摘 要：利用GSM" title="GSM">GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量高和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表" title="自動(dòng)抄表">自動(dòng)抄表系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和工作原理，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中測(cè)控終端的軟、硬件設(shè)計(jì)，最后闡述了在Visual Basic環(huán)境下開發(fā)管理中心軟件的方法。
關(guān)鍵詞：GSM網(wǎng)絡(luò) 自動(dòng)抄表系統(tǒng) 單片機(jī)
隨著電力系統(tǒng)用戶環(huán)境的復(fù)雜化和管理要求的科學(xué)化，傳統(tǒng)的人工抄表收費(fèi)方式入戶難、負(fù)擔(dān)重、費(fèi)用高和勞動(dòng)強(qiáng)度大等弊病越來越突出。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)綜合利用了計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)和微電子技術(shù)，能有效解決以上問題，提高管理部門的工作效率。
本文設(shè)計(jì)了一種由測(cè)控終端、GSM網(wǎng)絡(luò)和管理中心三部分組成的多功能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，著重介紹了測(cè)控終端和管理中心軟件的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有抄收速度快、計(jì)算精度高、管理數(shù)字化、運(yùn)行成本低等突出的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
該系統(tǒng)主要由測(cè)控終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和管理中心三部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
其中，智能電能表支持國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《多功能電能表通信規(guī)約》（DL/T645-1997）所規(guī)定的抄表協(xié)議，該協(xié)議將RS485接口規(guī)定為電能表標(biāo)準(zhǔn)的串行電氣接口；測(cè)控終端主要包括數(shù)據(jù)采集單元和發(fā)送單元，數(shù)據(jù)采集單元用于采集各計(jì)量點(diǎn)的實(shí)時(shí)用電量信息以及各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)送單元通過RS232接口與GSM MODEM相連，利用GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行模粩?shù)據(jù)經(jīng)GSM MODEM接收后傳至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)顯示及綜合分析。
測(cè)控終端可以定時(shí)向管理中心發(fā)送用戶用電數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，管理中心也可以通過抄表指令向測(cè)控終端發(fā)送“抄表短信息”，查詢各用戶的用電情況。通過測(cè)控終端的監(jiān)控單元，管理中心可以發(fā)現(xiàn)各種用電異常和竊電現(xiàn)象，并支持遠(yuǎn)程分合閘操作。
2 測(cè)控終端的設(shè)計(jì)
測(cè)控終端是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的硬件設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)多功能電能表數(shù)據(jù)的采集和上傳、設(shè)置電表/終端參數(shù)、欠費(fèi)及故障告警和控制斷路器分合閘等功能。
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
測(cè)控終端結(jié)構(gòu)框圖[1]如圖2所示。
2.1.1 單片機(jī)控制單元
根據(jù)功能要求，需要較大容量的RAM以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要外接RS232和RS485兩個(gè)接口，可見用一片單片機(jī)難以滿足需要[2]。因此設(shè)計(jì)中利用兩片單片機(jī)分別完成不同的任務(wù)，但關(guān)鍵在于兩片單片機(jī)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)通信。兩個(gè)單片機(jī)均選用AT89C52，二者之間利用一片雙口RAM IDT7134 SA進(jìn)行并行數(shù)據(jù)傳輸。
