，它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能内置TCPIP协议，支持标准AT命令集和扩展AT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UART口与单片机通信来实现单片机对GTM900发送AT指令以及数据的传送215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DALLAS公司的DS12887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BCD码代表日历和闹钟信息C数据地址总线复用，内建128字节RAM，包括14字节时钟控制寄存器和114字节通用RAMD当VCC低于425V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VCC低于3V时，芯片自动把供电方式切换为内部电池供电216SIM卡接口模块GTM900支持18V和30V两种类型的SIM卡，符合GSML111PHASE2规定的IS078163标准，同时支持SIMTOOLKITRELEASE99标准SIM卡采用直接接触式方式，简单方便217电能表数据采集接口。智能电能表采用美国AD公司推出的高精度电能测量集成芯片ADE7757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ADE7757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ADC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ADE7757芯片内部的两个C以后，ADE7757内置的乘法器将电压和电流相乘，得到有功功率，ADE7757通过数字一频率转换器将功率转换成频率输出单片机P89C669通过外部中断方式对ADE7757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RS485接口方式送到GTM900模块，再由GTM900与之前得到的AT指令连接到相应IP地址的PC机22系统软件设计4系统软件采用C语言编写，在KEIL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GTM900模块的AT命令对GTM900进行初始设置和信息数据的处理221连接的建立GPRS模块连接到INTERNET和GPRS网络的实现过程为单片机软件控制GTM900模块开机，等待此模块正常启动；通过单片机和GTM900模块连接的串口，向GTM900模块写入相应的AT设置命令，进行初始化，使模块成功黏附在GPRS网络上，获得网络运行商分配的动态IP地址，与目的终端建上海理工大学学报2010年第32卷立连接222数据的处理数据包在数据中心服务器和GPRS服务器中是基于IP数据包传输的，但明文传送IP包不可取，因此大多选用PPP点对点协议进行传输，实现通过GPRS模块的数据和INTERNET网络的透明传输GTM900内部集成了TCPIP协议，所以用户可以直接通过GTM90】传递数据A模块与PC机的数据传输要求PC机具有公网的IP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INTERNET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GTM900，GTM900就会把数据转发给相应的IP地址的PC机B短消息数据的处理在与INTERNET连接5次不成功后启用GTM900的GSM短信息功能短消息采用PDU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PDU格式返回给相应的发送者CGPRS通信心跳信息GPRS通信网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线，因此典型的GPRSDTU在设计上都支持永久在线功能，这就要求DTU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DTU与中心的连接，心跳包就是DTU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IP地址、端口号、终端地址、SIM卡号等存入单片机的EEPROM中需要时从EEPROM中读出或向EEPROM重新写入数据进行设置223PPP协议在GPRS中的应用PPP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PPP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PPP包含这样几个部分链路控制协议LCP、网络控制协议和认证协议PPP中最常用的认证协议包括口令验证协议PAP和挑战握手验证协议CHAPLCP负责创建、维护或终止一次物理连接NCP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PPP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PPP链路就建立起来了224程序流程程序总体上可以分为GPRS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