基于A(yíng)RM9和GPRS的實(shí)時(shí)電力負控管理系統的設計

摘要：由于單片機數據處理速率低，而AMR7缺乏存儲管理單元，基于這些設備的自動(dòng)抄表系統難以滿(mǎn)足電力系統對負荷控制的精細化要求。在此設計了一種基于ARM9和GPRS的實(shí)時(shí)電力負控管理系統，本設計重點(diǎn)利用ARM9微處理器采集速率高、處理能力強的特點(diǎn)，提高了系統的精確度；利用Linux2．6操作系統較高的實(shí)時(shí)性提高了系統的響應速度；利用寬帶GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了用電信息的無(wú)線(xiàn)采集和實(shí)時(shí)監測等功能。該系統已被電力部門(mén)試用，在實(shí)際應用中抄表速度快、實(shí)時(shí)性強，基本達到了電力部門(mén)的使用需求，為電力部門(mén)提高管理水平和實(shí)現電管理現代化提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：ARM9；負荷管理；GPRS網(wǎng)絡(luò )；實(shí)時(shí)監控

0 引言

在當今電能源緊張的工業(yè)社會(huì )中，及時(shí)準確地獲取用戶(hù)的用電負荷信息，并據此做出及時(shí)的控制調度對于提高能耗利用率具有重要的現實(shí)意義。傳統的電量結算是依靠人工定期到現場(chǎng)抄取數據的，在實(shí)時(shí)性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處，應用基于單片機、ARM 7平臺的自動(dòng)抄表終端已成趨勢。但由于單片機的數據處理速率低、ARM7缺乏存儲管理單元，難以滿(mǎn)足電力系統對負荷控制的精細化要求。

本文根據重慶電力部門(mén)的需求，在現有的電力負控管理系統的研究與發(fā)展基礎上，提出了一種基于A(yíng)RM9和GPRS的電力負控管理系統的設計方案。該系統利用ARM9微處理器的高采集速率和較強的處理能力提高了系統的精確度；利用具有搶占內核機制的Linux2．6操作系統提高了系統的實(shí)時(shí)響應速度；利用寬帶GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了用電信息的無(wú)線(xiàn)傳輸和實(shí)時(shí)監測等功能。

1 負控管理系統的總體框架及其工作原理

負控管理系統實(shí)質(zhì)就是利用先進(jìn)的測控、通信以及計算機技術(shù)，將電能表數據整合到一起的通信系統。本文設計的系統由安裝在用戶(hù)端的電能表、用戶(hù)小區的負控管理終端和電力部門(mén)的遠程管理主站組成。其拓撲圖如圖1所示。

用戶(hù)電能表與負控管理終端通過(guò)RS 485總線(xiàn)通信，負控管理終端通過(guò)RS 485總線(xiàn)讀取用戶(hù)電能表數據，將數據交給相應的模塊封裝成IP包發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò )，GPRS網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)縫連接，主站通過(guò)Internet接收到終端通過(guò)RS 485接口采集回來(lái)的電能表數據，然后顯示、分析、存儲這些電能表數據，然后根據分析結果向負控管理終端下發(fā)送遠程控制命令(硬件復位、設置各種通信參數、斷線(xiàn)檢測、超載報警等功能)。以此實(shí)現遠程監控負控管理終端，并通過(guò)負控管理終端監控電能表。

2 負控管理終端的設計

2．1 硬件設計

負控管理終端的硬件主要由通信電路、存儲電路和人機交互電路組成。通信電路包括RS 485接口電路、GPRS通信電路、遙信控制電路、紅外接口；存儲電路包括SDRAM和NAND FLASH存儲模塊；人機交互電路包括LCD顯示模塊、按鍵管理、電源和復位電路。其總體的硬件框架如圖2所示。

下面主要分析一下下層通信電路RS 485接口電路和上層通信電路GPRS接口電路。

2．1．1 RS 485接口電路

負控管理終端的主要功能之一就是對電能表數據的采集和處理?？紤]到負控管理終端與所連接的多功能電表通信時(shí)，由于兩者相距比較遠，周?chē)h(huán)境會(huì )對傳輸信號產(chǎn)生比較大的干擾，系統又要求負控管理終端所掛接電能表數量盡量多，最后選用了RS 485的底層通信模式。

本負控管理終端的2路RS 485接口是由S3C2440A的RS 232串口2和串口3轉換過(guò)來(lái)的，要把RS 232信號轉成RS 485信號，必須先通過(guò)RS 232收發(fā)器將信號發(fā)送出去，再通過(guò)RS 485收發(fā)器接收信號，MAX202ECPE是RS 232收發(fā)器，選用MAX485驅動(dòng)芯片用于RS485通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅動(dòng)器和一個(gè)接收器，可以直接掛接128個(gè)電能表，實(shí)現最高2．5 Mb／s的傳輸速率。RS 485接口的共模電壓大于+12 V或小于-7 V時(shí)，接收器就無(wú)法正常工作了，可考慮選用帶光電隔離的光電耦合器，將強電電路與弱電電路在物理上隔離，電路中的光耦PS4 21將高壓執行電路與MCU控制電路隔離。

2．1．2 GPRS通信模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò )是一種基于GSM系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供廣域無(wú)線(xiàn)IP連接。用GPRS進(jìn)行數據傳輸具有：“永遠在線(xiàn)”、“按流量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”等優(yōu)點(diǎn)。

在負控管理終端的數據傳輸中，優(yōu)先采用了GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的方式。GPRS模塊是負控管理終端接入GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵設備，通過(guò)GPRS模塊來(lái)完成與Internet的交互。本終端的GPRS通信模塊采用的是中興的ME3000，該模塊具有體積小、通信可靠穩定、價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，它的波特率300～115 200 b／s；支持短消息業(yè)務(wù)；內嵌TCP／IP協(xié)議和標準的AT命令，通過(guò)AT命令來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音和數據通信；提供標準的UART接口，只需用串口線(xiàn)就能與CPU連接；輸入電壓3．3～4．25 V；SIM接口支持機卡分離，辦理一張SIM卡就可以實(shí)現通信。

在GPRS通信電路中設計晶振為芯片提供工作頻率，它是構成芯片的最小系統必不可少的元器件，一般與它串聯(lián)2個(gè)電容，是固定接法，一個(gè)是輸入電容，一個(gè)是輸出電容，根據Datasheet確定電容的大小為30pF。