基于GPRS的遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言
    遠程抄表系統(tǒng)是集現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、電能計量技術(shù)和電力營銷技術(shù)為主體的用電需求綜合性的實時信息采集與分析處理設(shè)備。終端以公共移動通信網(wǎng)絡(luò)為主要通訊載體，通過多種通訊方式實現(xiàn)與系統(tǒng)主站之間的數(shù)據(jù)通訊，具有遠程抄表、用電異常信息報警、電能質(zhì)量檢測、負荷曲線管理和負荷控制管理等功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)建
    各個監(jiān)控現(xiàn)場一般距離主站系統(tǒng)較遠，若要掌握多個監(jiān)控現(xiàn)場的情況，把各個監(jiān)控現(xiàn)場的電壓、電流、功率、以及度數(shù)等數(shù)據(jù)信息傳送到主站系統(tǒng)，需要建立一個星型的測控通信網(wǎng)絡(luò)，解決數(shù)據(jù)遠程傳輸問題。由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，配電中心計算機主機配置固定的IP地址，各個電表數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊和該主機進行通信。
1．1 遠程電量監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
    整個監(jiān)控系統(tǒng)由一個主站系統(tǒng)和若干個現(xiàn)場站點組成，而現(xiàn)場站點一般包含有前端數(shù)據(jù)采集器和現(xiàn)場下位機，系統(tǒng)構(gòu)架見圖1所示。主站系統(tǒng)(中央管理器)主要工作是監(jiān)視和記錄各現(xiàn)場站點的工作狀態(tài)，從而達到遠程控制現(xiàn)場站點的目的。現(xiàn)場站點主要對電量的各種參數(shù)進行采集與傳送，中央管理器可對各現(xiàn)場站點的歷史記錄進行查詢，從而達到對電力運行過程進行科學(xué)管理、預(yù)防事故發(fā)生的目的。中央管理器和各現(xiàn)場站點之間GPRS相連，由中央管理器主動建立鏈接，現(xiàn)場站點接到呼叫后應(yīng)答進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣做的好處是可以避免多個現(xiàn)場站點同時呼叫，防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞。
    GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：通過GPRS服務(wù)，設(shè)備可采用互聯(lián)網(wǎng)Internet的標準方式與在互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器交換數(shù)據(jù)。GPRS的基礎(chǔ)是以IP包的形式進行數(shù)據(jù)的傳輸，GPRS無線終端接入GPRS網(wǎng)絡(luò)的方法與普通有線MODEM類似，都采用建立PPP(Point—to—Point Protoco1)連接方式。PPP協(xié)議是一種被廣泛采用的串行點對點鏈路上傳輸數(shù)據(jù)包的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRSMODEM通過PPP協(xié)議獲得動態(tài)分配的IP地址。連接建立后，在PPP協(xié)議的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如TCP、UDP等實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)上其它計算機的數(shù)據(jù)通訊。
    GPRS傳輸方式：在遠程終端，采集數(shù)據(jù)通過A／D接口送入GSM／GPRS無線通信控制終端，GSM／GPRS無線通信控制終端首先將數(shù)據(jù)打包成TCP／IP數(shù)據(jù)包，再轉(zhuǎn)換成GPRS數(shù)據(jù)包，通過無線鏈路傳送到無線數(shù)據(jù)交換中心(MDEC)。MDEC再剝離GPRS數(shù)據(jù)包并通過GGSN網(wǎng)關(guān)將TCP／IP數(shù)據(jù)包傳送到Internet，再由Internet傳送到通信控制計算機，通信控制計算機通過Socket套接字接受TCP／IP數(shù)據(jù)包，并把它還原成原始數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心到遠程終端方向時，情況是類似的。
1．2 監(jiān)測站點的硬件組成設(shè)計
    監(jiān)測站點由前端數(shù)據(jù)采集器和現(xiàn)場下位機構(gòu)成，其中前端數(shù)據(jù)采集器采用CS5460模塊和LPC932單片機構(gòu)成，它負責(zé)采集監(jiān)控現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)并存儲。線路的內(nèi)部經(jīng)過嚴格的電磁隔離，測量電路經(jīng)過采樣、A／D轉(zhuǎn)換處理后形成的數(shù)字信號再經(jīng)過光電耦合由信號適配器向從單片機LPC932傳送，主單片機與從單片機之間可采用I／0口模擬時序的方式進行串口通信。
