GPRS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是集現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、電能計(jì)量技術(shù)和電力營(yíng)銷技術(shù)為主體的用電需求綜合性的實(shí)時(shí)信息采集與分析處理設(shè)備。終端以公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為主要通訊載體，通過(guò)多種通訊方式實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)主站之間的數(shù)據(jù)通訊，具有遠(yuǎn)程抄表、用電異常信息報(bào)警、電能質(zhì)量檢測(cè)、負(fù)荷曲線管理和負(fù)荷控制管理等功能。
1 系統(tǒng)構(gòu)建
各個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)一般距離主站系統(tǒng)較遠(yuǎn)，若要掌握多個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況，把各個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)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(gè)星型的測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)，解決數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)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(jì)算機(jī)主機(jī)配置固定的IP地址，各個(gè)電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用GPRS模塊和該主機(jī)進(jìn)行通信。
1.1 遠(yuǎn)程電量監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)主站系統(tǒng)和若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)組成，而現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)一般包含有前端數(shù)據(jù)采集器和現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)，系統(tǒng)構(gòu)架見(jiàn)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(chǎng)站點(diǎn)的工作狀態(tài)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的目的。現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)主要對(duì)電量的各種參數(shù)進(jìn)行采集與傳送，中央管理器可對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的歷史記錄進(jìn)行查詢，從而達(dá)到對(duì)電力運(yùn)行過(guò)程進(jìn)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(chǎng)站點(diǎn)之間GPRS相連，由中央管理器主動(dòng)建立鏈接，現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)接到呼叫后應(yīng)答進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣做的好處是可以避免多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)同時(shí)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(guò)GPRS服務(wù)，設(shè)備可采用互聯(lián)網(wǎng)Internet的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，GPRS無(wú)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路上傳輸數(shù)據(jù)包的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRSMODEM通過(guò)PPP協(xié)議獲得動(dòng)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(guò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如TCP、UDP等實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)上其它計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。
GPRS傳輸方式：在遠(yuǎn)程終端，采集數(shù)據(jù)通過(guò)A/D接口送入GSM/GPRS無(wú)線通信控制終端，GSM/GPRS無(wú)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(guò)無(wú)線鏈路傳送到無(wú)線數(shù)據(jù)交換中心(MDEC)。MDEC再剝離GPRS數(shù)據(jù)包并通過(guò)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(jì)算機(jī)，通信控制計(jì)算機(jī)通過(guò)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(dāng)數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心到遠(yuǎn)程終端方向時(shí)，情況是類似的。
1.2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的硬件組成設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)站點(diǎn)由前端數(shù)據(jù)采集器和現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)構(gòu)成，其中前端數(shù)據(jù)采集器采用CS5460模塊和LPC932單片機(jī)構(gòu)成，它負(fù)責(zé)采集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。線路的內(nèi)部經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的電磁隔離，測(cè)量電路經(jīng)過(guò)采樣、A/D轉(zhuǎn)換處理后形成的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)光電耦合由信號(hào)適配器向從單片機(jī)LPC932傳送，主單片機(jī)與從單片機(jī)之間可采用I/O口模擬時(shí)序的方式進(jìn)行串口通信。
現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)部分是整個(gè)系統(tǒng)的工作核心，既負(fù)責(zé)和前端數(shù)據(jù)采集器之間的通信，又負(fù)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(hào)送到中央管理器，還要負(fù)責(zé)和“時(shí)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(duì)系統(tǒng)的要求和實(shí)際應(yīng)用條件的情況，選用高性能的rabbit單片機(jī)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(jì)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(jì)的高性能低價(jià)位的8位微處理器，以其C語(yǔ)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(xiàng)改進(jìn)：不像Z80指令集那樣使用16位尋址覆蓋存儲(chǔ)空間，而用1個(gè)20位或l兆字節(jié)的實(shí)際存儲(chǔ)空間：采取直接與靜態(tài)存儲(chǔ)器相連接的方式，有3條存儲(chǔ)芯片選擇線路和2組寫入/輸出啟動(dòng)線路。Rabbit2000的系統(tǒng)工作頻率最高可達(dá)29.49MHz。Rabbit2000片上外設(shè)包括5個(gè)8位并行I/O端口、4個(gè)串行端口、1個(gè)子端口、5個(gè)8位定時(shí)器、1個(gè)l0位定時(shí)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(dá)91.6kbps。
現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)部分主要包括：主從芯片單片機(jī)、顯示電路、時(shí)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(chǎng)站點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)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(jì)
