基于GPRS通信的网络电能表设计.doc

1、基于 GPRS 通信的网络电能表的设计郑仲明 周志辉 冯海舟 侯高雷（许继仪表公司 河南许昌 461000）摘要：为了实现无线远程抄表的目的，采用 GPRS 通信技术和 uCOS 嵌入式操作系统的多任务模块化设计方法，设计基于 GPRS 通信的网络电能表。其中通信模块硬件由 ARM 微处理器及相关外设组成，实现GPRS 通信、232 串行通信、485 串行通信及红外通信等多种通信方式；系统软件采用四层结构：硬件驱动层、操作系统层、应用接口层和应用层，任务间通信由应用接口层实现消息接收和分发，具有各任务相互独立、无直接耦合的特点。关键词：GPRS，网络电能表，嵌入式操作系统，多任务，消息，链路维

2、护。Design of the network watt-hour meter based on GPRS communicationZheng ZhongMing Zhou ZhiHui Feng HaiZhou Hou GaoLei(XuJi Electric Energy Meter Company Henna Xuchang 461000, China)abstract: In order to realizing remote wireless meter reading, a GPRS based network watt-hour meter is designed by usi

3、ng the GPRS communication technology and uCOS multi-task embedded operating systems modular design method. different communication methods, such as GPRS communications, 232 serial communication, 485 serial communication and infrared communication, are implemented in the communication module of the w

4、att-hour meter, which includes an ARM microprocessor and related peripherals. system software is composed of four layers: the hardware driver layer, the operating system layer, application interface layer and application layer. The application interface layer receives and distributes the messages of

5、 different tasks. And all tasks are independent and there is no direct coupling.Keywords: GPRS, network watt-hour meter, embedded operation system, multi-task, message, link maintenance.0. 引言：随着技术的发展，抄表方式也从现场人工抄表到远程自动抄表的转变，目前用于抄表的技术有多种，如 RS485 总线、红外和电力线载波等，这些抄表技术相对比较成熟，但应用却各有其局限性，如 RS485 总线抄表需要布线而增加

6、投资，且传输距离不能大于 1200米，红外抄表需要人工现场抄表，电力载波抄表由于电磁干扰等的影响传输距离受限。GPRS 通信技术成熟，网络覆盖广，可以永久在线，按流量计费，费用低廉，且不受距离和空间的限制，使得在抄表行业的应用非常适合。1. GPRS 网络电能表GPRS 网络电能表就是 GPRS 通信技术和电表技术的结合体，他将三相多功能电能表和 GPRS 通信模块相结合，形成具有无线网络通信能力的电能计量装置。GPRS 网络电能表由基表和 GPRS 无线通信模块两部分组成。1.1. 基表基表可实现普通三相多功能电能表的基本功能，在未接入 GPRS 通信模块的情况下，不影响其作为普通多功能电能

7、表的使用。它对交流模拟量进行实时采样、处理和存储，实现电能计量、需量测量、复费率、负荷曲线计算和存储、数据冻结、事件记录、复费率等，可实现用户预购电控制、负荷控制、远程控制等功能。具备 RS485 通信接口、红外通信接口、GPRS 通信模块接口以实现数据的抄读和设置；基表还具有本地液晶显示，支持本地巡显和键显功能。1.2. GPRS 通信模块GPRS 通信模块是 GPRS 网络电能表数据上传的关键节点，作为网络电能表的一个独立模块，在不影响基表计量的情况下，满足用户抄表系统的技术要求和传输规约，实现数据的可靠传输。GPRS 通信模块与基表的下行通信满足 DT/L645 多功能电能表通信协议，与

8、主站的上行通信满足电力用户用电信息采集系统通信协议 （Q / GDW 376.12009） 。在此着重描述 GPRS 通信模块的软硬件设计。2. GPRS 通信模块硬件结构2.1. 系统框图GPRS 无线通信模块的系统框图如图 1 所示。A R M 微处理器L P C 2 1 3 8F l a s h 存储器电源转换G P R S模块M 5 8 0Z红外收发L E D 指示S I M 卡J T A G 仿真接口4 8 5 串行通信接口2 3 2 串行调试接口系统电源 5 v备用电池铁电存储器三相电能表图 1 G P R S 网络电能表系统框图系统包括：ARM 微处理器（LPC2138） 、GP

