基于GPRS与ARM的智能抄表系统

1  引言         
　　目前,很多国家己广泛使用远程自动抄表系统来代替传统的人工抄表。计算机技术、集成电路和通信技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化的过程中迈出了坚实的一步。现在gsm网络已覆盖我国大部分地区，而gprs是基于gsm移动通信系统的一种移动分组数据业务。利用gprs网络功能可以传送电力系统的电表数据。本文以arm处理器平台和华为gtm900-b无线通信模块为核心，利用无线数据传输，可以将采集的数据通过internet传至监控服务器，该方法具有传输快、传输量大，距离不受限制等特点，非常适合电力系统采集点多、范围广、距离远的特点。不仅摒弃了人工抄表费时费力的缺点，也更有利于用电高峰时段的用电量统计。基于gprs与arm的智能抄表系统包含三个主要的组成部分：数据采集系统，基于gprs的通信传输网络和基于arm的终端处理系统。

            
2  gprs系统
               
　　无线数据传输监控系统发展至今，使用的通信技术经历了四个阶段：无线电台传输、集群通信网、sms短消息和gprs。技术比较如表1所示。

表1 无线数据传输四个阶段

　　gprs（general packet radio service）是通用分组无线业务的简称。在原有的基于电路交换（csd）方式的gsm网络上引入两个新的网络节点：gprs服务支持节点（sgsn）和网关节点（ggsn）。在gsm系统的基础上构建gprs系统时，只需做软件升级。这样的gprs系统可以看作是对原有的gsm电路交换系统进行的业务扩充，以满足用户利用移动终端接入internet或是其他分组数据网络的需求。gprs网络的技术优势：
              
　　（1）资源利用率高。gprs引入了分组无线的传输模式，用户只在发送和接受数据期间才占用资源，这意味着多个用户可以高效地共享同一无线通道。
              
　　（2）传输效率高。gprs可提供高达115kb/s的传输速率。
              
　　（3）接入时间短。分组交换接入时间缩短为少于1s,能提供快速即时的链接。
              
　　（4）支持ip协议和x.25协议。gprs支持internet上应用最广泛的ip协议和x.25协议。

3  gprs远程无线抄表设计
               
　　远程抄表模块的硬件设计，包括总体的硬件设计和各单元模块的设计与实现，系统逻辑框图如图1所示。根据功能，硬件模块涉及cpu、数据采集、电源管理、存储、rs485接口等几大模块。先由电能采集芯片完成数据的采集，之后由rs485传输到arm上，经过处理，经由rs232传输至gprs数据传输模块，再经由gprs网络传至控制中心。

图1 系统逻辑框图

　　3.1系统硬件电路
               
　　在硬件上主要是数据采集终端的硬件实现，包括gprs数据传输模块以及处理器、无线传输的功能设计、采集电路、串口电路接口扩展、电源模块设计等，硬件电路如图2所示。

图2 系统硬件电路图

　　3.1.1数据采集模块
               
　　智能电表使用电能测量芯片ade7757。将电压传感器和电流传感器输出的信号输入ade7757芯片内的两个adc电路后，用ade7757内置的乘法器将电压和电流相乘，得到有功功率，ade7757通过数字-频率转换器将有功功率转换成频率输出。
               
　　ade7758内部有三种寄存器，分别是测量值寄存器、控制寄存器和状态寄存器。电压和电流寄存器长度是24位，能量寄存器为16位，但是内部没有单独的功率存储器，求功率是无法通过电压、电流等参数得到。功率就是单位时间内的能量值，一旦获知定量时间内的能量值，就能够得出功率。求功率的方法可以采用linecyc(line cycle energy accumulation mode，线性循环能量累计模式)。视在、有功和无功这三种能量寄存器里存放的是每个周期t内的能量值e，其每个周期t刷新一次，得出p=e/t。arm处理的结果通过rs485接口方式送到gtm900-b模块，再由gtm900-b通过tcp/ip协议将数据传送到相应ip地址的pc机监控端。
            
　　3.1.2电源模块
               
　　经过简化的系统电源电路，设计输入电压为5v直流稳压电源。在本系统中，需要使用5v、3.3v的直流稳压电源给cpu、sdram、flash、lcd、gprs模块等供电。根据系统的实际功耗，选择ldo（low-dropout linear regulator）cmlll7-3.3为系统提供直流稳压电源，系统电源电路如图3所示。

图3 电源模块图

　　3.1.3嵌入式arm模块
               
　　本系统使用的是arm7tdmi s3c44box嵌入式处理器。该处理器为32位risc结构，最高工作主频66mhz，外部寻址范围可以达到1g，片上资源丰富。本系统设计中使用了2个异步串行通信口，片内实时时钟用于定时数据采集、处理和传输，片内自带看门狗，防止系统死机以及准确的系统复位，外扩2mb
norflash和8 mb nandflash存储系统程序和抄表数据，16mb sdram作为系统内存。这样的配置完全满足系统的硬件和程序编译的需要。

　3.1.4gprs模块
               
　　华为gtm900-b是一款两频段gsm/gprs无线模块，它支持900mhz/1800mhz双频自动选择。支持标准的 at命令及增强 at命令交互数据模式，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。gtm900-b增加了数据传送的at命令，适用于小数据量传送的场合。内置tcp/ip协议栈，用户无需后台计算机支持，无需实现ppp协议也可实现数据传输功能。
               
　　因为gprs模块是基于ip协议的，数据在服务器与gprs模块中传输是使用基于ip协议的分组，这说明所有的数据都要基于ip。数据传输的at命令例子如下：

            at%etcpip=[]，[]，[] // 初始化命令
            at%ipopen=，，，[[，[local_port>]] // 打开一条 tcp或者udp链接命令
            at%ipsend= // 单链接模式下发送数据命令
            at%ipdr=[] // 数据读取命令
            
　　3.2系统软件设计
               
　　在监控软件设计上包括嵌入式操作系统的移植，硬件驱动程序设计，数据传输协议的制定，数据采集模块软件实现，利用socket进行tcp/ip协议编程，以及上位机的服务器应用程序和下位机的客户端应用程序的实现。终端软件设计的整体思想是将实时嵌入式操作系统μc/os-ii移植到抄表系统的mcu上，之后在此操作系统上编写的程序。软件采用了模块化设计，结构清晰简洁，便于以后修改、调试和扩充。当μc/os-ii移植成功后，只需完成相关设计的编程即可，其实时性和可靠性由实时嵌入式操作系统保障。
               
　　监控服务器是由具有固定ip地址的服务器、监控数据软件和数据库组成。收集到的电能表数据都将传输到服务器固定的ip地址端。监控软件通过软件端将这些由数据终端上传的数据进行处理和存储。在本系统对应的监控软件中，其功能除了可以存储每个gprs终端传输的数据和将数据显示在界面上之外，还可以增加偷电警示、电表故障提示以及电费金额不足提示等实用功能。

图4 终端软件结构图

4  结束语
               
　　电力抄表系统现已经广泛分布在全国各地，规模大，分布广，需要投入的人力物力很多，所以如何更好的实现快速准确的抄表有着重要的意义。一般的抄表方式会有各种不同的缺点，有线抄表受到距离、布线的影响，会受到抄表现场环境的影响，工作人员不能及时得到数据。现在，本文提出的利用gprs抄表的方式可以很好的解决这些问题，经现场测试，精确性和可靠性完全符合设计要求。依托电信运营商广泛的gprs网络，搭建抄表平台，实现了无线抄表，省去了很多人力物力，少去了人为干预及现场环境的影响，在保障数据通信畅通的前提下提高了电力系统的工作效率和社会经济效益。