基于ARM9和GPRS的實時電力負控管理系統(tǒng)的設計

出處：吳曉云，劉寶盈發(fā)布于：2012-05-22 15:44:02

　　在當今電能源緊張的工業(yè)社會中，及時準確地獲取用戶的用電負荷信息，并據(jù)此做出及時的控制調度對于提高能耗利用率具有重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的電量結算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)的，在實時性、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平臺的自動抄表終端已成趨勢。但由于單片機的數(shù)據(jù)處理速率低、ARM7缺乏存儲管理單元，難以滿足電力系統(tǒng)對負荷控制的精細化要求。

　　本文根據(jù)重慶電力部門的需求，在現(xiàn)有的電力負控管理系統(tǒng)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(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)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(tǒng)的度；利用具有搶占內核機制的Linux2.6操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的實時響應速度；利用寬帶GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)了用電信息的無線傳輸和實時監(jiān)測等功能。

　　1 負控管理系統(tǒng)的總體框架及其工作原理

　　負控管理系統(tǒng)實質就是利用先進的測控、通信以及計算機技術，將電能表數(shù)據(jù)整合到一起的通信系統(tǒng)。本文設計的系統(tǒng)由安裝在用戶端的電能表、用戶小區(qū)的負控管理終端和電力部門的遠程管理主站組成。其拓撲圖如圖1所示。

　　用戶電能表與負控管理終端通過RS 485總線通信，負控管理終端通過RS 485總線讀取用戶電能表數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)交給相應的模塊封裝成IP包發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡，GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫連接，主站通過Internet接收到終端通過RS 485接口采集回來的電能表數(shù)據(jù)，然后顯示、分析、存儲這些電能表數(shù)據(jù)，然后根據(jù)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(shù)、斷線檢測、超載報警等功能）。以此實現(xiàn)遠程監(jiān)控負控管理終端，并通過負控管理終端監(jiān)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(shù)據(jù)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，由于兩者相距比較遠，周圍環(huán)境會對傳輸信號產生比較大的干擾，系統(tǒng)又要求負控管理終端所掛接電能表數(shù)量盡量多，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轉換過來的，要把RS 232信號轉成RS 485信號，必須先通過RS 232收發(fā)器將信號發(fā)送出去，再通過RS 485收發(fā)器接收信號，MAX202ECPE是RS 232收發(fā)器，選用MAX485驅動芯片用于RS485通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器，可以直接掛接128個電能表，實現(xiàn)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，接收器就無法正常工作了，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(zhí)行電路與MCU控制電路隔離。

　　2.1.2 GPRS通信模塊

　　GPRS網(wǎng)絡是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供廣域無線IP連接。用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸具有："永遠在線"、"按流量計費"、"快捷登錄"、"高速傳輸"、"自如切換"等優(yōu)點。

　　在負控管理終端的數(shù)據(jù)傳輸中，優(yōu)先采用了GPRS無線網(wǎng)絡傳輸?shù)姆绞健PRS模塊是負控管理終端接入GSM/GPRS網(wǎng)絡的關鍵設備，通過GPRS模塊來完成與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(wěn)定、價格適中的優(yōu)點，它的波特率300~115 200 b/s;支持短消息業(yè)務；內嵌TCP/IP協(xié)議和標準的AT命令，通過AT命令來進行語音和數(shù)據(jù)通信；提供標準的UART接口，只需用串口線就能與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卡就可以實現(xiàn)通信。

　　在GPRS通信電路中設計晶振為芯片提供工作頻率，它是構成芯片的系統(tǒng)必不可少的元器件，一般與它串聯(lián)2個電容，是固定接法，一個是輸入電容，一個是輸出電容，根據(jù)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(jiān)聽到登陸幀后（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始通信。負控管理終端接收到數(shù)據(jù)時，先判斷是不是主站發(fā)送過來的控制命令，如果是，將該命令透明傳輸給電能表，電能表通過解析判斷其要是采集數(shù)據(jù)命令，就將相應的電能數(shù)據(jù)返回給負控管理終端，負控管理終端收到數(shù)據(jù)后通過TCP發(fā)送給主站；如果不是控制命令，說明是電能表的返回數(shù)據(jù)，同樣通過TCP協(xié)議發(fā)送給主站。在沒有任何命令時，負控管理終端進入低功耗模式，間隔一定時間發(fā)送心跳包，以確定它與主站沒有斷開連接。每隔15 min,負控管理終端會定時采集電能數(shù)據(jù)，并將其存儲在NANDFLASH中，等待主站隨時調用。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，比如事故報警信息，負控管理終端通過遙信控制主動上報給主站，以做出適當處理。

