基于GSM模塊的無線抄表終端設(shè)計

1、第31卷第4期2010年8月華 北 水 利 水 電 學 院 學 報Journa l o f N orth Ch i na Institute ofW ate r Conse rvancy and H ydro electr i c Pow er V o l 31N o 4A ug.2010 收稿日期:2010-05-30作者簡介:張鴻博(1980 ,男,河南舞鋼人,講師,碩士,主要從事電力系統(tǒng)監(jiān)控方面的研究.文章編號:1002-5634(201004-0080-03基于GS M 模塊的無線抄表終端設(shè)計張鴻博1,張 洋1,趙慧光2,杜曉勇3(1.華北水利水電學院,河南鄭州450011;2.河南省

2、新鄉(xiāng)供電公司,河南新鄉(xiāng)453002;3.河南省電力公司,河南鄭州450002摘 要:為克服現(xiàn)有抄表方法的缺陷,以G S M 通信模塊為核心開發(fā)了遠程無線抄表終端系統(tǒng),介紹了其軟硬件構(gòu)成和設(shè)計方法.抄表終端通過RS485總線讀取電能表數(shù)據(jù),并遵循我國電力行業(yè)通訊規(guī)約標準,然后通過G S M 網(wǎng)絡(luò)與抄表中心進行數(shù)據(jù)、命令傳輸,最后實現(xiàn)無線遠程抄表.該方案成本低、實時性好.關(guān)鍵詞:G S M;無線抄表;終端設(shè)計中圖分類號:TM 930.9 文獻標志碼:A目前國內(nèi)用于抄表的方法有很多種,如人工抄表、RS485、紅外和電力線載波等,這些方法都有一定的不足之處需要改進.GS M 網(wǎng)絡(luò)在我國已經(jīng)建成運行多年

3、,技術(shù)成熟,通訊穩(wěn)定,覆蓋率高,尤其是其SM S 短信息服務(wù),成本低,時效性強.利用GS M 終端設(shè)備之間S M S 數(shù)據(jù)傳輸,將S M S 服務(wù)功能加入到抄表系統(tǒng)中,即可實現(xiàn)遠程無線抄表.該方案相比其他方案有覆蓋范圍大、成本低、時效性強等優(yōu)點.1 遠程抄表系統(tǒng)組成系統(tǒng)包括GS M 無線遠程集中抄表終端和抄表中心服務(wù)器兩部分,如圖1所示.無線遠程抄表中心由工業(yè)級GS M 數(shù)傳模塊、GS M 抄表管理軟件和中心數(shù)據(jù)服務(wù)器組成.抄表中心按地址編碼對無線遠程集中抄表終端進行訪問,集中抄表終端接收抄表中心的指令后,按指令要求根據(jù)電能表地址依次讀取多個電能表數(shù)據(jù)并以短信息的形式發(fā)送給抄表中心.限于篇幅,

4、文中只對抄表終端的設(shè)計進行介紹.2 系統(tǒng)的通訊規(guī)約本系統(tǒng)針對文獻1通信規(guī)約中的三相電子式多功能電能表開發(fā)的.電能表提供RS485通信接口,集中抄表終端模塊和電能表之間的通訊規(guī)約參考文獻1,但這個規(guī)約不適合于抄表中心和終端模塊的通訊.因為二者之間是通過S M S 通訊,而S M S 通訊速度慢,不能滿足文獻1通訊規(guī)約的時序要求,需要制定新的規(guī)約.考慮到文獻1通訊規(guī)約的簡單方便性,新的規(guī)約信息幀格式參考該文獻,把超時時間適當延長即可,這樣簡化了規(guī)約的設(shè)計.需要注意的是,地址域?qū)氖浅斫K端的地址而不是電能表的地址,抄表終端將把其所能抄到的所有電能表數(shù)據(jù)返回.圖1 抄表系統(tǒng)基本構(gòu)成原理圖3 抄表終

5、端設(shè)計3.1 硬件設(shè)計終端的硬件可以概括為以下幾個部分:處理器部分、通信部分、人機接口部分以及電源部分等.如圖2所示 .圖2 抄表終端硬件結(jié)構(gòu)框圖TC35I 是SI E MENS 公司推出的GS M 專用調(diào)制解調(diào)器2,它可在GS M 網(wǎng)中完成語音、數(shù)據(jù)、短消息以及傳真的傳送.TC35I 具有標準的工業(yè)接口和完整的SI M 卡閱讀器,使用簡單.將該模塊和一片微處理控制單元(MCU 組成具有S M S 接收和發(fā)送功能的GS M 集中抄表終端,即可實現(xiàn)無線抄表.處理器模塊所采用的CPU 是決定整個終端模塊正常穩(wěn)定運行的關(guān)鍵.對于此抄表終端,要求有2個串口,1個和TC35I 模塊通訊,另一個構(gòu)成RS4

6、85總線實現(xiàn)抄表.此外還要有足夠的RAM 和EEP ROM 等.選用宏晶公司推出的8位處理器STC12C5A08P WM3,它提供了豐富的內(nèi)置部件,包括8kB Flash,1280byte RAM,EEPRO M,I/O 端口,尤其是2通道UART,滿足終端設(shè)計的需要.由于M C U 集成度高,外設(shè)豐富,內(nèi)部RAM 多達1280by te ,簡化了電路的設(shè)計,節(jié)約了成本.通信部分包括2個接口,一個RS485接口負責按照文獻1規(guī)約與現(xiàn)場表計通信進行原始數(shù)據(jù)的采集,另外一個RS232接口與TC35I 相連,負責與遠方抄表中心通信.3.2 軟件設(shè)計抄表終端需要的任務(wù)比較多,為了簡化程序設(shè)計過程,引入

