基于GPRS的远程抄表系统设计与实现

0 引言
    远程抄表系统是集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术和电力营销技术为主体的用电需求综合性的实时信息采集与分析处理设备。终端以公共移动通信网络为主要通讯载体，通过多种通讯方式实现与系统主站之间的数据通讯，具有远程抄表、用电异常信息报警、电能质量检测、负荷曲线管理和负荷控制管理等功能。

1 系统构建
    各个监控现场一般距离主站系统较远，若要掌握多个监控现场的情况，把各个监控现场的电压、电流、功率、以及度数等数据信息传送到主站系统，需要建立一个星型的测控通信网络，解决数据远程传输问题。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，配电中心计算机主机配置固定的IP地址，各个电表数据采集点采用GPRS模块和该主机进行通信。
1．1 远程电量监控系统的总体结构
    整个监控系统由一个主站系统和若干个现场站点组成，而现场站点一般包含有前端数据采集器和现场下位机，系统构架见图1所示。主站系统(中央管理器)主要工作是监视和记录各现场站点的工作状态，从而达到远程控制现场站点的目的。现场站点主要对电量的各种参数进行采集与传送，中央管理器可对各现场站点的历史记录进行查询，从而达到对电力运行过程进行科学管理、预防事故发生的目的。中央管理器和各现场站点之间GPRS相连，由中央管理器主动建立链接，现场站点接到呼叫后应答进行数据传输。这样做的好处是可以避免多个现场站点同时呼叫，防止出现网络阻塞。
    GPRS数据传输方式及网络结构：通过GPRS服务，设备可采用互联网Internet的标准方式与在互联网上的服务器交换数据。GPRS的基础是以IP包的形式进行数据的传输，GPRS无线终端接入GPRS网络的方法与普通有线MODEM类似，都采用建立PPP(Point—to—Point Protoco1)连接方式。PPP协议是一种被广泛采用的串行点对点链路上传输数据包的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRSMODEM通过PPP协议获得动态分配的IP地址。连接建立后，在PPP协议的基础上通过数据传输协议，如TCP、UDP等实现与互联网上其它计算机的数据通讯。
    GPRS传输方式：在远程终端，采集数据通过A／D接口送入GSM／GPRS无线通信控制终端，GSM／GPRS无线通信控制终端首先将数据打包成TCP／IP数据包，再转换成GPRS数据包，通过无线链路传送到无线数据交换中心(MDEC)。MDEC再剥离GPRS数据包并通过GGSN网关将TCP／IP数据包传送到Internet，再由Internet传送到通信控制计算机，通信控制计算机通过Socket套接字接受TCP／IP数据包，并把它还原成原始数据。当数据由监控中心到远程终端方向时，情况是类似的。
1．2 监测站点的硬件组成设计
    监测站点由前端数据采集器和现场下位机构成，其中前端数据采集器采用CS5460模块和LPC932单片机构成，它负责采集监控现场的各项数据并存储。线路的内部经过严格的电磁隔离，测量电路经过采样、A／D转换处理后形成的数字信号再经过光电耦合由信号适配器向从单片机LPC932传送，主单片机与从单片机之间可采用I／0口模拟时序的方式进行串口通信。
    现场下位机部分是整个系统的工作核心，既负责和前端数据采集器之间的通信，又负责和中央管理器的数据通信，即将转换和处理后的信号送到中央管理器，还要负责和“时钟+看门狗”电路及显示电路的通信。因此，这部分电路至关重要。针对系统的要求和实际应用条件的情况，选用高性能的rabbit单片机作为系统的监控核心，Rabbit2000是专门为嵌入式控制，通信和以太网连接而设计的微处理器，具有非常低的电磁干扰。Rabbit2000是Rabbit半导体公司为嵌入式环境设计的高性能低价位的8位微处理器，以其C语言友好指令集和快速数字处理功能而受到瞩目。Rabbit2000的结构以Zilog公司的原始Z80微处理器为基础，但作了几项改进：不像Z80指令集那样使用16位寻址覆盖存储空间，而用1个20位或l兆字节的实际存储空间：采取直接与静态存储器相连接的方式，有3条存储芯片选择线路和2组写入／输出启动线路。Rabbit2000的系统工作频率最高可达29．49MHz。Rabbit2000片上外设包括5个8位并行I／0端口、4个串行端口、1个子端口、5个8位定时器、1个lO位定时器、精确脉冲发生硬件和电池支持的RTC。其串口可采用同步或异步传输方式，采用29．4912MHz的系统频率，异步传输速率最高可达91．6kbps。
    现场下位机部分主要包括：主从芯片单片机、显示电路、时钟+看门狗电路、GPRS等部分。它与前端数据采集器一起构成了现场站点。现场站点的系统组成连接如图2所示。

