基于ARM9和GPRS的實時電力負控管理系統(tǒng)的設計

摘要：由于單片機數據處理速率低，而AMR7缺乏存儲管理單元，基于這些設備的自動抄表系統(tǒng)難以滿足電力系統(tǒng)對負荷控制的精細化要求。在此設計了一種基于ARM9和GPRS的實時電力負控管理系統(tǒng)，本設計重點利用ARM9微處理器采集速率高、處理能力強的特點，提高了系統(tǒng)的精確度；利用Linux2．6操作系統(tǒng)較高的實時性提高了系統(tǒng)的響應速度；利用寬帶GPRS網絡實現了用電信息的無線采集和實時監(jiān)測等功能。該系統(tǒng)已被電力部門試用，在實際應用中抄表速度快、實時性強，基本達到了電力部門的使用需求，為電力部門提高管理水平和實現電管理現代化提供了技術保障。

關鍵詞：ARM9；負荷管理；GPRS網絡；實時監(jiān)控

0 引言

在當今電能源緊張的工業(yè)社會中，及時準確地獲取用戶的用電負荷信息，并據此做出及時的控制調度對于提高能耗利用率具有重要的現實意義。傳統(tǒng)的電量結算是依靠人工定期到現場抄取數據的，在實時性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處，應用基于單片機、ARM 7平臺的自動抄表終端已成趨勢。但由于單片機的數據處理速率低、ARM7缺乏存儲管理單元，難以滿足電力系統(tǒng)對負荷控制的精細化要求。

本文根據重慶電力部門的需求，在現有的電力負控管理系統(tǒng)的研究與發(fā)展基礎上，提出了一種基于ARM9和GPRS的電力負控管理系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)利用ARM9微處理器的高采集速率和較強的處理能力提高了系統(tǒng)的精確度；利用具有搶占內核機制的Linux2．6操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的實時響應速度；利用寬帶GPRS網絡實現了用電信息的無線傳輸和實時監(jiān)測等功能。

1 負控管理系統(tǒng)的總體框架及其工作原理

負控管理系統(tǒng)實質就是利用先進的測控、通信以及計算機技術，將電能表數據整合到一起的通信系統(tǒng)。本文設計的系統(tǒng)由安裝在用戶端的電能表、用戶小區(qū)的負控管理終端和電力部門的遠程管理主站組成。其拓撲圖如圖1所示。

用戶電能表與負控管理終端通過RS 485總線通信，負控管理終端通過RS 485總線讀取用戶電能表數據，將數據交給相應的模塊封裝成IP包發(fā)送給GPRS網絡，GPRS網絡和Internet網絡實現無縫連接，主站通過Internet接收到終端通過RS 485接口采集回來的電能表數據，然后顯示、分析、存儲這些電能表數據，然后根據分析結果向負控管理終端下發(fā)送遠程控制命令(硬件復位、設置各種通信參數、斷線檢測、超載報警等功能)。以此實現遠程監(jiān)控負控管理終端，并通過負控管理終端監(jiān)控電能表。

2 負控管理終端的設計

2．1 硬件設計

負控管理終端的硬件主要由通信電路、存儲電路和人機交互電路組成。通信電路包括RS 485接口電路、GPRS通信電路、遙信控制電路、紅外接口；存儲電路包括SDRAM和NAND FLASH存儲模塊；人機交互電路包括LCD顯示模塊、按鍵管理、電源和復位電路。其總體的硬件框架如圖2所示。

下面主要分析一下下層通信電路RS 485接口電路和上層通信電路GPRS接口電路。

2．1．1 RS 485接口電路

負控管理終端的主要功能之一就是對電能表數據的采集和處理?？紤]到負控管理終端與所連接的多功能電表通信時，由于兩者相距比較遠，周圍環(huán)境會對傳輸信號產生比較大的干擾，系統(tǒng)又要求負控管理終端所掛接電能表數量盡量多，最后選用了RS 485的底層通信模式。

本負控管理終端的2路RS 485接口是由S3C2440A的RS 232串口2和串口3轉換過來的，要把RS 232信號轉成RS 485信號，必須先通過RS 232收發(fā)器將信號發(fā)送出去，再通過RS 485收發(fā)器接收信號，MAX202ECPE是RS 232收發(fā)器，選用MAX485驅動芯片用于RS485通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器，可以直接掛接128個電能表，實現最高2．5 Mb／s的傳輸速率。RS 485接口的共模電壓大于+12 V或小于-7 V時，接收器就無法正常工作了，可考慮選用帶光電隔離的光電耦合器，將強電電路與弱電電路在物理上隔離，電路中的光耦PS4 21將高壓執(zhí)行電路與MCU控制電路隔離。

2．1．2 GPRS通信模塊

GPRS網絡是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供廣域無線IP連接。用GPRS進行數據傳輸具有：“永遠在線”、“按流量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”等優(yōu)點。

在負控管理終端的數據傳輸中，優(yōu)先采用了GPRS無線網絡傳輸的方式。GPRS模塊是負控管理終端接入GSM／GPRS網絡的關鍵設備，通過GPRS模塊來完成與Internet的交互。本終端的GPRS通信模塊采用的是中興的ME3000，該模塊具有體積小、通信可靠穩(wěn)定、價格適中的優(yōu)點，它的波特率300～115 200 b／s；支持短消息業(yè)務；內嵌TCP／IP協(xié)議和標準的AT命令，通過AT命令來進行語音和數據通信；提供標準的UART接口，只需用串口線就能與CPU連接；輸入電壓3．3～4．25 V；SIM接口支持機卡分離，辦理一張SIM卡就可以實現通信。

在GPRS通信電路中設計晶振為芯片提供工作頻率，它是構成芯片的最小系統(tǒng)必不可少的元器件，一般與它串聯2個電容，是固定接法，一個是輸入電容，一個是輸出電容，根據Datasheet確定電容的大小為30pF。