基于GPRS的远程抄表监控设计与研究.pdf

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1、http:/-1-基于基于 GPRS 的远程抄表监控设计与研究的远程抄表监控设计与研究 吴明龙，刘百芬 华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌（330013）E-mail：Pink_ 摘摘 要：要：本文参考了用电远程监测系统领域的现阶段技术，提出了一种基于以 GR64 通信模块和高性能的 ARM7 器件 LPC2294 的用电远程监测系统，先简述了 GPRS 通信业务及 GR64模块的特点，然后重点介绍了基于 GPRS 的抄表监控系统的组成及原理，给出了硬件结构图，并简要的阐述了具体的软硬件设计过程。实际应用表明，该系统在实现远程抄表、实时监控、防窃电功能的同时还具有性价比好等优点。关键词：

2、关键词：GPRS，GR64，监测单元，远程抄表监控 0.引言引言 近年来，随着信息化、智能化、网络化的发展，电力远程监测行业得到了迅速的发展。传统的远程抄表监控系统通常有两种方式：一种是使用电话线和调制解调器来传送数据和控制信息；另一种是采用 GSM MODEM 和短消息方式进行远程无线抄表监控。前一种方式的缺点是扩展性能差、稳定性不好，维护成本也高；后一种方式的缺点是实时性不好、通信流量低、通信信道容易产生拥塞，不适用于大数据量的通信。随着经济的高速发展和现代化管理水平的提高，供电企业需要一种投资较少，安装及维护方便，通信可靠，准确性高的远程无线抄表监控的解决方案。常见无线监控系统的数据传送

3、模式有集群电台、短消息(SM)及GPRS 模式；本系统采用 GPRS 模式。由于 GPRS 模式是利用 GPRS 移动网络系统中提供的无线 IP，无需专门布线即可在 GPRS 服务网络平台上实现，节省大量人力物力，投资小、收益大、抄表监控范围广，并且系统传输容量大、速率高、费用低、实时性好、能及时采集数据、可以实现远程实时控制等，真正地体现智能化管理。1.GPRS 简介简介 GPRS 是 General Packet Radio Service（即通用分组无线业务）的缩写，是介于移动通信第二代和第三代技术之间的一种过渡形式，通常称为 2.5G。目前 GPRS 采用分组交换技术，按流量计费，仅在

4、发送数据时才占用无线资源，降低了对传统交换电路网络的依赖，GPRS还能有效利用一些稀缺资源1，从而改善数据业务质量，其改善网络服务性能的一种途径就是可分享一个单元(又称蜂窝)中相同的无线资源。GPRS 是一种新兴的无线上网通讯技术，其原理是利用 GSM 网络引入数据分组交换功能进行数据传送，它不但集中了其他几种无线通讯方式的优点，而且还可与分组数据网直接互通；能够随时为用户提供透明的 IP 通道，可以通过 Internet 网络随时随地的构建覆盖全国范围内的虚拟移动数据通信专用网络，为广大中小用户提供便利接入，节省接入投资；采用信道复用技术，每一个 GPRS 用户都能够实现永远在线，有效的提高

5、了数据传输速度和数据流量，因而 GPRS 特别适用于间断的、突发性的以及频繁的、中小流量的、点多分散的数据传输系统，也适用于偶尔的大数据量的传输系统。另外，GPRS 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等，且 GPRS 的价格优势比较明显2。2.GPRS 模块模块 GR64 GR64 是 Sony Ericsson 公司 2006 年 4 月上市的一款内嵌 TCP/TP 协议栈的新一代可编http:/-2-程无线通信模块，它带有 GSM/GPRS 全套语音和数据功能，可以向下兼容 GR47，内嵌的ARM9 CPU 可以开放给用户，可以直接使用相应的 AT 指令进行开发工作，使用户可以最大

6、程度缩短 GPRS 产品研发周期，节省成本。GR64 模块具有超小的体积，所有功能都集中在一块集成的芯片内；较低的功耗，工作电压范围是 3.2-4.5 V，数据传输时平均电流 330mA，功率为 2W，休眠状态时平均电流约为1.6mA；内嵌 TCP/IP 协议栈且支持数据透明传输(Data Terminal Unit)，使得 GPRS 进行数据传输变得非常便捷同时有利于用户的二次开发。GR64 具有丰富的存储资源，256KB 的脚本空间可以同时容纳 2 个脚本，可用于 CSD 方式下的脚本远程升级，至少 50KB 的数据 NVM空间，100KB 的 RAM，还有丰富的功能库，涵盖所有的底层驱动

7、，用户只需编写自己的应用程序，从而使利用 GPRS 进行数据传输变得非常容易。对外有 2 个自适应波特率和帧格式的串口，其中 UART1 用于工作 AT 指令通道或程序下载，UART3 为通用串口，可以连接其他外部设备；此外，还有 USB2.0（功能与 GR47 UART2 相同，主要用于调试程序）、SPI、I2C、天线、音频接口，12 根 I/O 线（其中 8 根复用），AD/DA 转换器，蜂鸣器以及实时时钟等内置外设。GR64 是可以配置的，使得外部输入、输出接口提供的外部控制应用更有效，从而令 GR64 产品更适合 M2M 解决方案。GR64 模块有两种工作方式，一种是内部脚本方式，即直