兩片單片機(jī)進(jìn)行分工協(xié)作，完成控制功能。其中，單片機(jī)1根據(jù)抄表指令或設(shè)定的自動(dòng)抄表時(shí)間采集電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)前加入頭標(biāo)志55H后將其存放在雙口RAM的第一塊區(qū)域。此外，該單片機(jī)還接收手持單元的控制命令，完成相應(yīng)操作。單片機(jī)2通過GSM MODEM模塊時(shí)刻等待接收管理中心的命令，并在抄表指令前加入頭標(biāo)志55H后將其存放在雙口RAM的第二塊區(qū)域。同時(shí)根據(jù)輸入的開關(guān)狀態(tài)量向管理中心或用戶報(bào)警。單片機(jī)1查詢雙口RAM的第二塊區(qū)域時(shí)，若發(fā)現(xiàn)開頭為55H的抄表命令，則調(diào)用抄表子程序執(zhí)行該命令。若為新的分合閘指令，則將其轉(zhuǎn)存至RAM的第一塊區(qū)域。同理，單片機(jī)2查詢雙口RAM的第一塊區(qū)域時(shí)，若發(fā)現(xiàn)開頭為55H的電表數(shù)據(jù)，則將其上傳至管理中心；若為新的分合閘指令，則調(diào)用斷路器控制子程序。單片機(jī)處理完每條命令或數(shù)據(jù)后都會(huì)將其頭標(biāo)志更改為0AAH，以免被重復(fù)讀取執(zhí)行。為了避免在某一單片機(jī)寫/讀雙口RAM時(shí)另一單片機(jī)同時(shí)讀/寫該地址，造成讀寫錯(cuò)誤，兩單片機(jī)之間通過兩根I/O口線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。
2.1.2 通信單元
該單元包括向下和向上兩個(gè)通信單元：終端與智能電能表間的向下通信單元以及終端與GSM MODEM模塊間的向上通信單元。終端與智能電能表之間為RS485接口，采用MAX485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)依據(jù)《多功能電能表通信規(guī)約》[3]進(jìn)行傳輸。
終端與GSM MODEM模塊之間為RS232接口，采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，該器件包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)接收器和一個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器。兩者按照《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約——2004》[4]規(guī)定的幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則進(jìn)行通信[5]。
2.1.3 監(jiān)控單元
監(jiān)控單元監(jiān)測(cè)斷路器狀態(tài)、電壓缺相狀態(tài)、門禁狀態(tài)、電量控制和催費(fèi)告警等開關(guān)量，經(jīng)光電耦合器隔離保護(hù)后輸入74HC165進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，串行輸出的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)2的P1.2引腳。當(dāng)開關(guān)量發(fā)生變化時(shí)（如傳感器檢測(cè)到電能表柜門被非法打開時(shí)，門禁狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變），自動(dòng)向管理中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。預(yù)存電量剩余下限告警時(shí)，在向管理中心發(fā)送信息的同時(shí)主動(dòng)向用電戶手機(jī)發(fā)送催費(fèi)通知短信。
控制單元接收手持單元或管理中心的控制命令，完成斷路器本地或遠(yuǎn)程分合閘操作。
2.1.4 手持單元
手持單元由3×8鍵盤陣列、16位數(shù)碼顯示管、兩片數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片CH451組成。該單元通過扁平電纜與測(cè)控終端連接，即插即用，主要完成對(duì)測(cè)控終端的設(shè)置和調(diào)試。終端正常工作后，不必連接手持單元。
利用數(shù)字鍵和“編輯”、“確認(rèn)”、“刪除”及“上/下頁”等按鍵可以根據(jù)系統(tǒng)要求、電能表功能和工作條件進(jìn)行必要的設(shè)置，如設(shè)置終端時(shí)間、自動(dòng)抄表日、中心和終端地址、行政區(qū)代碼、通信速率、電壓/電流互感器倍率、電表數(shù)量及通信地址、管理中心和用戶手機(jī)號(hào)碼等。通過“合/分閘”按鍵可以控制斷路器的關(guān)閉和打開。“測(cè)試”按鍵用于測(cè)試通信鏈路狀況。
顯示屏幕可以直觀實(shí)時(shí)顯示設(shè)置的參數(shù)以及終端工作情況。顯示屏幕分兩行，第一行為顯示內(nèi)容對(duì)象及子項(xiàng)目序號(hào)，第二行為具體內(nèi)容。
2.1.5 時(shí)鐘電路單元
該單元為終端提供時(shí)鐘信號(hào)，選用支持串行接口的高精度SD2300系列時(shí)鐘芯片。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件利用C51語言編程。單片機(jī)1的程序主要包括初始化、抄表讀數(shù)模塊、通信模塊和手持單元模塊，其流程圖如圖3所示。單片機(jī)2的程序主要包括初始化、發(fā)送信息模塊、報(bào)警模塊和分合閘操作模塊，其流程圖如圖4所示。