9、RS 模块、Flash 和铁电存储器、红外收发、232 串行调试接口、485 通信接口、JTAG 仿真接口、LED 指示及电源转换等。2.2. 模块功能2.2.1 微处理器采用基于 ARM7TDMI-S 内核的 32 位微处理器 LPC2138。 LPC2138 内嵌 512KB 的高速 Flash 存储器和 32KB 的 RAM，具有丰富的外设资源： 2 个 32 位定时器(带捕获、比较通道) ； 2 个 10 位 8 路 ADC；1 个 10 位 DAC；PWM 通道；47 路 GPIO；9 个边沿或电平触发的外部中断；具有独立电源和时钟的 RTC；多个串行接口(UART、I2C、SPI、

10、SSP)。它内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址，片内 Boot 装载程序可以实现在系统/在应用编程(ISP/IAP) ，通过片内 PLL 可实现 60MHz 的 CPU 操作频率，具有空闲和掉电 2 种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒。2.2.2 GPRS 模块采用深圳有方科技出品的 M580z，模块内部集成了 TCP/IP 协议栈，具有两个通信链路，一路标准 TTL 串行通信端口，精简的 AT 指令集，通过 AT 命令实现模块的参数设置和数据发送。M580 与 CPU 通过一个 TTL 电平的串行口连接。2.2.3 存储器由于与主站的上行通信应满足电力用户用电信息采集系统通信协

11、议 ，需要存储规约要求的一类数据（实时数据） 、二类数据（曲线数据、统计数据）和三类数据（事件） ，特别是曲线数据要求存储的数据量大，因此采用大容量的 flash 存储器来存储二类和三类数据，铁电存储器由于可无限制的擦写，所以用来存储需要经常更新的实时数据和设置参数。存储器与 MPU 的接口为 SPI 接口。2.2.4 串行接口和 JTAG 仿真端口232 串行口、红外通信口可实现模块参数的本地设置和维护，其中 232 串口可实现对啊 GPRS 模块状态的监测，通过 485 串行口可抄读满足 电力用户用电信息采集系统通信协议的数据；JTAG 仿真端口可对 ARM 处理器进行仿真和程序烧写。2.

12、2.5 LED 指示LED 指示灯用来指示模块的电源状态、模块登陆状态、网络通信状态及保电状态等。2.2.6 三相电能表三相电能表实现电能量及电压电流等数据的采集与计算。它与 MPU 通过一个串行口连接，通信规约满足 DT/L645 协议，模块定时抄读三相表数据，包括电量、需量、电压、电流等实时数据，并将抄读到的数据进行转换和存储，以满足主站对模块的访问要求。3. 软件设计 3.1. 总体架构：软件设计基于 uCOS 嵌入式操作系统的多任务设计，整体架构如图 2。硬 件 驱 动 层应用接口操作系统 （ u C / O S - I I ）主 任 务键 盘 扫 描上 行 启 动下 行 启 动系 统

13、 时 间复 位上 行 任 务协 议 解 析数 据 收 发链 路 维 护应 用 层下 行 任 务定 时 抄 表数 据 处 理数 据 存 储数 据 转 发模 拟 串 口管 理 任 务调 试 接 口红 外 接 口控 制 处 理任 务消 息 处 理控 制 执 行事 件 处 理任 务消 息 处 理事 件 记 录抄 表 接 口消 息 处 理消 息 处 理消 息 处 理消 息 处 理图 2 总 体 架 构 框 图系统软件包括：主任务、上行任务、下行任务、模拟串口任务、事件处理任务和控制处理任务。3.1.1 主任务实现全局变量初始化，硬件环境初始化，信号量和消息队列的建立，其他任务的创建和启动、键盘扫描、系统

14、时间和定时处理、复位处理等功能。3.1.2 上行任务上行任务实现 GPRS 通信链路的建立、维护及与主站的数据交换，包括链路维护、数据收发、协议解析等功能。3.1.3 下行任务实现对基表数据的定时抄读、数据处理、数据存储、数据的转发等功能。3.1.4 模拟串口管理任务由于系统须实现上行通信端口、下行通信端口、485 通信端口、232 通信端口和红外通信端口五个串行通信口，而 LPC2138 内部只有两个串行口，所以必须要对串口进行扩展，在此用软件来模拟串口通信实现串口的扩展，因此建立一个模拟串口管理任务，专门管理下行抄表模拟串口、红外通信模拟串口和调试模拟串口。3.1.5 事件处理任务事件处理