8、接利用模块开放的 CPU 和系统资源，将类 C 语言脚本下载到模块的 NVM（Nonvolatile Memory）中使用，脚本在模块本身的CPU中运用，内部脚本解释器从NVM中读入脚本，逐行解释执行3，模块通过UART3与数据终端接口；另一种方式是外部控制器方式，脚本在外部微控制器中运行,微处理器通过 UART1 向 GR64 发送 AT 指令控制其工作。典型的应用是将一个微控制器和 GR64 模块结合起来，微处理器向 GR64 的 UART1 发送 AT 指令，数据通过 GR64 发送到远端的服务器上。此外，还可以利用 GR64 的 I2C 总线和 I/O 线与其它许多外设进行通信。3.系

9、统的总体实现系统的总体实现 该系统由智能电表、现场监测单元、GPRS 数据传输、因特网传输、控制终端(即手机)、信息管理中心服务器等组成，如下图 1 所示。其中，控制终端的手机用于发送系统的控制命令和接收系统返回的短消息信息；现场监测单元是整个系统的核心，它由摄像模块、通信模块和控制单元等三部分组成。首先，智能电表负责提供电力用户的用电计量和其它数据，通过串行口发送给 GPRS模块，再通过 GPRS 模块把数据发送到 GPRS 网络，透明地传送到监控中心。监控中心也可以反向传送各种指令通过 GPRS 网和因特网发送到 GPRS 模块中，再由 GPRS 模块传送给各个智能仪表，控制终端的运行。h

10、ttp:/-3-图 1 系统的结构图 4.现场监测单元的设计现场监测单元的设计 4.1 监测单元的硬件设计监测单元的硬件设计 现场监测单元一方面与用户的电表通信，并监视柜门、室门开闭事件，另一方面与主站通信，定间隔的发送数据、并响应来自主站的指令。监测单元的硬件结构连接如图 2 所示，主要由电源、主控制器模块、GPRS 通信模块、摄像模块、存储器、保护电路及通信接口组成。其中：摄像模块负责捕获窃电现场的图像证据；通信模块负责与 GPRS 网络通信，传送各种需要发送的数据；控制单元是现场监测单元的核心部分，它负责协调各部分的工作，从而实现抄表和监视功能，它是现场监测单元的“心脏”。监测单元通过

11、RS-485 等通信接口采集数据，经主控制器分析、处理后保存在 Flash 存储器中，并可以根据需要采用 RSA、3DES或 MDS 等数据加密算法，通过 GPRS 无线数据通信模块 GR64 把采集到的数据封装成 TCP/IP 数据包传送至主站系统进行数据处理。图 2 监测单元硬件框图 主控制器用于协调系统终端的各模块的工作，进行相应的数据处理。由于该系统的外围电路较复杂，所需通信接口较多，存放拍摄的窃电图像证据也需要很大的数据存储器，所以http:/-4-本设计中采用 Philips 公司的 ARM32 位嵌入式 RISC 控制器 LPC2294。LPC2294 是一个基于支持实时仿真和跟

12、踪的 16/32 位 ARM7TDMI-S CPU，集成了 Thumb 扩展指令集，并带有可在系统编程(ISP)的片内 256 KB Flash 和可在应用编程(IAP)的 16KB RAM。它有极低的消耗，128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构；嵌入式 ICE-RT 和跟踪接口；多个 32 位定时器；8 路 10 位 A/D 转换器；4 个先进的 CAN 通道；PWM 通道；多达 9 个外部中断；通过片内 PLL 可实现最大为 60MHz 的 CPU 操作频率；76-112 个可用 GPIO 口以及内置了宽范围的串行通信接口（2 个 UART、高速 I2C 接口和 2 个 SPI 接口）

13、，由于内置了宽范围的串行通信接口，它非常适合于通信网关、协议转换器以及许多其它的应用4。该芯片加上少量的外围电路，就可组成完整的现场监测单元执行器控制器，电路结构十分简单。终端各设备采集上来的数据需要的内存较多，为了便于系统终端智能化的高度集成，本文采用的是GR64模块的第二种工作方式，即通过外部串口UART发送AT指令的控制方式。LPC2294 微处理器通过 232 串行通信接口经分压电路进行电平转换后与 GPRS 无线模块GR64 连接；通过 485 串行通信接口直接与智能电表连接；用硬件 UART 和摄像模块的串口通信；微处理器实现对电表或摄像模块电路工作数据的采集和智能控制，GR64

14、数据传输模块实现数据的无线传输。智能电表对用户用电情况等数据进行记录，摄像模块电路对用户窃电行为进行监控。查询指令将电表数据经 RS485 通信接口读进，摄像图片经 UART 接口读进；控制指令由 I/0 口对终端设备实现智能控制，终端设备接收到查询命令后，反馈回相关信息，信息经 CPU 处理(各电表反馈的相关信息到达 CPU 的数据处理模块后，按事先配置参数进行处理)，处理后的数据通过 GR64 模块传送到中心服务器，并依各终端设备反馈进行智能控制及报警处理。发生报警事件，如缺相、失压、开闭柜门、开闭室门以及其他电表的 SOE 事件等，立即主动报警给主站，同时发送短信告诉相关工作人员。LPC