3 管理中心軟件的設(shè)計(jì)
管理中心軟件包括通信軟件和管理軟件，均采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，用可視化編程軟件VB設(shè)計(jì)[6]。管理中心軟件結(jié)構(gòu)示意圖[7]如圖5所示。
3.1 通信軟件設(shè)計(jì)
通信軟件是管理中心通過GSM網(wǎng)絡(luò)與測(cè)控終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊。串口通信采用MSCOMM控件來實(shí)現(xiàn)，該控件在部件選項(xiàng)中為MICROSOFT COMM CONTROL 6.0標(biāo)識(shí)。通過控件SETTING屬性進(jìn)行串口通信設(shè)置，并設(shè)置好串口緩沖區(qū)大小及通信事件處理值。下行通信時(shí)，通過設(shè)置MSCOMM的OUTPUT屬性來發(fā)送數(shù)據(jù)；上行通信時(shí)，數(shù)據(jù)通過串口進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過MSCOMM INPUT接收數(shù)據(jù)。
3.2 管理軟件設(shè)計(jì)
管理軟件主要包括用戶帳戶管理、基本操作設(shè)置和數(shù)據(jù)處理三個(gè)模塊。在“用戶帳戶管理”模塊中，可進(jìn)行增加、刪除用戶和修改密碼等操作。“基本操作設(shè)置”模塊包括控制中心操作、配電柜操作和電表操作，其中，控制中心操作包括數(shù)據(jù)信道測(cè)試、添加配電柜和屬性設(shè)置；配電柜操作包括讀取相關(guān)參數(shù)、遙控分合閘、催費(fèi)繳費(fèi)、保電投入/解除、添加電表和屬性設(shè)置；電表操作包括讀取電表參數(shù)、設(shè)置正/反向電能、讀取正/反向最大需量、讀取三相電有功功率/無功功率/功率因數(shù)和屬性設(shè)置。“數(shù)據(jù)處理”模塊包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)。
本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)符合《低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件》[8]的要求，具有遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程負(fù)控和防竊電功能。該系統(tǒng)充分利用了GSM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，與低壓電力線載波、有線電纜方式等形式的抄表系統(tǒng)相比，具有成本低、傳輸質(zhì)量高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，解決了長期困擾用電用戶和電力部門的諸多難題，具有良好的應(yīng)用前景。利用本文的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，改裝后的系統(tǒng)還可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄水表/氣表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備遠(yuǎn)程測(cè)控等場合。
參考文獻(xiàn)
[1] 高輝忠，馬維華．基于GSM短消息的多功能遠(yuǎn)程抄表終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．中國儀器儀表，2005，24(8)：60-63.
[2] 余國河，趙富海，秦楠．基于GSM網(wǎng)絡(luò)的居民用電遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)[J]．電力設(shè)備，2005，6（7）：110-111．
[3] 電力工業(yè)部電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．多功能電能表通信規(guī)約[S]（DL/T645-1997），1998.
[4] 國家電網(wǎng)公司．電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約——2004[S]，2004.
[5] Siemens Co.．AT Command Set for Siemens Cellular Engines (Version 03.00) [S]，2001.
[6] BALENA F． Programming with microsoft visual basic 6.0[M]．USA：Microsoft Press，1999.
[7] 劉雪厚．基于GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程抄表計(jì)費(fèi)系統(tǒng)[D]．大連：大連理工大學(xué)，2003.
[8] 電力工業(yè)部電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件[S] (DL/T698-1999).1999.