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

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ARM9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。

2．2 軟件設計

2．2．1 負控管理終端的軟件設計

在負控管理終端的整體流程是終端上電后，初始化串口，啟動(dòng)撥號，建立TCP連接成功后，主站向負控管理終端發(fā)送登陸幀，負控管理終端監聽(tīng)到登陸幀后(主站和負控管理終端建立通信前，主站要知道負控管理終端中GPRS模塊的SIM卡號)，發(fā)出確認幀，主站與負控管理終端就可以開(kāi)始通信。負控管理終端接收到數據時(shí)，先判斷是不是主站發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令，如果是，將該命令透明傳輸給電能表，電能表通過(guò)解析判斷其要是采集數據命令，就將相應的電能數據返回給負控管理終端，負控管理終端收到數據后通過(guò)TCP發(fā)送給主站；如果不是控制命令，說(shuō)明是電能表的返回數據，同樣通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送給主站。在沒(méi)有任何命令時(shí)，負控管理終端進(jìn)入低功耗模式，間隔一定時(shí)間發(fā)送心跳包，以確定它與主站沒(méi)有斷開(kāi)連接。每隔15 min，負控管理終端會(huì )定時(shí)采集電能數據，并將其存儲在NANDFLASH中，等待主站隨時(shí)調用。此外，當負控管理終端處于異常狀態(tài)，或者發(fā)生一些特殊事件時(shí)，比如事故報警信息，負控管理終端通過(guò)遙信控制主動(dòng)上報給主站，以做出適當處理。

負控管理終端的應用軟件主要包括數據采集及處理程序和網(wǎng)絡(luò )通信程序。數據采集及處理程序完成電能表數據采集，并進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò )通信程序完成將處理后的數據傳送到主站。另外，網(wǎng)絡(luò )通信程序還要發(fā)送主站的控制指令。

該部分的軟件編寫(xiě)采用自上而下的設計思路，以模塊化設計為原則，采用C語(yǔ)言編程，通過(guò)建立數據采集與處理線(xiàn)程、GPRS網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)程、按鍵控制線(xiàn)程，使其相互協(xié)調地運行。

結合上面給出的設計思路，下面重點(diǎn)介紹如何利用多進(jìn)程技術(shù)和管道技術(shù)來(lái)實(shí)現抄表和發(fā)送數據的功能。

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信之前，先設定網(wǎng)絡(luò )端口最大允許接入的客戶(hù)端數、父進(jìn)程和子進(jìn)程設定的2個(gè)狀態(tài)變量。

進(jìn)入主函數，創(chuàng )建管道和子進(jìn)程，分別啟動(dòng)父進(jìn)程和子進(jìn)程，開(kāi)始數據采集和網(wǎng)絡(luò )傳輸，function_farther()函數和function_child()函數分別為父進(jìn)程和子進(jìn)程的主函數。

在main()函數中還有以下幾個(gè)主要的子函數：

gprs_com_task()：GPRS通信任務(wù)主要功能是接收來(lái)自主站的信息，直接從Nand FLASH中讀出數據上發(fā)給主站，主站接收完畢后掛機結束通信。

gather_meter_realtime()：實(shí)時(shí)采集任務(wù)主要完成和電能表的通信工作。根據自定義規約判斷主站想要什么數據，然后將該數據TCP打包后發(fā)回到通信任務(wù)，通信任務(wù)就會(huì )以相應的形式(數據)上傳給主站。

gather_meter_time()：定時(shí)采集任務(wù)指每天定時(shí)主動(dòng)讀取電能表，并將讀到的數據存放在NandFLASH中。這樣當主站下發(fā)命令索要數據時(shí)，終端就不必再去讀表，可以直接將存儲的數據上發(fā)給主站。

