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GPRS技术在电能量计费系统中的应用 摘要： 介绍了基于GPRS技术的电量计费系统的构成和工作原理。并具体给出了无线电能数据采集终端的软硬件设计过程。最终阐述了数据采集终端与电量计费主站的通信过程。经过试验测试，运行稳定牢靠，符合实际应用的要求。 Abstract： The component structure and operational principle of the electrical power measurement system based on GPRS technology are introduced in this paper. Then the hardware and software design procedure of the wireless electrical power data collection terminal are also offered in detail. It explained the communication of the data collection terminal and electrical power measurements severs station. As has been test practically, the presenting system runs reliably and satisfies the request of application. 关键词： 电能量计费系统；无线电能数据采集终端；GPRS技术 Key words： electrical power measurement；wireless electrical power data collection terminal；GPRS technology 中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：1016-431134-0180-02 0引言 在我国城乡电能量计费管理领域中，对电能量的计量管理手段较落后，常采纳人工估算、人工抄表等方法。这些方式弊端许多，使城乡电能量管理水平处于相对落后的状态。近年来，随着城乡电网集中建设改造，如何精确刚好地完成电表读数的采集工作将是一个越来越重要的问题，本文探讨的基于GPRS技术的电能量计费系统主要是针对城乡供电系统管理的自动化、网络化改造提出来的。电能量计费系统也叫自动抄表系统，它能够自动从工业现场抄取各种与电能量相关的数据，利用主站强大的数据库完成电能量计费、电网系统负荷分析、电网关键事务记录等等功能。 随着Internet 网络技术和移动通信的不断发展，GPRS技术渐渐为我们所熟知，成为测控系统中数据传输的一种新手段。GPRS技术1是通用分组无线业务的简称。由于GPRS 网络支持TCP/ IP、UDP 等无线协议，而且可以与分组数据网(如Internet) 等互通，大大提高了数据传输速率和传输量，兼且采纳按流量计费方式它具有实时在线、按量计费等优点。因此将GPRS技术应用于电能量计费系统中是一种经济、牢靠的解决方案。 1系统构成 电能量计费系统一般包括电能计费主站、无线电能数据采集终端，多功能电能表、移动通信网和Internet网络等部分组成。其基本结构如图1所示： 电能计费主站上装有大型应用软件，前台为一管理软件，完成数据通信、数据分析、数据管理等的功能。后台为大型关系数据库，前台软件把数据通信得到的各种数据根据要求保存到后台数据库中；并依据后台的大型数据库内的数据完成数据分析、管理等功能。 无线电能数据采集终端完成从多功能电能表中读取指定数据，并将这些数据组成一个个IP数据包，利用GPRS模块接入移动通信网，再由移动服务商转接到Internet网路，最终通过网关和路由器到达电能计费主站。主站依据约定的通信协议索要采集装置中存储的数据，电能数据采集装置依据要求对吩咐进行响应，完成一个完整的通信过程。 2无线电能数据采集终端硬件结构 无线电能数据采集终端主要有两个功能：一是从多功能电能表中读取须要的电能数据并存储；二是依据主站的吩咐要求上传采集的电能表中的各种电能数据。该无线电能数据采集终端的硬件结构图如图2所示： 系统硬件由CPU、实时时钟、非易失性RAM、液晶显示、GPRS模块以及多路串行口转换等部分构成，其中CPU采纳Silicon Laboratories公司2生产的低功耗微处理器C8051F0203，RTC(实时时钟)具有较高的精度，保证采集电能量的精确；存储器采纳非易失性RAM,系统掉电后可以保存十年之久，保证采集的电能数据在掉电的状况下仍旧保存；串行口扩展采纳TL16C554，该芯片内有多个寄存器组，用于限制并行接口的数据转化为异步串行数据，该4路串行信号均被转换为RS485信号用于读取电能表内的电能数据。；GPRS模块干脆与CPU中的串行接口连接完成数据通信功能。其中，GPRS模块采纳索尼爱立信的GR47,该模块单一电源供电，内部具有TCP/IP协议栈，操作便利牢靠。 2.1 GPRS模块4与CPU接口GPRS模块的接口信号主要包括，标准串行接口信号、模块工作启动信号、SIM卡接口信号、模块电压输出信号以及模块状态指示信号。