7、Sm allRTOS 51操作系統(tǒng)4.該操作系統(tǒng)是為51系列單片機編寫的,是完全免費的、源代碼公開的多任務(wù)實時操作系統(tǒng),可在無任何外部數(shù)據(jù)存儲器的單片80C51系統(tǒng)上運行.Sm a llRTOS 可以簡化復雜而且時間要求嚴格的軟件設(shè)計工作,得到較好的系統(tǒng)實時性.讀取TC35I 短信息采用新短信提醒的方式,這樣比查詢法實時性好,也節(jié)省系統(tǒng)開銷.這需要用到AT+C NM I 指令,常用的格式如下:AT+C NM I=2,1它表示TC35I 收到短信息后要通過串口向MC U 發(fā)送信息,比如:+C MTI ME !,8該任務(wù)利用OSQPend 函數(shù)從QC o mm andData 命令數(shù)據(jù)隊列中讀取命

8、令,根據(jù)命令按文獻1規(guī)約讀取電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)插入TC35串口發(fā)送隊列中啟動發(fā)送.該任務(wù)需要實現(xiàn)文獻1規(guī)約的解析,分析文獻1規(guī)約幀結(jié)構(gòu),將其分為2個部分,幀信息頭由68H,A0,A1,A2,A3,A4,A5,68H,C ,L 共10個字節(jié),是固定的,數(shù)據(jù)域的內(nèi)容為可變的.每個幀接收起始于收到68H,接著進入固定信息頭的接收階段,然后進入可變數(shù)據(jù)以及幀校驗碼CS 和幀結(jié)束符16H 的接收階段.將幀信息的接收分為4個階段,則各個階段間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示.階段0為初始階段,表示接收剛開始,尚未接收到喚醒字符.當接收到第一個喚醒字符0XFE 后轉(zhuǎn)換為階段1.由于喚醒字符可能為14個,因此階段1

9、仍然可能再次接收到0XFE ,但這不應改變階段1的狀態(tài),只有接收到起始字符0X68后才從階段181第31卷第4期張鴻博,等: 基于GS M 模塊的無線抄表終端設(shè)計轉(zhuǎn)換為階段2,之后開始接收幀信息中固定的前10個字符.當接收完這10個字符后進入階段3,此時已經(jīng)可以算出幀信息的總長度為10+Rev Buf9+2,即10+L+2.以后開始接收數(shù)據(jù)域和CS 及結(jié)束字符,當接收到的總數(shù)據(jù)個數(shù)R evCount =10+RevBuf9+2時(2為校驗和結(jié)束字符,表示1幀信息接收結(jié)束,重新返回階段0 .圖3 文獻1規(guī)約解析狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖文獻1規(guī)約規(guī)定了響應延時20m s Td 目前常用的短信息是基于AT 命令的

10、PDU 模式和Text 模式5,其中Text 模式是純文本方式,可用于發(fā)送英文和數(shù)字信息,PDU 模式則可以發(fā)送任何字符集,但PDU 模式的編碼和解碼比較復雜.由于本抄表終端和抄表中心的通訊規(guī)約是修改的文獻1規(guī)約,短信息的內(nèi)容只是一些數(shù)字字符,故本設(shè)計采用Tex t 短信息模式.基于Text 模式的短信息的發(fā)送和接收方法比較簡單,可以參考其他文獻,在此不再詳述.4 結(jié) 語采用GS M 模塊的無線遠程抄表終端,遵循文獻1規(guī)約,通過引入Sm a llRTOS51嵌入式操作系統(tǒng),簡化了復雜而且時間要求嚴格的軟件設(shè)計工作,得到較好的系統(tǒng)實時性.參 考 文 獻1中國電力出版社編輯部.DL /T 645-

11、2007三相電子式多功能電度表通信規(guī)約S .北京:中國電力出版社,2008.2秦實宏,盧亞玲,胡勝,等.基于G S M 無線遠程集中抄表電量管理系統(tǒng)J.華中科技大學學報:自然科學版,2007,35(12:53-55.3宏晶科技.STC12C5A08P WM D a tasheetEB /O L .2010-01-08htt p :/www.m cu -m e m ory .com /datasheet/stc /STC -AD -PDF /STC12C5A 60S2.pd,f 2009.4陳明計,周立功.嵌入式實時操作系統(tǒng)S m a ll RTOS51原理及應用M .北京:北京航空航天大學出版

12、社,2004.5孫志行,宋玉炎.多功能無線自動抄表系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計J.電測與儀表,2001,38(7:7,15-18.D esign ofW irelessE lectrical m eter reading Ter m ina lBased on GS M M oduleZ HANG H ong bo 1,Z HANG Yang 1,Z HAO H ui guang 2,DU X iao yong3(1.N orth Ch i na Instit ute o fW ater Conservancy and H ydroe l ec tric P o w er ,Zhengzhou 45001

13、1,Chi na ;2.X i nx iang Power G r i d Co rpo ra tion ,X i nx iang 453002,China ;3.E lectr i c Powe r Corporati on of H enan ,Zhengzhou 450002,Ch i naAbstrac t :The re m ote and w ireless electr i ca l m ete r readi ng te r m ina l based on G S M m odule is i ntroduced ,the structure and des i gn m ethods o f the ter m i na l #s hardwa re and so ft w are a re deta iled l y d i scri bed too ,the ter m i nal reads the electrica lm e ter by R S485bus in accordance w it h DL /T 645co mmun ica ti on pro toco ,l then trans m its t he co mm ands and data to t