隨著技術(shù)的發(fā)展,，抄表方式也從現(xiàn)場(chǎng)人工抄表到遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表轉(zhuǎn)變,，目前用于抄表的技術(shù)有多種，如RS485總線,、紅外和電力線載波等,，這些抄表技術(shù)相對(duì)比較成熟，但應(yīng)用卻各有其局限性,，如RS 485總線抄表需要布線而增加投資,，且傳輸距離不能超過(guò)1200m，紅外抄表需要人工現(xiàn)場(chǎng)抄表,，電力載波抄表由于電磁干擾等的影響傳輸距離受限,。GPRS通信技術(shù)成熟，網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣,，可以永久在線,，按流量計(jì)費(fèi)，費(fèi)用低廉，且不受距離和空間的限制,，使得在抄表行業(yè)的應(yīng)用非常適合,。
1 GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表
GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表就是GPRS通信技術(shù)和電表技術(shù)的結(jié)合體，他將三相多功能電能表和GPRS通信模塊相結(jié)合,，形成具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信能力的電能計(jì)量裝置,。GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表由基表和GPRS無(wú)線通信模塊兩部分組成。
1．1 基表
基表可實(shí)現(xiàn)普通三相多功能電能表的基本功能,，在未接入GPRS通信模塊的情況下,，不影響其作為普通多功能電能表的使用。它對(duì)交流模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,、處理和存儲(chǔ),，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量、需量測(cè)量,、復(fù)費(fèi)率,、負(fù)荷曲線計(jì)算和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)凍結(jié),、事件記錄,、復(fù)費(fèi)率等，可實(shí)現(xiàn)用戶預(yù)購(gòu)電控制,、負(fù)荷控制,、遠(yuǎn)程控制等功能。具備RS 485通信接口,、紅外通信接口,、GPRS通信模塊接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的抄讀和設(shè)置,；基表還具有本地液晶顯示,，可支持本地巡顯和鍵顯功能。
1. 2 GPRS通信模塊
GPRS通信模塊是GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表的數(shù)據(jù)上傳的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),，作為網(wǎng)絡(luò)電能表的一個(gè)獨(dú)立模塊,，在不影響基表計(jì)量的情況下，滿足用戶抄表系統(tǒng)的技術(shù)要求和傳輸規(guī)約,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸,。GPRS通信模塊與基表的下行通信滿足DT／L645多功能電能表通信協(xié)議，與主站的上行通信滿足《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》(Q／GDW 376．1-2009)標(biāo)準(zhǔn),。
在此著重描述GPRS通信模塊的軟硬件設(shè)計(jì),。
2 GPRS通信模塊硬件結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)框圖
GPRS無(wú)線通信模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括：ARM微處理器(LPC2138),、GPRS模塊,、FLASH和鐵電存儲(chǔ)器,、紅外收發(fā)、RS 232串行調(diào)試接口,、RS 485通信接口,、JTAG仿真接口、LED指示及電源轉(zhuǎn)換等,。
2．2 模塊功能
2．2．1 微處理器
采用基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位微處理器LPC2138,，其內(nèi)嵌了512 KB的高速FLASH存儲(chǔ)器和32 KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源,，如：2個(gè)32位定時(shí)器(帶捕獲,、比較通道)；2個(gè)10位8路ADC,；1個(gè)10位DAC,；PWM通道；47路GPIO,；9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷,；具有獨(dú)立電源和時(shí)鐘的RTC；多個(gè)串行接口(UART,，I2C,，SPI，SSP),；內(nèi)含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級(jí)和向量地址,；片內(nèi)Boot裝載程序,，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)／在應(yīng)用編程(ISP／IAP)，通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)60 MHz的CPU操作頻率,，具有空閑和掉電2種低功耗模式,，并且可通過(guò)外部中斷喚醒。
2．2．2 GPRS模塊
采用深圳有方科技出品的M580z模塊,，其內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧,，具有兩個(gè)通信鏈路，一路標(biāo)準(zhǔn)TTL串行通信端口,，精簡(jiǎn)的AT指令集,，通過(guò)AT命令可實(shí)現(xiàn)模塊的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)發(fā)送。M580與CPU通過(guò)一個(gè)TTL電平的串行口連接,。
2．2．3 存儲(chǔ)器
由于與主站的上行通信應(yīng)滿足《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》,，需要存儲(chǔ)規(guī)約要求的一類數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))、二類數(shù)據(jù)(曲線數(shù)據(jù),、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))和三類數(shù)據(jù)(事件),，特別是曲線數(shù)據(jù)要求存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大,，因此采用大容量的FLASH存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)二類和三類數(shù)據(jù)。由于鐵電存儲(chǔ)器可無(wú)限制的擦寫,，所以用來(lái)存儲(chǔ)需要經(jīng)常更新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù),。存儲(chǔ)器與MPU的接口為SPI接口。