alarm_task()：報警任務(wù)每隔一定時(shí)間程序就去讀三相電壓，并將讀到的實(shí)時(shí)值與存放在Nancl FLASH中規定的電壓上限值作比較，當實(shí)時(shí)電壓值超過(guò)上限值或者低于下限值時(shí)，負控管理終端軟件就對電網(wǎng)狀態(tài)字置位。當故障消除，電壓恢復正常時(shí)，終端軟件再向電網(wǎng)狀態(tài)字置位。

led_task()：指示燈任務(wù)用于判斷程序和通信模塊是否處于正常工作狀態(tài)。負控管理終端有2個(gè)運行指示燈，一個(gè)用于指示程序的正常運行，1 s閃爍1次；另一個(gè)用于指示通信模塊的工作狀態(tài)，GPRS模塊沒(méi)有注冊到網(wǎng)絡(luò )時(shí)，該指示燈1 s閃爍1次，注冊上網(wǎng)絡(luò )后，3s閃爍1次。

2．2．2 主站管理軟件的設計

本系統的主站管理軟件是用面向對象的編程工具VB開(kāi)發(fā)完成的。通過(guò)使用面向對象的數據模型來(lái)構建主站，將負控管理終端模型化為一系列邏輯沒(méi)備組成，每個(gè)邏輯設備是該物理設備的一個(gè)功能子集，各種功能則用對象模型來(lái)標準化。主站設置2個(gè)邏輯設備：管理邏輯設備與數據邏輯設備。管理邏輯設備是主站中必需的，管理邏輯設備中存放一些與全局相關(guān)的及負控管理終端參數設置數據對象；數據邏輯設備用來(lái)存儲和管理負控管理終端下屬的電能表數據。

主站的交互界面采用模塊化沒(méi)計，主窗體包括應用連接、數據曲線(xiàn)、執行動(dòng)作、電表信息、數據類(lèi)對象四大模塊，主站的功能框圖如圖3所示。


3 實(shí)驗結果

下面從負控管理終端的角度說(shuō)明主站讀取周期凍結總加組曲線(xiàn)的數據的通信流程：建立連接→讀取周期凍結總加組曲線(xiàn)的數據→斷開(kāi)連接通信流程如下所示。

(1)建立物理層和建立鏈路層連接；

(2)建立應用層連接。應用連接請求由主站發(fā)起，負控管理終端響應，應用連接的建立過(guò)程稱(chēng)為“協(xié)商”過(guò)程，是為數據通信約定一些配置參數；

(3)進(jìn)行數據通信。應用連接建立后，就可以進(jìn)行數據通信了；

(4)數據通信結束，釋放數據鏈路，解除物理連接。

主站啟動(dòng)后首先要與負控管理終端進(jìn)行連接，管理人員必須輸入正確的用戶(hù)名和口令，驗證無(wú)誤后，主站與終端連接成功才可進(jìn)入主窗體，該曲線(xiàn)捕獲對象清單有總加組-時(shí)間、時(shí)間-總加組、總加有功功率、總加無(wú)功功率、總加有功電能量-總和總加無(wú)功電能量-總。圖4是通過(guò)主站讀取負控管理終端中的周期凍結總加組數據曲線(xiàn)；

4 結語(yǔ)

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)的發(fā)展，基于ARM9和GPRS的電力系統的自動(dòng)抄表技術(shù)已趨于成熟，本文設計的負控管理系統具有實(shí)時(shí)性強、抄收速度快等優(yōu)點(diǎn)，雖然投資這種負控管理系統會(huì )增加成本，但應用后能實(shí)現開(kāi)源節流并且一次投資長(cháng)期收益，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現電表、水表、煤氣表、熱能表四表合一的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化抄表系統。這種應用將為用戶(hù)表計管理系統技術(shù)帶來(lái)更大改革，也更有利于實(shí)現統一管理和宏觀(guān)調控。因此具有廣闊的應用前景，會(huì )帶來(lái)較好的經(jīng)濟和社會(huì )效益，從而使用戶(hù)和企業(yè)實(shí)現雙贏(yíng)局面。