15、任务处理系统发生的各类事件，包括事件记录、事件上报等。3.1.6 控制任务控制任务执行一些控制操作，包括预购电控制、保电控制、告警控制等。3.1.7 任务间的通讯任务与任务之间数据传递通过消息发送和接收来实现，消息结构为：typedef struct INT8U type; /消息类型INT8U bPara; /消息参数 1INT16U wPara; /消息参数 2INT32U lPara; /消息附加信息MSG;消息传递函数定义为：MSG* getTaskMessage(void); /获得消息void msgToTask(uint8 taskID, MSG *msg) ;/往任务发送消息，

16、askID：_目的任务标识，msg_：消息指针。3.2. 软件模块实现流程软件采用模块化设计，每个任务包含不同的功能模块，由于系统包含模块较多，在此只给出主任务模块流程图及上行任务中的 GPRS 链路维护模块流程图。3.2.1 主任务流程主任务程序流程如图 3 所示。开始硬件参数及变量初始化初始化消息队列和信号量初始化创建上行 、 下行 、 控制 、 事件 、 模拟串口等任务等待消息是否有定时消息是否有掉电消息2 5 m s 定时 ？ 5 0 0 m s 定时 ？键盘扫描处理 L E D 指示灯处理掉电处理是是是是是 是否是否有复位消息是否有秒定时消息复位处理秒定时处理图 3 主任务流程图3.

17、2.2 GPRS 链路维护流程上行任务中的链路维护模块包括：GPRS 网络登陆、链路状态检测以及心跳维护等，其中 GPRS 网络登陆程序流程如图 4 所示。G P R S 模块开机或复位发 A T r返回 O K 否否延时到否 ？开始否是S I M 卡正常 ？否延时到否 ？否查询信号强度返回正确 ？否延时到否 ？否网络已注册 ？否延时到否 ？否设置 A P N 成功 ？否延时到否 ？否T C P 连接成功 ？否延时到否 ？否查链路状态正常 ？否延时到否 ？否发心跳或数据帧是是是是是是图 4 G P R S 链路维护 流程图在 GPRS 通信链路建立后，如果长时间无数据传输，则 GPRS 网络连

18、接将被断开，所以必须在一定时间间隔内发一个心跳帧至主站，确认主站应答后说明链路状态正常。不同品牌GPRS 模块的 AT 指令集不同，因此在编程之前必须熟悉相关 GPRS 模块的指令集，以实现链路的建立和维护。4. 结语本文介绍了 GPRS 网络电能表的功能和 GPRS 无线通信模块的软硬件设计，是对GPRS 网络电能表开发项目的总结。系统软件移植了 uCOS 嵌入式操作系统，采用多任务设计，提高了系统的实时性，对实现远程无线抄表具有积极意义，设计的产品已在国家电网公司成功应用，运行稳定，应用效果良好。参考文献1 国家电网公司. 电力用户用电信息采集系统通信协议S 国家电网公司：Q / GDW

19、376.1 20092 郑仲明. GPRS 网络表需求说明书R. 河南：许继仪表公司，2009.3 周志辉. GPRS 网络表软件系统设计R 河南：许继仪表公司，2009.4 周立功等. ARM 微控制器基础与实践 M. 北京：航空航天大学出版社， 2003.5 吴永忠 . 嵌入式实时操作系统 uC/OS-II 教程M. 西安：西安电子科技大学出版社，2007. 6 杜娟 ; 凌玉华 ; 廖力清. 基于 GPRS 无线通信的配变自动化系统研究J. 电子设计工程,2006，233.7 常云,许庆洲,刘萍. GPRS 在电能计量远抄系统中的应用J 电测与仪表 2005.18 张海蓉 . GPRS

20、网络电能表及其在配变远程监控系统中的应用J. 青海电力，2008，27(1).9 陈壮奕. 基于 GPRS 的电能远程抄表系统的设计与实现J. 广东电力，2006.19(1)10 褚世涛. 基于 GPRS 无线通信技术的电力自动抄表系统EB/OL. 中国工控网，2010.7.20，http:/ 罗 文,王莉娜,肖 鲲. 基于 GPRS 的嵌入式系统远程监控和升级EB/OL. 飞象网，2010.7.8，http:/ 陈先龙. 单相、三相多功能电能表及网络电能表原理及设计EB/OL. 电子发烧友，2010.3.13，http:/ ，男，浙江嵊州人，硕士，副教授，研究方向：嵌入式系统应用。作 者 标 题 投稿栏目 通信 Email郑仲明，周志辉，冯海舟，侯高雷基于 GPRS 通信的网络电能表的设计 计算机应用技术 Z邮 编 地 址 收件人 电 话461000 河南省许昌市瑞祥路许继仪表公司 郑仲明 座机：0374-3219132手机：13462164099