    現(xiàn)場下位機部分是整個系統(tǒng)的工作核心，既負責(zé)和前端數(shù)據(jù)采集器之間的通信，又負責(zé)和中央管理器的數(shù)據(jù)通信，即將轉(zhuǎn)換和處理后的信號送到中央管理器，還要負責(zé)和“時鐘+看門狗”電路及顯示電路的通信。因此，這部分電路至關(guān)重要。針對系統(tǒng)的要求和實際應(yīng)用條件的情況，選用高性能的rabbit單片機作為系統(tǒng)的監(jiān)控核心，Rabbit2000是專門為嵌入式控制，通信和以太網(wǎng)連接而設(shè)計的微處理器，具有非常低的電磁干擾。Rabbit2000是Rabbit半導(dǎo)體公司為嵌入式環(huán)境設(shè)計的高性能低價位的8位微處理器，以其C語言友好指令集和快速數(shù)字處理功能而受到矚目。Rabbit2000的結(jié)構(gòu)以Zilog公司的原始Z80微處理器為基礎(chǔ)，但作了幾項改進：不像Z80指令集那樣使用16位尋址覆蓋存儲空間，而用1個20位或l兆字節(jié)的實際存儲空間：采取直接與靜態(tài)存儲器相連接的方式，有3條存儲芯片選擇線路和2組寫入／輸出啟動線路。Rabbit2000的系統(tǒng)工作頻率最高可達29．49MHz。Rabbit2000片上外設(shè)包括5個8位并行I／0端口、4個串行端口、1個子端口、5個8位定時器、1個lO位定時器、精確脈沖發(fā)生硬件和電池支持的RTC。其串口可采用同步或異步傳輸方式，采用29．4912MHz的系統(tǒng)頻率，異步傳輸速率最高可達91．6kbps。
    現(xiàn)場下位機部分主要包括：主從芯片單片機、顯示電路、時鐘+看門狗電路、GPRS等部分。它與前端數(shù)據(jù)采集器一起構(gòu)成了現(xiàn)場站點?，F(xiàn)場站點的系統(tǒng)組成連接如圖2所示。

2 主站系統(tǒng)的總體設(shè)計
    主站系統(tǒng)由個人計算機加上管理軟件構(gòu)成。該部分由Pc機、Windows操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫組成。數(shù)據(jù)庫采用Access數(shù)據(jù)庫，將不同現(xiàn)場站點的狀態(tài)參數(shù)以及現(xiàn)場信息存儲在不同的表格內(nèi)。簡單來說，這部分的軟件設(shè)計主要以下幾部分工作：
2．1 設(shè)置動態(tài)數(shù)據(jù)庫
    在管理監(jiān)控中心計算機中要設(shè)置動態(tài)數(shù)據(jù)庫，用以存放各現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)、上／下限告警值、參數(shù)整定值等。
2．2 設(shè)置各種通訊標志位
    由于通訊任務(wù)分為定時通訊，隨機通訊和緊急通訊，通過合理地分配各種通訊位標志，依據(jù)通訊位標志進行程序的分支轉(zhuǎn)移，以實現(xiàn)不同的動作。
    應(yīng)用軟件需自行開發(fā)，主要實現(xiàn)以下功能：
    (1)提供與操作者交互的人機界面，使用Windows操作界面，操作簡單、快捷。
    (2)與現(xiàn)場站點建立通訊并交換數(shù)據(jù)。
    (3)各站點數(shù)據(jù)的顯示、存儲及檢索查詢，存儲大量的歷史數(shù)據(jù)，可以根據(jù)用戶的需要生成統(tǒng)計報表、營業(yè)抄表或者曲線、圖表等形式。
    (4)通過現(xiàn)場站點單片機實現(xiàn)遠程監(jiān)測的功能，在中央管理器端具有多項設(shè)置功能，包括報警或預(yù)警參數(shù)的選擇，門限值的設(shè)定，用電設(shè)備維護人的呼叫電話、手機(或BB機)號碼都可以方便地設(shè)置。
    (5)添加、刪除現(xiàn)場站點等系統(tǒng)維護功能。根據(jù)以上功能要求，對中央管理器端的軟件系統(tǒng)做出了如圖所示3的流程。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程
    本系統(tǒng)的工作過程包括兩個部分，一部分為前端數(shù)據(jù)采集器對電量各個參數(shù)進行采集，并初步處理后送至存儲器；另一部分是中央管理器對數(shù)據(jù)的收集處理。中央管理器采用“輪詢”的方式依次撥通各現(xiàn)場下位機進行通訊，下位機將所存儲的、由數(shù)據(jù)采集器采集到的電參數(shù)經(jīng)過通訊部分送至中央管理器進行數(shù)據(jù)的處理，從而獲得用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)。即監(jiān)控中心的中央管理器通過GPRS將指令發(fā)給下位機中的主芯片，采集器采集到的電量的各項參數(shù)，包括三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC，有功功率，無功功率和功率因數(shù)等，被送入到從芯片LPC932處理，從而將數(shù)據(jù)傳送到中央管理器。同時一旦出現(xiàn)參數(shù)異常的特殊情況，下位機可以自動撥通預(yù)先存儲的電話號碼，發(fā)出“報警”或提示信號。

