與GPRS模塊串口連接的小區(qū)無線抄表系統(tǒng)
關(guān)鍵詞 無線抄表系統(tǒng) GPRS DTD462A
引 言
電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，在實時性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處；將現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)以及電能量測量技術(shù)結(jié)合在一起，能夠及時、準確、全面地反映電量的使用(即銷售)情況。本方案首先采用短距離無線通信方式將用戶電表的電量信息集中起來，然后通過GPRS無線局域網(wǎng)，以一種短消息的方式將此信息送給總控中心，以實現(xiàn)遠程自動無線抄表功能。
1 系統(tǒng)總體設計
基于GPRS的智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)主要由3部分組成：無線電表、現(xiàn)場主控節(jié)點以及遠程GPRS無線控制終端。
圖1是某小區(qū)的無線抄表系統(tǒng)組成框圖。其中無線電表是將傳統(tǒng)的電表所采集到的電量做相應的處理，并配置無線收發(fā)模塊以短距離無線的方式將此電量信息發(fā)進出去。現(xiàn)場主控節(jié)點除了配置無線數(shù)傳模塊外，還需要配置GPRS無線收發(fā)模塊，首先將每個樓層以無線方式所采集到的電量數(shù)據(jù)集中起來，然后通過GPRS模塊將此信息發(fā)送出去。遠程GPRS無線控制終端主要完成對GPRS無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，以對現(xiàn)場所采集到的電量數(shù)據(jù)作相應的處理。
2 現(xiàn)場主控節(jié)點設計
無線抄表系統(tǒng)中最主要的是現(xiàn)場主控節(jié)點的設計。該部分主要包括無線數(shù)據(jù)收／發(fā)以及GPRS數(shù)據(jù)收／發(fā)兩部分。其中無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)中所采用的模塊與無線電表中所使用的模塊相同?，F(xiàn)場主控節(jié)點設置在小區(qū)各樓層的中心位置，負責定時將單個單元采集點測量的應變數(shù)據(jù)進行初步的集中。主控節(jié)點通過無線數(shù)傳模塊完成對現(xiàn)場采集點的信令控制和數(shù)據(jù)提取，并通過GPRS模塊對遠端主控中心的數(shù)據(jù)請求作出響應?，F(xiàn)場主控節(jié)點組成框圖如圖2所示。
主站以Armel公司的AT89C2051作為主控制器，包括無線數(shù)傳模塊、存儲模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊和時鐘模塊。微控制器選用ATB9C2051。該控制器內(nèi)部有1個全雙工異步串行通信模塊UART，可以發(fā)送／接收8位數(shù)據(jù)，帶有幀錯誤檢測功能。數(shù)據(jù)存儲器選擇容量為64 KB的EEPROM存儲器AT24C256，通過微控制器的I／O口(P1．2引腳)外接存儲器的SDA腳，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀／寫；P1．3引腳外接SCL腳，提供讀／寫時序信號。微控制器通過串行接口TX(P3．0引腳)和RX(P3．1引腳)外接無線數(shù)傳模塊的發(fā)送和接收單元，通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片接GPRS模塊的RS232口。單片機的串行口同時連接兩個設備的串行口，容易出現(xiàn)硬件沖突。采用分時復用方式可保證同一時刻只連接一個設備的串口。
時鐘模塊采用基于I2C總線結(jié)構(gòu)的時鐘芯片DS1307。DSl307串行實時時鐘芯片是一種低功耗，全部采用BCD碼的時鐘／日歷芯片，內(nèi)帶56字節(jié)的NVSRAM。地址和數(shù)據(jù)是通過I2C總線進行串行傳輸?shù)摹Ｋ芴峁┟?、分、時、日、星期、月和年信息。它具有可編程方波輸出信號；時鐘可以以24小時模式工作或者用AM／PM來指示以12小時模式工作。DS1307有一個內(nèi)置電源敏感電路，能檢測到主電源掉電并自動切換至電池供電；可選工業(yè)溫度為一40～+85℃。微控制器模擬I2C總線的讀／寫控制時序完成對實時時鐘信息的讀／寫操作。
2.1 基于DTD462A的數(shù)據(jù)收／發(fā)模塊設計
DTD462A屬于微功率智能型無線數(shù)傳模塊，其內(nèi)部集成了8位CMOS低功耗高速MCU AT90S2313。DTD462A最大發(fā)射功率為10mW，工作在433MHz的ISM頻段；采用基于FSK的調(diào)制方式和高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，具有較高的數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，可靠傳輸距離可達300m；提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應任何標準或非標準的用戶協(xié)議；具有休眠功能以及可靠性高、體積小、重量輕的特點。系統(tǒng)采用DTD462A-96，通信接口速率為9600bps，通信信道是半雙工的，最適合點對多點的通信方式。
DTD462無線數(shù)傳模塊提供標準RS232、RS485和UART／TTL電平3種接口方式，可直接與計算機、RS485設備、單片機或其他UART器件連接使用。DTD462提供1個9針的連接器(JPl)，其定義及與終端的連接方法如表1所列。
圖3給出了DTD462A與AT89C2051的接口設計方法。
