通信技術(shù),、微處理器技術(shù),、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的共同發(fā)展推動(dòng)了智能電網(wǎng)的建設(shè)，實(shí)時(shí)用電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的重要組成部分,。用電采集系統(tǒng)主要由主站,、數(shù)據(jù)采集層和采集點(diǎn)設(shè)備層三部分組成。主站是整個(gè)系統(tǒng)管理控制中心,，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信息采集和電能管理,；數(shù)據(jù)采集層的主體是電能采集終端，負(fù)責(zé)對(duì)電能信息的采集,、數(shù)據(jù)傳輸和執(zhí)行主站發(fā)送的命令,；采集點(diǎn)是電能信息的采集源和監(jiān)控對(duì)象，包括電能表和相關(guān)測(cè)量設(shè)備。
     目前,對(duì)低壓非居民用戶和居民用戶的用電信息采集設(shè)備主要是集中抄表終端(包括集中器和采集器),，并以遠(yuǎn)程無線通信(GPRS/CMDA)與主站完成數(shù)據(jù)交互,。但在新舊電力設(shè)備轉(zhuǎn)換的階段，針對(duì)集中用戶和分散用戶,、大用電戶和小用電戶在實(shí)際抄表中遇到一些問題,，本文介紹了一種便攜式手抄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，可使電力管理部門更加方便地采集用電信息[1],。
1 手抄系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)主要由手持終端和采集器兩部分組成,。手持終端作為控制端不僅能完成對(duì)電能數(shù)據(jù)的抄收、存儲(chǔ)和顯示,，而且能與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并及時(shí)上傳至主站系統(tǒng),。采集器在整個(gè)抄表系統(tǒng)中起過渡作用，它根據(jù)手持終端發(fā)來的命令控制所管轄的電能表,，負(fù)責(zé)收集和提供整個(gè)系統(tǒng)的原始用電信息,，并把用電信息發(fā)送給手持終端，因此集中器要能夠同時(shí)與手持終端和電能表進(jìn)行通信[2],。
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。在正常情況下，手持終端通過采集器對(duì)電能表進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的抄收和參數(shù)設(shè)置,，并根據(jù)電能表地址對(duì)各個(gè)電能表的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),、分析發(fā)送給上位機(jī)。但當(dāng)采集器無法完成通信時(shí),，手持終端也可以通過紅外方式直接對(duì)電能表進(jìn)行電能數(shù)據(jù)抄收與參數(shù)設(shè)置,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    無線抄表系統(tǒng)由采集器和手持終端兩部分組成，綜合考慮本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求選擇了意法半導(dǎo)體(ST)公司STM32系列的STM32F103RBT6作為本系統(tǒng)的主處理器,。它基于Cortex-M3內(nèi)核,擁有的資源包括128 KB Flash,、20 KB SRAM、2個(gè)SPI,、3個(gè)串口,、1個(gè)USB、1個(gè)CAN,、2個(gè)12位的ADC(16通道),、RTC、DMA,、4個(gè)16位定時(shí)器,、51個(gè)可用的I/O腳等，因其有較高性能和豐富的資源,，較好地滿足抄表系統(tǒng)的開發(fā)需求,，所以選擇它作為主芯片[3],。
2.1采集器硬件設(shè)計(jì)
　采集器主要由微處理器、電源模塊,、存儲(chǔ)模塊,、485通信模塊、時(shí)鐘模塊和無線收發(fā)模塊組成,，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示,。采集器與電能表通過RS485通信，根據(jù)用戶實(shí)際情況,，采集器可以用于采集單個(gè)或多個(gè)電能表的電能信息,。當(dāng)采集器收到手持終端抄表命令時(shí)，對(duì)其連接的電能表進(jìn)行電能數(shù)據(jù)采集并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),，然后通過無線將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給手持終端,。

2.2手持終端硬件設(shè)計(jì)
    手持器終端是整個(gè)系統(tǒng)的控制端，它管理全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸,、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用,，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