15、2294 微处理器除具备对终端设备工作数据的采集和控制外，还可以对三相电压的运行情况进行判断并能对非正常运行做出报警、断电等响应。4.2 监测单元的软件实现监测单元的软件实现 固定单元软件的主要功能是通过 ARM 微处理器处理各终端设备采集上来的数据并控制GPRS 模块实现数据的无线传输。下面对 GPRS 与监控中心的连接和数据采集的传送两部分作介绍。4.2.1 GPRS 与监控中心的连接与监控中心的连接 本部分的设计最终目的是把数据送到网络中，并要接收网络传来的数据。GPRS 模块是用来完成终端设备无线接入到 GPRS 网络中的。先上电初始化 GR64，再通过发送 ATD 拨号命令进行 GP

16、RS 网络连接，拨号连接的过程遵循 PPP 协议。当模块附着到 GPRS 网络后，即进入命令模式，此时 GR64 模块的 DTR 和 DCD 均为高电平，并通过 ARM LPC2294 向 G R64 的 UART1 发送相应 AT 指令建立连接，如表 1 所示，其中假设监控中心服务器的 IP 为：XXXXXX，接入端口号为：XX。当 GR64 回复“CONNECT”则表示建立连接成功。建立连接后，GR64 就进入与监控中心 1:1 的透明传输模式了，此时若要使模块返回到命令模式下，只需将 DTR 电平置低，等待 GR64 回复 OK 后，GR64 就进入了命令模式，在此状态下发送“AT*E2

17、IPA=0，1”可关闭 Socket 连接。http:/-5-表 1 AT 指令发送状况 发送次序 AT 指令 GR64 回复 1 AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”OK 2 AT*E2IPA=1，1 OK 3 AT*E2IPI=0 OK 4 AT*E2IPO=1，“XXXXXX”，XX CONNECT 4.2.2 数据采集的传送数据采集的传送 数据采集主要是通过 ARM 将各终端设备的 AD 转换值采集上来的过程。数据采集完毕后，要传送到监控中心。为了保证数据传输的快速实现，系统采用了多任务同时执行的方式.所以可以同时对数据实现存储，GPRS 传输、液晶显示等功能。首先系统串

18、口建立各终端设备采集进程，负责读取每一路终端设备的寄存器数据；然后系统按照各个中断的优先级别，依次执行。由于各项参量数据不是独立传送的，因而要先采用 TLV 的格式对所有的数据进行按顺序编码打包，再以固定的长度对打包好的数据进行分块，分块是为了使每次送入网络的数据长度适中，便于传输，最后调用数据传输子程序把每块数据依次发送到网络中去。数据在送入 GR64 模块之前，原始数据块依次由应用层数据传送命令报文、传输层 UDP 包、网络层 IP 包和链路层 PPP 帧报文进行封装，再经 GR64 发送到网络中。5.结束语结束语 GPRS 技术非常适合于抄表监控等分布式的远程监控，与传统方式相比，用 G

19、PRS 技术构建抄表监控系统的优点有永远在线、实时性好、数据传输量大、便于维护、收费合理等。本文主要分析了开发的基于 GPRS 技术的远程抄表监控系统的工作原理以及软硬件的实现过程等。该系统具有高可靠性、电路简单、开发效率高、成本低及扩展性能好等特点，较好解决了电表的实时数据传输、电表实时监控问题，对减少运营成本和加强用电监控管理起到了积极的作用。http:/-6-参考文献参考文献 1(美)R.J.(BUD)BATES 著,朱洪波等译.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用M.北京:人民邮电出版社,2004.2 魏文俊,尹平林,王仲东.基于 GPRS 的电能表集抄系统设计和应用J.自动化技术与

20、应用,2007,26(1).3 GR64 GSM/GPRS Modem Integrators ManualM.K:Sony Ericsson Mobile communications International,2006.4 Philips Semiconductor,LPC2294 Data sheetS.2001.5 田泽.嵌入式系统开发与应用M.北京航空航天大学出版社,2005.6 李玉萍,等.基于GSM/GPRS用电远程监控系统J.计算机测量与控制,2007,15(8).Design and research of remote meter monitoring system ba

21、sed on GPRS Wu Minglong,Liu Baifen School of Electrical and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang(330013)Abstract This text takes the presently electric remote monitor technique as foundation,puts forward a kind of electric remote monitoring system which consists of GR64 com

22、munication module and high performance ARM7 LPC2294.Firstly,the text describes the characteristics of GPRS wireless service and GR64 module;then the makeup,the basic theory,the hardware principle diagram are presented.A brief description about the design process of software and hardware are described.According to the application results,the system performs remote data acquisition,real-time monitoring and stealing-electricity prevention functions besides its high cost performance.Keywords:GPRS,GR64,monitoring unit,remote meter reading and monitoring