主站系統(tǒng)由個(gè)人計(jì)算機(jī)加上管理軟件構(gòu)成。該部分由Pc機(jī)、Windows操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，將不同現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)信息存儲(chǔ)在不同的表格內(nèi)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這部分的軟件設(shè)計(jì)主要以下幾部分工作：
2.1 設(shè)置動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)
在管理監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中要設(shè)置動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，用以存放各現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)志位
由于通訊任務(wù)分為定時(shí)通訊，隨機(jī)通訊和緊急通訊，通過(guò)合理地分配各種通訊位標(biāo)志，依據(jù)通訊位標(biāo)志進(jìn)行程序的分支轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作。
應(yīng)用軟件需自行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
(1)提供與操作者交互的人機(jī)界面，使用Windows操作界面，操作簡(jiǎn)單、快捷。
(2)與現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)建立通訊并交換數(shù)據(jù)。
(3)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及檢索查詢，存儲(chǔ)大量的歷史數(shù)據(jù)，可以根據(jù)用戶的需要生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、營(yíng)業(yè)抄表或者曲線、圖表等形式。
(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能，在中央管理器端具有多項(xiàng)設(shè)置功能，包括報(bào)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(hù)人的呼叫電話、手機(jī)(或BB機(jī))號(hào)碼都可以方便地設(shè)置。
(5)添加、刪除現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)等系統(tǒng)維護(hù)功能。根據(jù)以上功能要求，對(duì)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(guò)程
本系統(tǒng)的工作過(guò)程包括兩個(gè)部分，一部分為前端數(shù)據(jù)采集器對(duì)電量各個(gè)參數(shù)進(jìn)行采集，并初步處理后送至存儲(chǔ)器；另一部分是中央管理器對(duì)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(chǎng)下位機(jī)進(jìn)行通訊，下位機(jī)將所存儲(chǔ)的、由數(shù)據(jù)采集器采集到的電參數(shù)經(jīng)過(guò)通訊部分送至中央管理器進(jìn)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(guò)GPRS將指令發(fā)給下位機(jī)中的主芯片，采集器采集到的電量的各項(xiàng)參數(shù)，包括三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC，有功功率，無(wú)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(shí)一旦出現(xiàn)參數(shù)異常的特殊情況，下位機(jī)可以自動(dòng)撥通預(yù)先存儲(chǔ)的電話號(hào)碼，發(fā)出“報(bào)警”或提示信號(hào)。
4 系統(tǒng)方案
各電表使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過(guò)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)與配電中心相連。用電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集前置機(jī)、多業(yè)務(wù)接入平臺(tái)和用戶現(xiàn)場(chǎng)終端系統(tǒng)組成，多業(yè)務(wù)接入平臺(tái)實(shí)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(guó)移動(dòng)GPRS/GSM、10/l00M寬帶網(wǎng)絡(luò)及通過(guò)PSTN電話網(wǎng)各種方式；數(shù)據(jù)采集前置機(jī)包含數(shù)據(jù)采集、終端線路故障分析，異常報(bào)警、以及把各種異常信息、預(yù)警.信息自動(dòng)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(tái)，通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯整合實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜應(yīng)用；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(qiáng)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(hù)方便：客戶端軟件一次安裝好后，后續(xù)的維護(hù)工作只在一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器上，降低軟件的維護(hù)成本。采用穩(wěn)定可靠的正版WINDOWS SERVER、UNIX或LINUX平臺(tái)和ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)采集和計(jì)費(fèi)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(hù)性和系統(tǒng)延展性。同時(shí)，為了使電力用戶其它應(yīng)用系統(tǒng)訪問(wèn)計(jì)費(fèi)相關(guān)的數(shù)據(jù)，我們以企業(yè)對(duì)象的形態(tài)編寫企業(yè)邏輯，為電力市場(chǎng)系統(tǒng)的順利運(yùn)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(jī)型，整個(gè)系統(tǒng)都支持跨平臺(tái)，用戶可以對(duì)系統(tǒng)靈活組態(tài)。
5 結(jié)束語(yǔ)
基于GPRS的遠(yuǎn)程電量監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)變壓器的電參數(shù)進(jìn)行采集，下位機(jī)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)送到上層監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，以提供主管部門的分析和統(tǒng)計(jì)之用。系統(tǒng)能夠7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行?？傮w來(lái)說(shuō)該系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低和準(zhǔn)確實(shí)用的特點(diǎn)，對(duì)于目前電力系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)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(cè)量出用電設(shè)備的相關(guān)的幾個(gè)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(wú)功功率E及功率因數(shù)。
在中央處理器通過(guò)“輪詢”的方式，通知每一個(gè)站點(diǎn)(或用電設(shè)備)，讀取各個(gè)站點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)和各參數(shù)的序列，主機(jī)按照一定規(guī)則進(jìn)行校驗(yàn)，有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能極大的方便了管理工作。這些測(cè)量形成相應(yīng)的電量和某些狀態(tài)的數(shù)據(jù)報(bào)表、圖表、曲線，數(shù)據(jù)可以保存較長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)期的運(yùn)行狀況，負(fù)荷的分布圖，功率因數(shù)是否合理等，在出現(xiàn)事故的同時(shí)可以及時(shí)發(fā)出“報(bào)警”，在事故的過(guò)后我們也能夠找出發(fā)生故障的真正原因。