    電源模塊由3 V的電池供電,，并通過升壓型DC-DC芯片TPS60100和TPS60110產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的3.3 V和5 V電壓；時(shí)鐘是系統(tǒng)記錄事件和數(shù)據(jù)通信的時(shí)間依據(jù),，本設(shè)計(jì)采用低功耗,、低成本、高精度的DS3231芯片,，并通過400 kHz 的IIC總線接口與處理器相連,；手持終端需要存儲(chǔ)和處理各類數(shù)據(jù),，因此選用了ATMEL公司的AT45DB642芯片來存儲(chǔ),，它具有8 MB的存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘頻率達(dá)66 MHz,，通過SPI串行口連接處理器,；液晶選用北京集萃公司的SO160160—01ASWE，采用并口6800工作方式,，并通過處理器GPIO控制液晶的顯示,。DL/T645-2007通信協(xié)議規(guī)定紅外通信的載波頻率為38 kHz±1 kHz，故而采用適合此頻段的紅外發(fā)射管TSAL6200 和紅外接收管TSOP1838,，發(fā)送脈沖調(diào)制采用三極管耦合,，載波由PWM產(chǎn)生，并通過STM32的串口1完成通信,。
2.3 無線收發(fā)硬件電路設(shè)計(jì)
    無線模塊作為采集器和手持終端的重要部分,，本系統(tǒng)采用2.4 G通信的JF24C無線模塊,。它整合了高頻鍵控(GFSK)收發(fā)電路的功能，以小體積實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,，其傳輸速率可達(dá)到1 Mb/s,，具有快速跳頻、向前糾錯(cuò),、循環(huán)冗余校驗(yàn)等功能,，可以在擁擠的ISM頻段中達(dá)到穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。JF24C采用SPI數(shù)字接口與STM32處理器連接,，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

    JF24C提供了兩種方法來處理TX/RX數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，一種是在JF24C微處理器內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度,，另一種是微處理器保持接收/發(fā)送狀態(tài)直到單片機(jī)終止發(fā)送和接收,。JF24C微處理器可處理的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度最高為255 B，本系統(tǒng)無線通信一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于255 B,，所以選用JF24C微處理器內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度,。其中，TX的時(shí)序圖如圖5所示,，RX的時(shí)序圖如圖6所示,。

    在抄表通信中涉及到自動(dòng)獲取電能表地址，目前根據(jù)DL/T645—2007通信協(xié)議,，按以下搜索算法獲取電能表地址,。用全AA的地址域抄電能數(shù)據(jù)量，如果接收到完整的回應(yīng)幀,，則表明下面只接一只電能表,，然后從地址域中得到該表的地址，跳出搜表循環(huán),；如果收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù),，則表明所接的電能表不止一只。然后將地址域低字節(jié)使用XX(00~99）,，其余高5 B使用AA地址抄讀表計(jì)電量,。如果收到完整的回應(yīng)幀，則收到了一只表,，此時(shí)將地址域低字節(jié)加1繼續(xù)抄表命令,，直到出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)為止，記錄循環(huán)次數(shù)為N,，此時(shí)表明所接的RS485表計(jì)地址在低位有相同的值XX+N,。
　通信部分作為多功能無線抄表系統(tǒng)的核心，不僅完成數(shù)據(jù)的通信,，而且為系統(tǒng)的合理有序運(yùn)行提供可靠的保障,。系統(tǒng)通過串口中斷接收數(shù)據(jù),。當(dāng)接收到主站有效數(shù)據(jù)幀后,首先要檢驗(yàn)從站地址正確與否，若非本站則可將該數(shù)據(jù)幀丟棄,，若是本站則繼續(xù)檢驗(yàn)控制碼,、校驗(yàn)碼等其他信息，確保接收到的數(shù)據(jù)幀的正確性,，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的解析,。非廣播命令則需要組織回應(yīng)數(shù)據(jù)幀，如果組織數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,，則需做出異常應(yīng)答,，在完成回應(yīng)之后，返回等待主站下一次的通信命令,。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1采集器軟件設(shè)計(jì)
　采集器作為手抄系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié),，不僅需要與電能表進(jìn)行本地通信，還需要與手持終端進(jìn)行無線通信,。所以在整個(gè)系統(tǒng)中,，采集器主要實(shí)現(xiàn)了手持終端與電能表之間的通信,并且對(duì)DL/T645通信規(guī)約進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換。
　采集器程序流程如圖7所示,。系統(tǒng)上電時(shí)初始化STM32外設(shè),，初始化JF24C無線射頻模塊，然后通過串口1中斷接收數(shù)據(jù),。當(dāng)接收到手持終端的抄表命令時(shí),，向電能表發(fā)送命令并接收電能表返回的抄表數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則重新給電能表發(fā)送抄表命令,，如果正確則對(duì)電能數(shù)據(jù)通過串口2發(fā)送給手持終端,，接著等待下一次抄表命令[5]。