4 系統(tǒng)方案
    各電表使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)與配電中心相連。用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集前置機、多業(yè)務(wù)接入平臺和用戶現(xiàn)場終端系統(tǒng)組成，多業(yè)務(wù)接入平臺實現(xiàn)多種通訊方式的數(shù)據(jù)通訊，其中包括VPN方式、PPPOE寬帶網(wǎng)、中國移動GPRS／GSM、10／lOOM寬帶網(wǎng)絡(luò)及通過PSTN電話網(wǎng)各種方式；數(shù)據(jù)采集前置機包含數(shù)據(jù)采集、終端線路故障分析，異常報警、以及把各種異常信息、預(yù)警．信息自動提交給95598客服系統(tǒng)、終端用戶和系統(tǒng)相關(guān)人員；應(yīng)用服務(wù)器集成各種應(yīng)用支撐平臺，通過業(yè)務(wù)邏輯整合實現(xiàn)各種復(fù)雜應(yīng)用；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲，為應(yīng)用服務(wù)器及相關(guān)的各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
    其中具有以下特性：
    多層分布式的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，增強了系統(tǒng)的延展性。多層分布的結(jié)構(gòu)，為開發(fā)在INTERNET／INTRANET上的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。提高了軟件資源的可重用性。降低二次開發(fā)成本。
    系統(tǒng)維護方便：客戶端軟件一次安裝好后，后續(xù)的維護工作只在一臺應(yīng)用服務(wù)器上，降低軟件的維護成本。采用穩(wěn)定可靠的正版WINDOWS SERVER、UNIX或LINUX平臺和ORACLE數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，保證海量數(shù)據(jù)下，系統(tǒng)的應(yīng)用效率。
    由于使用了多層分布式的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，自動采集和計費主站系統(tǒng)就比其它使用Client／server的應(yīng)用系統(tǒng)具有更好的可維護性和系統(tǒng)延展性。同時，為了使電力用戶其它應(yīng)用系統(tǒng)訪問計費相關(guān)的數(shù)據(jù)，我們以企業(yè)對象的形態(tài)編寫企業(yè)邏輯，為電力市場系統(tǒng)的順利運行和企業(yè)數(shù)據(jù)上網(wǎng)打下良好的基礎(chǔ)，另外，系統(tǒng)在軟件上從服務(wù)器到客戶端都支持UNIX、LINUX操作系統(tǒng)和WINDOWS 2000server操作系統(tǒng)，在硬件上用戶可以按照自己的需求選擇機型，整個系統(tǒng)都支持跨平臺，用戶可以對系統(tǒng)靈活組態(tài)。

5 結(jié)束語
    基于GPRS的遠程電量監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊對變壓器的電參數(shù)進行采集，下位機將檢測到的數(shù)據(jù)通過GPRS中國移動網(wǎng)送到上層監(jiān)控中心的計算機系統(tǒng)進行存儲和處理，以提供主管部門的分析和統(tǒng)計之用。系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行?？傮w來說該系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、成本低和準確實用的特點，對于目前電力系統(tǒng)的應(yīng)用價值較高。
    三相交流電壓和電流經(jīng)接線端子直接接入數(shù)據(jù)采集模塊，由三相交流電壓和電流可以測量出用電設(shè)備的相關(guān)的幾個電量：三相電壓Ua，Ub，Uc的有效值、三相電流Ia，Ib，Ic的有效值、三相有功功率Pa，Pb，Pc、有功功率P、無功功率E及功率因數(shù)。
    在中央處理器通過“輪詢”的方式，通知每一個站點(或用電設(shè)備)，讀取各個站點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)和各參數(shù)的序列，主機按照一定規(guī)則進行校驗，有效的數(shù)據(jù)存儲在存儲器，利用計算機的強大的數(shù)據(jù)處理功能極大的方便了管理工作。這些測量形成相應(yīng)的電量和某些狀態(tài)的數(shù)據(jù)報表、圖表、曲線，數(shù)據(jù)可以保存較長時間，除了查閱、顯示還可打印輸出，這些可以幫助操作、管理人員完成多重要工作，譬如變壓器(或用電設(shè)備)長期的運行狀況，負荷的分布圖，功率因數(shù)是否合理等，在出現(xiàn)事故的同時可以及時發(fā)出“報警”，在事故的過后我們也能夠找出發(fā)生故障的真正原因。