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

　　該部分的軟件編寫采用自上而下的設計思路，以模塊化設計為原則，采用C語言編程，通過建立數(shù)據(jù)采集與處理線程、GPRS網(wǎng)絡通信線程、按鍵控制線程，使其相互協(xié)調地運行。

　　結合上面給出的設計思路，下面重點介紹如何利用多進程技術和管道技術來實現(xiàn)抄表和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

　　在進行網(wǎng)絡通信之前，先設定網(wǎng)絡端口允許接入的客戶端數(shù)、父進程和子進程設定的2個狀態(tài)變量。

　　進入主函數(shù)，創(chuàng)建管道和子進程，分別啟動父進程和子進程，開始數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡傳輸，function_farther（）函數(shù)和function_child（）函數(shù)分別為父進程和子進程的主函數(shù)。

　　在main（）函數(shù)中還有以下幾個主要的子函數(shù)：

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

　　gather_meter_realtime（）：實時采集任務主要完成和電能表的通信工作。根據(jù)自定義規(guī)約判斷主站想要什么數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)TCP打包后發(fā)回到通信任務，通信任務就會以相應的形式（數(shù)據(jù)）上傳給主站。

　　gather_meter_time（）：定時采集任務指每天定時主動讀取電能表，并將讀到的數(shù)據(jù)存放在NandFLASH中。這樣當主站下發(fā)命令索要數(shù)據(jù)時，終端就不必再去讀表，可以直接將存儲的數(shù)據(jù)上發(fā)給主站。

　　alarm_task（）：報警任務每隔一定時間程序就去讀三相電壓，并將讀到的實時值與存放在Nancl FLASH中規(guī)定的電壓上限值作比較，當實時電壓值超過上限值或者低于下限值時，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，終端軟件再向電網(wǎng)狀態(tài)字置位。

　　led_task（）：指示燈任務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個運行指示燈，一個用于指示程序的正常運行，1 s閃爍1次；另一個用于指示通信模塊的工作狀態(tài)，GPRS模塊沒有注冊到網(wǎng)絡時，該指示燈1 s閃爍1次，注冊上網(wǎng)絡后，3s閃爍1次。

　　2.2.2 主站管理軟件的設計

　　本系統(tǒng)的主站管理軟件是用面向對象的編程工具VB開發(fā)完成的。通過使用面向對象的數(shù)據(jù)模型來構建主站，將負控管理終端模型化為一系列邏輯沒備組成，每個邏輯設備是該物理設備的一個功能子集，各種功能則用對象模型來標準化。主站設置2個邏輯設備：管理邏輯設備與數(shù)據(jù)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的及負控管理終端參數(shù)設置數(shù)據(jù)對象；數(shù)據(jù)邏輯設備用來存儲和管理負控管理終端下屬的電能表數(shù)據(jù)。

　　主站的交互界面采用模塊化沒計，主窗體包括應用連接、數(shù)據(jù)曲線、執(zhí)行動作、電表信息、數(shù)據(jù)類對象四大模塊，主站的功能框圖如圖3所示。

　　3 實驗結果

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

　?。?）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，應用連接的建立過程稱為"協(xié)商"過程，是為數(shù)據(jù)通信約定一些配置參數(shù)；

　　（3）進行數(shù)據(jù)通信。應用連接建立后，就可以進行數(shù)據(jù)通信了；

　?。?）數(shù)據(jù)通信結束，釋放數(shù)據(jù)鏈路，解除物理連接。

　　主站啟動后首先要與負控管理終端進行連接，管理人員必須輸入正確的用戶名和口令，驗證無誤后，主站與終端連接成功才可進入主窗體，該曲線捕獲對象清單有總加組-時間、時間-總加組、總加有功功率、總加無功功率、總加有功電能量-總和總加無功電能量-總。圖4是通過主站讀取負控管理終端中的周期凍結總加組數(shù)據(jù)曲線；

　　4 結語

　　隨著無線電通信技術的發(fā)展，基于ARM9和GPRS的電力系統(tǒng)的自動抄表技術已趨于成熟，本文設計的負控管理系統(tǒng)具有實時性強、抄收速度快等優(yōu)點，雖然投資這種負控管理系統(tǒng)會增加成本，但應用后能實現(xiàn)開源節(jié)流并且投資長期收益，隨著電子技術的發(fā)展，可以實現(xiàn)電表、水表、煤氣表、熱能表四表合一的無線自動化抄表系統(tǒng)。這種應用將為用戶表計管理系統(tǒng)技術帶來更大改革，也更有利于實現(xiàn)統(tǒng)一管理和宏觀調控。因此具有廣闊的應用前景，會帶來較好的經濟和社會效益，從而使用戶和企業(yè)實現(xiàn)雙贏局面。