    JF24C無線射頻模塊初始化流程圖如圖8所示,。
4.2 手持終端軟件設(shè)計(jì)
　    為了能較好地完成系統(tǒng)的多任務(wù)處理,，在STM32微處理器上嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的程序設(shè)計(jì)可以將應(yīng)用程序分成相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)任務(wù),，每個(gè)任務(wù)都有自己的優(yōu)先級(jí),，μC/OS-II內(nèi)核按照優(yōu)先級(jí)對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理,。 根據(jù)手持終端實(shí)現(xiàn)的功能,，對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行分割, 并為各個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)大致可分為如下幾個(gè)任務(wù)：RTC任務(wù),、按鍵檢測(cè)任務(wù),、LCD顯示任務(wù)、無線通信任務(wù)和紅外通信任務(wù),。如圖9所示,，系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì)以μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),，首先初始化STM32F103RBT6外設(shè)功能，然后創(chuàng)建各個(gè)功能模塊的應(yīng)用程序任務(wù)并合理分配優(yōu)先級(jí),，并按照優(yōu)先級(jí)對(duì)每一個(gè)任務(wù)進(jìn)行處理[6],。

5 手抄系統(tǒng)測(cè)試
　    系統(tǒng)測(cè)試中采用一塊電能表通過RS485接口與采集器相連接，并由手持終端發(fā)送抄表命令,。因本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所測(cè)試的電能表是掛在計(jì)量箱內(nèi)部,，所以本測(cè)試是通過JF24C無線模塊進(jìn)行抄表，測(cè)試采用的電能表地址為000000563825,。在正常天氣下,，不同距離對(duì)電能表進(jìn)行多次的抄收，并記錄下成功抄收次數(shù)和失敗次數(shù),，其測(cè)試結(jié)果如表2所示,。

    本系統(tǒng)通過無線通信和紅外通信的相互配合完成了對(duì)電能表電能數(shù)據(jù)的抄收，并將電能數(shù)據(jù)抄收與數(shù)據(jù)管理相結(jié)合,，不僅保證了用電采集系統(tǒng)的可靠性,，而且更加方便電力管理部門對(duì)用電信息的統(tǒng)計(jì)。通過實(shí)際的測(cè)試和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和通用性,，能夠快速準(zhǔn)確地完成電能表電能數(shù)據(jù)的抄收。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐金亮, 程必宏. 用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社,，2102.
[2] 周長(zhǎng)紅,，劉敬彪．智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004(172)：35-37．
[3] 王永虹,，徐煒,，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[4] DL/T 645- 2007,，多功能表通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)[S].2007.
[5] 王振朝,，郭偉東，王伊瑾．基于電力載波通信技術(shù)的抄表通信模塊設(shè)計(jì)[J]．電測(cè)與儀表,，2009(19)：72-76．
[6] 任哲,，潘樹林，房紅征. 嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)μC/OSII和Linux[M]. 北京: 北京航天航空大學(xué)出版社,，2006.