GPRS模块采纳3.6V直流电源供电，内部数字信号电平为2.75V，而主系统数字信号电平为3.3V，采纳两片电平转换芯片74LVC4245把双向信号转换为合适的电平，完成与CPU的通信。详细连接电路如图3所示： CPU用一路标准串行接口信号经过电平转换与GR47模块的串行接口连接，CPU通过RI、DCD、DSR、CTS信号来推断模块GR47的状态，通过限制DTR、RTS信号来限制GR47的工作；而GR47供应一个标准的SIM卡接口电路，包括SIMVCC(SIM卡电源)、SIMRST(SIM卡复位)、SIMCLK(SIM卡时钟)、SIMDATA(SIM卡串行数据)和SIMPRE(检查SIM是否打算好)。GPRS模块启动后，它给SIM卡供应一个电压和一个有效的复位信号，然后通过SIMPRE信号检测SIM卡是否存在，假如状态信号完全正确，则通过SIMDATA信号发送同步串行数据；假如SIM卡没有打算好，则SIMCLK、SIMDATA都没有信号输出。 2.2 串行口扩展电路系统须要多个串行口，分别用于读表、设置参数和与主站通信。采纳通用UART芯片TL16C554扩展为4路完整的串行口。TL16C554的数据线与系统总线连接，地址线与系统低3位地址线连接用于确定芯片内寄存器地址，读写和复位信号线与系统读写和复位线连接，4位片选信号与系统译码逻辑对应的片选连接。扩展出的4路完整串行口分别用于读表和设置参数。 2.3 实时时钟与CPU的接口系统运行时，依据实时时钟供应的外中断信号进行时间推断，确定是否读取电能表中的数据。因此要求实时时钟有外部中断输出，同时对于采集周期密集的状况要求时钟精度较高，因此可利用CPU内部的SMBus总线外扩高精度实时时钟芯片PCF8653来实现。 2.4 存储器接口存储器采纳非易失性RAM，即静态RAM加电池的方法，存储操作速度快、接口简洁，其信号线与CPU的总线干脆对接即可5。 2.5 液晶显示接口液晶采纳具有汉字字库的灰度液晶，接口采纳并行接口，干脆与系统数据地址总线连接即可，运用时干脆对液晶内部的寄存器进行操作即能完成显示操作。 3无线电能数据采集终端软件结构 无线电能数据采集终端主要完成从电能表读取电能数据、存储电能数据并与远端计费主站通信传输数据的任务。系统中主要有读表任务、与主站通信任务、参数设置任务、显示任务、存储器管理任务等等，其中读表和与主站通信任务实时性较强，其他任务实时性较弱。采集器系统软件以实时性要求较高的两个任务为中心，完成其主要功能。系统主体为多个任务的处理模块的循环：一般状况下依据设置参数串行口的设置定时读取电能表中的相关电能数据以及其它数据；当与主站通信的端口获得吩咐数据时，采集器在依据吩咐要求在存储器中找寻满意要求的数据组织成数据帧向主站回发数据，完成通信过程。系统软件流程如图4所示： 4无线电能数据采集终端与计费主站的通信 由于计费主站与采集装置通过无线GPRS网络进行数据通信，通信方式为基于IP的无线分组方式，因此通信过程与一般有线电话的通信方式不同。采集装置作为客户端，IP地址浮动；计费主站作为服务器，IP地址固定。正常状态下，采集装置处于在线状态，平常等待计费主站向其发送吩咐数据。其通信过程有以下几个部分构成：确定计费主站IP地址，通过设置端口在采集装置中设置主站IP地址和TCP端口。采集装置上电后，初始化GPRS模块，根据设定的主站的IP地址找寻登陆主站。采集装置与主站建立连接后，自动上报该采集装置自身的相关参数。确认计费主站收到后则等待主站发送吩咐数据。计费主站在采集装置登陆胜利后的随意时刻可以依据通信协议组织吩咐帧，完成与采集装置的通信任务。 通常状况下，采集装置与计费主站建立连接后会始终保持在线状态，但是由于网络缘由或者其他缘由也可能出现连接失效的状况，这种状况下，主站或者采集装置都不知道连接已经失效。系统通过采集装置定时主动发送“心跳包”的状况解决该问题。详细做法是：采集装置在线状况下，假如连续10分钟没有收到计费主站发送的协议吩咐帧或者有效的“心跳包”回应，则发送“心跳包”数据，假如能收到主站回发的心跳包回应，则认为采集装置目前还在线上；假如在肯定时间内无法收到有效的“心跳包”回应，则认为采集装置已经掉线。这时采集装置应主动挂断网络并试图重新登陆主站。 5总结 GPRS 技术给电量计费供应了一个解决方案,具有传送实时、运行牢靠等优点。该系统已经在部分省市城乡电网管理部门投入运用。经实际应用证明,该系统运行良好,传输数据稳定。另外由于无线通信网目前建设比较完备，设备安装也比较便利，因此利用GPRS网络完成电量自动计费系统是发展的必定。 参考文献： 1钟章队，蒋文怡，李红君.GPRS通用分组无线业务M.北京:人民邮电出版社，2001. 2C8051F020/1/2/3 Mixed-Signal ISP FLASH MCU FamilyZ. 1DS003-1.1,Cygnal Integrated Products Inc,2002. 3潘琢金.C8051FXXX高速SoC单片机原理及应用M.北京:北京航天航空高校出版社，2002. 4Song Ericsson.GR47/GR48 AT Commands Manual M. SonyEricsson，2003. 5李华.MCS-51系列单片机好用技术接口M.北京:北京航空航天高校出版社，11013. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页