DTD462A數(shù)傳模塊的第8腳SLP(SLEEEP)是休眠控制信號。為進一步降低系統(tǒng)功耗，軟件控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點的DTD462A模塊平時工作在間歇休眠狀態(tài)。SLP(SLEEP)信號持續(xù)1ms低電平(4800 bps以上200μs即可)，DTD462A進入休眠。如果休眠信號到來時，DTD462A正在接收空中數(shù)據(jù)或正在將接收的串口數(shù)據(jù)發(fā)射到空中，則當接收完該組數(shù)據(jù)后，DTD462A才進入體眠狀態(tài)。第9腳RST(RESET)是微功率數(shù)傳模塊的MCU外部復位信號。該信號用來復位MCU，也可喚醒已經(jīng)體眠的MCU。該信號持續(xù)lOμs低電平，DTD462A復位或被喚醒。在RESET信號的上升沿后20ms，DTD462A即可開始工作。
平時，現(xiàn)場主控節(jié)點的DTD462A模塊處于休眠狀態(tài)。當需要對采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)請求時，喚醒DTD462A；當所有的采集節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送完后，DTD462A重新進入休眠狀態(tài)。現(xiàn)場主控節(jié)點對DTD462A狀態(tài)的控制是通過AT89C2051 P1口的P1．6和P1．7腳實現(xiàn)的。
2.2 GPRS終端設計原理
GPRS終端采用Q2403A核心模塊研制而成。Q2403A是法國Wavecom公司推出的新一代無線通信GSM／GPRS模塊，基于EGSM／GPRS 900／l800 MHz雙頻，帶有16 MB的閃存和2MB的SRAM，支持class2，通過AT指令控制；體積為58．3mm×32．2 mm×3．9 mm；執(zhí)行ETSI GSM Phase 2+標準；下載速率為26．8kbps，上傳速率為13．4 kbps；功耗為2W(900MHz)和1W(1800MHz)；SIM 3V／5V和SIM檢測；支持GPRSWAP。
在硬件構(gòu)成上，遠端控制中心采用PC+GPRS模塊的架構(gòu)，各現(xiàn)場主控中心則采用MCU+GPRS模塊的硬件架構(gòu)。GPRS模塊僅提供標準的RS232通信接口，與PC機連接十分方便，因而遠端控制中心的構(gòu)造很容易實現(xiàn)；在橋梁現(xiàn)場，GPRS模塊與MCU間是通過串行口進行通信的，通信速率最高可達115 200 bps；系統(tǒng)采用GPRS模塊，默認的波特率為9600 bps。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，其中大部分命令是符合協(xié)議“ATcommand set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM07．07 version 6．4．O Release1997)”的，但也有一些是Wavecom公司定義的AT命令。MCU提供TTL電平標準的串行口UART，而GPRS模塊的串行通信口是屬于RS232電平標準的。二者不能直接相連，需要設置TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換模塊。利用MAK3232C實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，其轉(zhuǎn)換原理如圖4所示。除了串口發(fā)送(TX)、串口接收(RX)之外，MCU與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號，如DTR、CTS、DCD等。為了簡化微控制器的控制，硬件設計時沒有使用全部的硬件握于信號，而只使用數(shù)據(jù)載波檢測DCD(Data Carrier Detect)和終端準備DTR(Da-ta Terminal Ready)信號。DCD信號可以檢測GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于AT命令傳送狀態(tài)，DTR信號用來通知GPRS模塊傳送工作已經(jīng)結(jié)束。
硬件連接完成后，在進行收／發(fā)短消息之前，應該對GPRS模塊進行一定的設置。主要的設置工作有：通信波特率，采用“AT+IPR=(波特率)＆W”命令，本系統(tǒng)采用模塊默認的波特率9 600 bps；短消息服務中心號碼，通過“AT+CSCA=+8613800270500”將服務中心號碼設置為13800270500。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)上電復位首先完成對各端口和模塊的初始化。作為現(xiàn)場采集系統(tǒng)的主站，與子站通信時，微控制器定時向各子站發(fā)出喚醒信息，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，等待應答。主站收到應答信號后發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)命令，并且接收該子站發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收完最后一幀數(shù)據(jù)后，返回檢查是否為最后一個子站。如果是，則結(jié)束本次數(shù)據(jù)采集工作；如果不是，則修改握手協(xié)議中子站地址識別信息，采集下一個子站的數(shù)據(jù)。主控節(jié)點程序流程如圖5所示。
4 結(jié)論
系統(tǒng)中為每個家庭的電表中配置了無線收／發(fā)模塊，而在樓層比較密集的地方設置一個現(xiàn)場主控節(jié)點?，F(xiàn)場主控節(jié)點通過無線收／發(fā)模塊將每個家庭中電表記錄的電量信息收集以后進行緩存，然后通過GPRS模塊將這些集中的電量信息發(fā)送給總控中心，真正實現(xiàn)了總控中心的遠程無線抄表功能。此外，該系統(tǒng)還可擴展其他功能，例如當無線電表工作異常時，可以向遠程終端發(fā)出報警信息，以實現(xiàn)遠程終端對電表的實時監(jiān)控。
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