2．2．4 串行接口和JTAG仿真端口
利用RS 232串行口,、紅外通信口可實(shí)現(xiàn)模塊參數(shù)的本地設(shè)置和維護(hù),。其中，RS 232串口可實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊狀態(tài)的監(jiān)測(cè),，通過(guò)RS 485串行口可抄讀滿足《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》的數(shù)據(jù),；JTAG仿真端口可對(duì)ARM處理器進(jìn)行仿真和程序燒寫。
2．2．5 LED指示
LED指示燈用來(lái)指示模塊的電源狀態(tài),、模塊登陸狀態(tài),、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)及保電狀態(tài)等。
2．2．6 三相電能表
三相電能表實(shí)現(xiàn)電能量及電壓電流等數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算,。它與MPU通過(guò)一個(gè)串行口連接,，通信規(guī)約滿足DT／L645協(xié)議，模塊定時(shí)抄讀三相表數(shù)據(jù),，包括電量,、需量、電壓,、電流等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，并將抄讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，以滿足主站對(duì)模塊的訪問(wèn)要求,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 總體架構(gòu)
軟件設(shè)計(jì)基于μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)設(shè)計(jì),，整體架構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)軟件包括：主任務(wù),、上行任務(wù),、下行任務(wù)、模擬串口任務(wù),、事件處理任務(wù)和控制處理任務(wù),。
3．1．1 主任務(wù)
實(shí)現(xiàn)全局變量初始化，硬件環(huán)境初始化,，信號(hào)量和消息隊(duì)列的建立,、其他任務(wù)的創(chuàng)建和啟動(dòng)、鍵盤掃描,、系統(tǒng)時(shí)間和定時(shí)處理,、復(fù)位處理等功能。
3．1．2 上行任務(wù)
上行任務(wù)實(shí)現(xiàn)GPRS通信鏈路的建立,、維護(hù)及與主站的數(shù)據(jù)交換,，包括鏈路維護(hù),、數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議解析等功能,。
3．1．3 下行任務(wù)
實(shí)現(xiàn)對(duì)基表數(shù)據(jù)定時(shí)抄讀,、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等功能,。
3．1．4 模擬串口管理任務(wù)
由于系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)上行通信端口、下行通信端口,、RS 485通信端口,、RS 232通信端口和紅外通信端口5個(gè)串行通信口，而LPC2138內(nèi)部只有兩個(gè)串行口,，所以必須對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展,。在此，用軟件來(lái)模擬串口通信,，以實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展,。建立一個(gè)模擬串口管理任務(wù)，專門管理下行抄表模擬串口,、紅外通信模擬串口和調(diào)試模擬串口,。
3．1．5 事件處理任務(wù)
事件處理任務(wù)處理系統(tǒng)發(fā)生的各類事件，包括事件記錄,、事件上報(bào)等,。
3．1．6 控制任務(wù)
控制任務(wù)執(zhí)行一些控制操作，包括預(yù)購(gòu)電控制,、保電控制,、告警控制等。
3．1．7 任務(wù)間的通信
任務(wù)與任務(wù)之間數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)消息發(fā)送和接收來(lái)實(shí)現(xiàn),，消息結(jié)構(gòu)為：
消息傳遞函數(shù)定義為：
3．2 軟件模塊實(shí)現(xiàn)流程
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)任務(wù)包含不同的功能模塊,，由于系統(tǒng)包含模塊較多,，在此只給出主任務(wù)模塊流程圖及上行任務(wù)中的GPRS鏈路維護(hù)模塊流程圖。
3．2．1 主任務(wù)流程
主任務(wù)程序流程如圖3所示,。
3．2．2 GPRS鏈路維護(hù)流程
上行任務(wù)中的鏈路維護(hù)模塊包括：GPRS網(wǎng)絡(luò)登陸,、鏈路狀態(tài)檢測(cè)以及心跳維護(hù)等。其中,，GPRS網(wǎng)絡(luò)登陸程序流程如圖4所示,。在GPRS通信鏈路建立后，如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)傳輸,，則GPRS網(wǎng)絡(luò)連接將被斷開(kāi),，所以必須在一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)一個(gè)心跳幀至主站,，確認(rèn)主站應(yīng)答后說(shuō)明鏈路狀態(tài)正常。不同品牌GPRS模塊的AT指令集不同,，因此在編程前須熟悉相關(guān)GPRS模塊的指令集,，以實(shí)現(xiàn)鏈路的建立和維護(hù)。
4 結(jié)語(yǔ)
介紹了GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表的功能和GPRS無(wú)線通信模塊的軟硬件設(shè)計(jì),，它是對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的總結(jié),。系統(tǒng)軟件移植了μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)設(shè)計(jì),，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,，對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線抄表具有積極意義，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已在國(guó)家電網(wǎng)公司成功應(yīng)用,，且運(yùn)行穩(wěn)定,，應(yīng)用效果良好。