GPRS的遠程抄表系統設計與實現

0 引言
遠程抄表系統是集現代數字通信技術、計算機軟硬件技術、電能計量技術和電力營銷技術為主體的用電需求綜合性的實時信息采集與分析處理設備。終端以公共移動通信網絡為主要通訊載體，通過多種通訊方式實現與系統主站之間的數據通訊，具有遠程抄表、用電異常信息報警、電能質量檢測、負荷曲線管理和負荷控制管理等功能。
1 系統構建
各個監控現場一般距離主站系統較遠，若要掌握多個監控現場的情況，把各個監控現場的電壓、電流、功率、以及度數等數據信息傳送到主站系統，需要建立一個星型的測控通信網絡，解決數據遠程傳輸問題。由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，配電中心計算機主機配置固定的IP地址，各個電表數據采集點采用GPRS模塊和該主機進行通信。
1.1 遠程電量監控系統的總體結構
整個監控系統由一個主站系統和若干個現場站點組成，而現場站點一般包含有前端數據采集器和現場下位機，系統構架見圖1所示。主站系統(中央管理器)主要工作是監視和記錄各現場站點的工作狀態，從而達到遠程控制現場站點的目的。現場站點主要對電量的各種參數進行采集與傳送，中央管理器可對各現場站點的歷史記錄進行查詢，從而達到對電力運行過程進行科學管理、預防事故發生的目的。中央管理器和各現場站點之間GPRS相連，由中央管理器主動建立鏈接，現場站點接到呼叫后應答進行數據傳輸。這樣做的好處是可以避免多個現場站點同時呼叫，防止出現網絡阻塞。

GPRS數據傳輸方式及網絡結構：通過GPRS服務，設備可采用互聯網Internet的標準方式與在互聯網上的服務器交換數據。GPRS的基礎是以IP包的形式進行數據的傳輸，GPRS無線終端接入GPRS網絡的方法與普通有線MODEM類似，都采用建立PPP(Point—to—Point Protoco1)連接方式。PPP協議是一種被廣泛采用的串行點對點鏈路上傳輸數據包的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRSMODEM通過PPP協議獲得動態分配的IP地址。連接建立后，在PPP協議的基礎上通過數據傳輸協議，如TCP、UDP等實現與互聯網上其它計算機的數據通訊。
GPRS傳輸方式：在遠程終端，采集數據通過A/D接口送入GSM/GPRS無線通信控制終端，GSM/GPRS無線通信控制終端首先將數據打包成TCP/IP數據包，再轉換成GPRS數據包，通過無線鏈路傳送到無線數據交換中心(MDEC)。MDEC再剝離GPRS數據包并通過GGSN網關將TCP/IP數據包傳送到Internet，再由Internet傳送到通信控制計算機，通信控制計算機通過Socket套接字接受TCP/IP數據包，并把它還原成原始數據。當數據由監控中心到遠程終端方向時，情況是類似的。
1.2 監測站點的硬件組成設計
監測站點由前端數據采集器和現場下位機構成，其中前端數據采集器采用CS5460模塊和LPC932單片機構成，它負責采集監控現場的各項數據并存儲。線路的內部經過嚴格的電磁隔離，測量電路經過采樣、A/D轉換處理后形成的數字信號再經過光電耦合由信號適配器向從單片機LPC932傳送，主單片機與從單片機之間可采用I/O口模擬時序的方式進行串口通信。
現場下位機部分是整個系統的工作核心，既負責和前端數據采集器之間的通信，又負責和中央管理器的數據通信，即將轉換和處理后的信號送到中央管理器，還要負責和“時鐘+看門狗”電路及顯示電路的通信。因此，這部分電路至關重要。針對系統的要求和實際應用條件的情況，選用高性能的rabbit單片機作為系統的監控核心，Rabbit2000是專門為嵌入式控制，通信和以太網連接而設計的微處理器，具有非常低的電磁干擾。Rabbit2000是Rabbit半導體公司為嵌入式環境設計的高性能低價位的8位微處理器，以其C語言友好指令集和快速數字處理功能而受到矚目。Rabbit2000的結構以Zilog公司的原始Z80微處理器為基礎，但作了幾項改進：不像Z80指令集那樣使用16位尋址覆蓋存儲空間，而用1個20位或l兆字節的實際存儲空間：采取直接與靜態存儲器相連接的方式，有3條存儲芯片選擇線路和2組寫入/輸出啟動線路。Rabbit2000的系統工作頻率最高可達29.49MHz。Rabbit2000片上外設包括5個8位并行I/O端口、4個串行端口、1個子端口、5個8位定時器、1個l0位定時器、精確脈沖發生硬件和電池支持的RTC。其串口可采用同步或異步傳輸方式，采用29.4912MHz的系統頻率，異步傳輸速率最高可達91.6kbps。
現場下位機部分主要包括：主從芯片單片機、顯示電路、時鐘+看門狗電路、GPRS等部分。它與前端數據采集器一起構成了現場站點。現場站點的系統組成連接如圖2所示。

