基于ARM9和GPRS的實(shí)時(shí)電力負(fù)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：由于單片機(jī)數(shù)據(jù)處理速率低，而AMR7缺乏存儲(chǔ)管理單元，基于這些設(shè)備的自動(dòng)抄表系統(tǒng)難以滿足電力系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷控制的精細(xì)化要求。在此設(shè)計(jì)了一種基于ARM9和GPRS的實(shí)時(shí)電力負(fù)控管理系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)利用ARM9微處理器采集速率高、處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的精確度；利用Linux2．6操作系統(tǒng)較高的實(shí)時(shí)性提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；利用寬帶GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了用電信息的無線采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。該系統(tǒng)已被電力部門試用，在實(shí)際應(yīng)用中抄表速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，基本達(dá)到了電力部門的使用需求，為電力部門提高管理水平和實(shí)現(xiàn)電管理現(xiàn)代化提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：ARM9；負(fù)荷管理；GPRS網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引言

在當(dāng)今電能源緊張的工業(yè)社會(huì)中，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取用戶的用電負(fù)荷信息，并據(jù)此做出及時(shí)的控制調(diào)度對(duì)于提高能耗利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的電量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場(chǎng)抄取數(shù)據(jù)的，在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在諸多不足之處，應(yīng)用基于單片機(jī)、ARM 7平臺(tái)的自動(dòng)抄表終端已成趨勢(shì)。但由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速率低、ARM7缺乏存儲(chǔ)管理單元，難以滿足電力系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷控制的精細(xì)化要求。

本文根據(jù)重慶電力部門的需求，在現(xiàn)有的電力負(fù)控管理系統(tǒng)的研究與發(fā)展基礎(chǔ)上，提出了一種基于ARM9和GPRS的電力負(fù)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)利用ARM9微處理器的高采集速率和較強(qiáng)的處理能力提高了系統(tǒng)的精確度；利用具有搶占內(nèi)核機(jī)制的Linux2．6操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度；利用寬帶GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了用電信息的無線傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。

1 負(fù)控管理系統(tǒng)的總體框架及其工作原理

負(fù)控管理系統(tǒng)實(shí)質(zhì)就是利用先進(jìn)的測(cè)控、通信以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，將電能表數(shù)據(jù)整合到一起的通信系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由安裝在用戶端的電能表、用戶小區(qū)的負(fù)控管理終端和電力部門的遠(yuǎn)程管理主站組成。其拓?fù)鋱D如圖1所示。

用戶電能表與負(fù)控管理終端通過RS 485總線通信，負(fù)控管理終端通過RS 485總線讀取用戶電能表數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的模塊封裝成IP包發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，然后顯示、分析、存儲(chǔ)這些電能表數(shù)據(jù)，然后根據(jù)分析結(jié)果向負(fù)控管理終端下發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令(硬件復(fù)位、設(shè)置各種通信參數(shù)、斷線檢測(cè)、超載報(bào)警等功能)。以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控負(fù)控管理終端，并通過負(fù)控管理終端監(jiān)控電能表。

2 負(fù)控管理終端的設(shè)計(jì)

2．1 硬件設(shè)計(jì)

負(fù)控管理終端的硬件主要由通信電路、存儲(chǔ)電路和人機(jī)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(chǔ)電路包括SDRAM和NAND FLASH存儲(chǔ)模塊；人機(jī)交互電路包括LCD顯示模塊、按鍵管理、電源和復(fù)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(fù)控管理終端的主要功能之一就是對(duì)電能表數(shù)據(jù)的采集和處理?？紤]到負(fù)控管理終端與所連接的多功能電表通信時(shí)，由于兩者相距比較遠(yuǎn)，周圍環(huán)境會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生比較大的干擾，系統(tǒng)又要求負(fù)控管理終端所掛接電能表數(shù)量盡量多，最后選用了RS 485的底層通信模式。

本負(fù)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(zhuǎn)換過來的，要把RS 232信號(hào)轉(zhuǎn)成RS 485信號(hào)，必須先通過RS 232收發(fā)器將信號(hào)發(fā)送出去，再通過RS 485收發(fā)器接收信號(hào)，MAX202ECPE是RS 232收發(fā)器，選用MAX485驅(qū)動(dòng)芯片用于RS485通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，可以直接掛接128個(gè)電能表，實(shí)現(xiàn)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(shí)，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(qiáng)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(wǎng)絡(luò)是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供廣域無線IP連接。用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有：“永遠(yuǎn)在線”、“按流量計(jì)費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”等優(yōu)點(diǎn)。

在負(fù)控管理終端的數(shù)據(jù)傳輸中，優(yōu)先采用了GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?。GPRS模塊是負(fù)控管理終端接入GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)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(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，它的波特率300～115 200 b／s；支持短消息業(yè)務(wù)；內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，通過AT命令來進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)通信；提供標(biāo)準(zhǔn)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(jī)卡分離，辦理一張SIM卡就可以實(shí)現(xiàn)通信。

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