2 主站系统的总体设计
    主站系统由个人计算机加上管理软件构成。该部分由Pc机、Windows操作系统、应用软件和数据库组成。数据库采用Access数据库，将不同现场站点的状态参数以及现场信息存储在不同的表格内。简单来说，这部分的软件设计主要以下几部分工作：
2．1 设置动态数据库
    在管理监控中心计算机中要设置动态数据库，用以存放各现场采集的数据、上／下限告警值、参数整定值等。
2．2 设置各种通讯标志位
    由于通讯任务分为定时通讯，随机通讯和紧急通讯，通过合理地分配各种通讯位标志，依据通讯位标志进行程序的分支转移，以实现不同的动作。
    应用软件需自行开发，主要实现以下功能：
    (1)提供与操作者交互的人机界面，使用Windows操作界面，操作简单、快捷。
    (2)与现场站点建立通讯并交换数据。
    (3)各站点数据的显示、存储及检索查询，存储大量的历史数据，可以根据用户的需要生成统计报表、营业抄表或者曲线、图表等形式。
    (4)通过现场站点单片机实现远程监测的功能，在中央管理器端具有多项设置功能，包括报警或预警参数的选择，门限值的设定，用电设备维护人的呼叫电话、手机(或BB机)号码都可以方便地设置。
    (5)添加、删除现场站点等系统维护功能。根据以上功能要求，对中央管理器端的软件系统做出了如图所示3的流程。

3 监控系统的工作过程
    本系统的工作过程包括两个部分，一部分为前端数据采集器对电量各个参数进行采集，并初步处理后送至存储器；另一部分是中央管理器对数据的收集处理。中央管理器采用“轮询”的方式依次拨通各现场下位机进行通讯，下位机将所存储的、由数据采集器采集到的电参数经过通讯部分送至中央管理器进行数据的处理，从而获得用户的相关数据。即监控中心的中央管理器通过GPRS将指令发给下位机中的主芯片，采集器采集到的电量的各项参数，包括三相电压UA、UB、UC，三相电流IA、IB、IC，有功功率，无功功率和功率因数等，被送入到从芯片LPC932处理，从而将数据传送到中央管理器。同时一旦出现参数异常的特殊情况，下位机可以自动拨通预先存储的电话号码，发出“报警”或提示信号。

4 系统方案
    各电表使用GPRS透明数据传输终端，通过移动的GPRS网络与配电中心相连。用电现场服务与管理系统由数据库服务器、应用服务器、数据采集前置机、多业务接入平台和用户现场终端系统组成，多业务接入平台实现多种通讯方式的数据通讯，其中包括VPN方式、PPPOE宽带网、中国移动GPRS／GSM、10／lOOM宽带网络及通过PSTN电话网各种方式；数据采集前置机包含数据采集、终端线路故障分析，异常报警、以及把各种异常信息、预警．信息自动提交给95598客服系统、终端用户和系统相关人员；应用服务器集成各种应用支撑平台，通过业务逻辑整合实现各种复杂应用；数据库系统提供数据存储，为应用服务器及相关的各种应用提供数据服务。
    其中具有以下特性：
    多层分布式的应用体系结构，增强了系统的延展性。多层分布的结构，为开发在INTERNET／INTRANET上的应用打好基础。提高了软件资源的可重用性。降低二次开发成本。
    系统维护方便：客户端软件一次安装好后，后续的维护工作只在一台应用服务器上，降低软件的维护成本。采用稳定可靠的正版WINDOWS SERVER、UNIX或LINUX平台和ORACLE数据库系统，保证海量数据下，系统的应用效率。
    由于使用了多层分布式的应用体系结构，自动采集和计费主站系统就比其它使用Client／server的应用系统具有更好的可维护性和系统延展性。同时，为了使电力用户其它应用系统访问计费相关的数据，我们以企业对象的形态编写企业逻辑，为电力市场系统的顺利运行和企业数据上网打下良好的基础，另外，系统在软件上从服务器到客户端都支持UNIX、LINUX操作系统和WINDOWS 2000server操作系统，在硬件上用户可以按照自己的需求选择机型，整个系统都支持跨平台，用户可以对系统灵活组态。

5 结束语
    基于GPRS的远程电量监控系统通过数据采集模块对变压器的电参数进行采集，下位机将检测到的数据通过GPRS中国移动网送到上层监控中心的计算机系统进行存储和处理，以提供主管部门的分析和统计之用。系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。总体来说该系统具有设备简单、成本低和准确实用的特点，对于目前电力系统的应用价值较高。
    三相交流电压和电流经接线端子直接接入数据采集模块，由三相交流电压和电流可以测量出用电设备的相关的几个电量：三相电压Ua，Ub，Uc的有效值、三相电流Ia，Ib，Ic的有效值、三相有功功率Pa，Pb，Pc、有功功率P、无功功率E及功率因数。
    在中央处理器通过“轮询”的方式，通知每一个站点(或用电设备)，读取各个站点的现场数据，这些数据和各参数的序列，主机按照一定规则进行校验，有效的数据存储在存储器，利用计算机的强大的数据处理功能极大的方便了管理工作。这些测量形成相应的电量和某些状态的数据报表、图表、曲线，数据可以保存较长时间，除了查阅、显示还可打印输出，这些可以帮助操作、管理人员完成多重要工作，譬如变压器(或用电设备)长期的运行状况，负荷的分布图，功率因数是否合理等，在出现事故的同时可以及时发出“报警”，在事故的过后我们也能够找出发生故障的真正原因。