2 主站系統的總體設計
主站系統由個人計算機加上管理軟件構成。該部分由Pc機、Windows操作系統、應用軟件和數據庫組成。數據庫采用Access數據庫，將不同現場站點的狀態參數以及現場信息存儲在不同的表格內。簡單來說，這部分的軟件設計主要以下幾部分工作：
2.1 設置動態數據庫
在管理監控中心計算機中要設置動態數據庫，用以存放各現場采集的數據、上/下限告警值、參數整定值等。
2.2 設置各種通訊標志位
由于通訊任務分為定時通訊，隨機通訊和緊急通訊，通過合理地分配各種通訊位標志，依據通訊位標志進行程序的分支轉移，以實現不同的動作。
應用軟件需自行開發，主要實現以下功能：
(1)提供與操作者交互的人機界面，使用Windows操作界面，操作簡單、快捷。
(2)與現場站點建立通訊并交換數據。
(3)各站點數據的顯示、存儲及檢索查詢，存儲大量的歷史數據，可以根據用戶的需要生成統計報表、營業抄表或者曲線、圖表等形式。
(4)通過現場站點單片機實現遠程監測的功能，在中央管理器端具有多項設置功能，包括報警或預警參數的選擇，門限值的設定，用電設備維護人的呼叫電話、手機(或BB機)號碼都可以方便地設置。
(5)添加、刪除現場站點等系統維護功能。根據以上功能要求，對中央管理器端的軟件系統做出了如圖所示3的流程。

3 監控系統的工作過程
本系統的工作過程包括兩個部分，一部分為前端數據采集器對電量各個參數進行采集，并初步處理后送至存儲器；另一部分是中央管理器對數據的收集處理。中央管理器采用“輪詢”的方式依次撥通各現場下位機進行通訊，下位機將所存儲的、由數據采集器采集到的電參數經過通訊部分送至中央管理器進行數據的處理，從而獲得用戶的相關數據。即監控中心的中央管理器通過GPRS將指令發給下位機中的主芯片，采集器采集到的電量的各項參數，包括三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC，有功功率，無功功率和功率因數等，被送入到從芯片LPC932處理，從而將數據傳送到中央管理器。同時一旦出現參數異常的特殊情況，下位機可以自動撥通預先存儲的電話號碼，發出“報警”或提示信號。
4 系統方案
各電表使用GPRS透明數據傳輸終端，通過移動的GPRS網絡與配電中心相連。用電現場服務與管理系統由數據庫服務器、應用服務器、數據采集前置機、多業務接入平臺和用戶現場終端系統組成，多業務接入平臺實現多種通訊方式的數據通訊，其中包括VPN方式、PPPOE寬帶網、中國移動GPRS/GSM、10/l00M寬帶網絡及通過PSTN電話網各種方式；數據采集前置機包含數據采集、終端線路故障分析，異常報警、以及把各種異常信息、預警.信息自動提交給95598客服系統、終端用戶和系統相關人員；應用服務器集成各種應用支撐平臺，通過業務邏輯整合實現各種復雜應用；數據庫系統提供數據存儲，為應用服務器及相關的各種應用提供數據服務。
其中具有以下特性：
多層分布式的應用體系結構，增強了系統的延展性。多層分布的結構，為開發在INTERNET/INTRANET上的應用打好基礎。提高了軟件資源的可重用性。降低二次開發成本。
系統維護方便：客戶端軟件一次安裝好后，后續的維護工作只在一臺應用服務器上，降低軟件的維護成本。采用穩定可靠的正版WINDOWS SERVER、UNIX或LINUX平臺和ORACLE數據庫系統，保證海量數據下，系統的應用效率。
由于使用了多層分布式的應用體系結構，自動采集和計費主站系統就比其它使用Client/server的應用系統具有更好的可維護性和系統延展性。同時，為了使電力用戶其它應用系統訪問計費相關的數據，我們以企業對象的形態編寫企業邏輯，為電力市場系統的順利運行和企業數據上網打下良好的基礎，另外，系統在軟件上從服務器到客戶端都支持UNIX、LINUX操作系統和WINDOWS 2000server操作系統，在硬件上用戶可以按照自己的需求選擇機型，整個系統都支持跨平臺，用戶可以對系統靈活組態。
5 結束語
基于GPRS的遠程電量監控系統通過數據采集模塊對變壓器的電參數進行采集，下位機將檢測到的數據通過GPRS中國移動網送到上層監控中心的計算機系統進行存儲和處理，以提供主管部門的分析和統計之用。系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。總體來說該系統具有設備簡單、成本低和準確實用的特點，對于目前電力系統的應用價值較高。
三相交流電壓和電流經接線端子直接接入數據采集模塊，由三相交流電壓和電流可以測量出用電設備的相關的幾個電量：三相電壓Ua，Ub，Uc的有效值、三相電流Ia，Ib，Ic的有效值、三相有功功率Pa，Pb，Pc、有功功率P、無功功率E及功率因數。
在中央處理器通過“輪詢”的方式，通知每一個站點(或用電設備)，讀取各個站點的現場數據，這些數據和各參數的序列，主機按照一定規則進行校驗，有效的數據存儲在存儲器，利用計算機的強大的數據處理功能極大的方便了管理工作。這些測量形成相應的電量和某些狀態的數據報表、圖表、曲線，數據可以保存較長時間，除了查閱、顯示還可打印輸出，這些可以幫助操作、管理人員完成多重要工作，譬如變壓器(或用電設備)長期的運行狀況，負荷的分布圖，功率因數是否合理等，在出現事故的同時可以及時發出“報警”，在事故的過后我們也能夠找出發生故障的真正原因。