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

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。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、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。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

2．2．1 負(fù)控管理終端的軟件設(shè)計(jì)

在負(fù)控管理終端的整體流程是終端上電后，初始化串口，啟動(dòng)撥號(hào)，建立TCP連接成功后，主站向負(fù)控管理終端發(fā)送登陸幀，負(fù)控管理終端監(jiān)聽到登陸幀后(主站和負(fù)控管理終端建立通信前，主站要知道負(fù)控管理終端中GPRS模塊的SIM卡號(hào))，發(fā)出確認(rèn)幀，主站與負(fù)控管理終端就可以開始通信。負(fù)控管理終端接收到數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷是不是主站發(fā)送過來的控制命令，如果是，將該命令透明傳輸給電能表，電能表通過解析判斷其要是采集數(shù)據(jù)命令，就將相應(yīng)的電能數(shù)據(jù)返回給負(fù)控管理終端，負(fù)控管理終端收到數(shù)據(jù)后通過TCP發(fā)送給主站；如果不是控制命令，說明是電能表的返回?cái)?shù)據(jù)，同樣通過TCP協(xié)議發(fā)送給主站。在沒有任何命令時(shí)，負(fù)控管理終端進(jìn)入低功耗模式，間隔一定時(shí)間發(fā)送心跳包，以確定它與主站沒有斷開連接。每隔15 min，負(fù)控管理終端會(huì)定時(shí)采集電能數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在NANDFLASH中，等待主站隨時(shí)調(diào)用。此外，當(dāng)負(fù)控管理終端處于異常狀態(tài)，或者發(fā)生一些特殊事件時(shí)，比如事故報(bào)警信息，負(fù)控管理終端通過遙信控制主動(dòng)上報(bào)給主站，以做出適當(dāng)處理。

負(fù)控管理終端的應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)采集及處理程序和網(wǎng)絡(luò)通信程序。數(shù)據(jù)采集及處理程序完成電能表數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)通信程序完成將處理后的數(shù)據(jù)傳送到主站。另外，網(wǎng)絡(luò)通信程序還要發(fā)送主站的控制指令。

該部分的軟件編寫采用自上而下的設(shè)計(jì)思路，以模塊化設(shè)計(jì)為原則，采用C語言編程，通過建立數(shù)據(jù)采集與處理線程、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信線程、按鍵控制線程，使其相互協(xié)調(diào)地運(yùn)行。

結(jié)合上面給出的設(shè)計(jì)思路，下面重點(diǎn)介紹如何利用多進(jìn)程技術(shù)和管道技術(shù)來實(shí)現(xiàn)抄表和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信之前，先設(shè)定網(wǎng)絡(luò)端口最大允許接入的客戶端數(shù)、父進(jìn)程和子進(jìn)程設(shè)定的2個(gè)狀態(tài)變量。

進(jìn)入主函數(shù)，創(chuàng)建管道和子進(jìn)程，分別啟動(dòng)父進(jìn)程和子進(jìn)程，開始數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸，function_farther()函數(shù)和function_child()函數(shù)分別為父進(jìn)程和子進(jìn)程的主函數(shù)。

在main()函數(shù)中還有以下幾個(gè)主要的子函數(shù)：

gprs_com_task()：GPRS通信任務(wù)主要功能是接收來自主站的信息，直接從Nand FLASH中讀出數(shù)據(jù)上發(fā)給主站，主站接收完畢后掛機(jī)結(jié)束通信。

gather_meter_realtime()：實(shí)時(shí)采集任務(wù)主要完成和電能表的通信工作。根據(jù)自定義規(guī)約判斷主站想要什么數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)TCP打包后發(fā)回到通信任務(wù)，通信任務(wù)就會(huì)以相應(yīng)的形式(數(shù)據(jù))上傳給主站。

gather_meter_time()：定時(shí)采集任務(wù)指每天定時(shí)主動(dòng)讀取電能表，并將讀到的數(shù)據(jù)存放在NandFLASH中。這樣當(dāng)主站下發(fā)命令索要數(shù)據(jù)時(shí)，終端就不必再去讀表，可以直接將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上發(fā)給主站。

alarm_task()：報(bào)警任務(wù)每隔一定時(shí)間程序就去讀三相電壓，并將讀到的實(shí)時(shí)值與存放在Nancl FLASH中規(guī)定的電壓上限值作比較，當(dāng)實(shí)時(shí)電壓值超過上限值或者低于下限值時(shí)，負(fù)控管理終端軟件就對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)字置位。當(dāng)故障消除，電壓恢復(fù)正常時(shí)，終端軟件再向電網(wǎng)狀態(tài)字置位。

led_task()：指示燈任務(wù)用于判斷程序和通信模塊是否處于正常工作狀態(tài)。負(fù)控管理終端有2個(gè)運(yùn)行指示燈，一個(gè)用于指示程序的正常運(yùn)行，1 s閃爍1次；另一個(gè)用于指示通信模塊的工作狀態(tài)，GPRS模塊沒有注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該指示燈1 s閃爍1次，注冊(cè)上網(wǎng)絡(luò)后，3s閃爍1次。

2．2．2 主站管理軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主站管理軟件是用面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ遃B開發(fā)完成的。通過使用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型來構(gòu)建主站，將負(fù)控管理終端模型化為一系列邏輯沒備組成，每個(gè)邏輯設(shè)備是該物理設(shè)備的一個(gè)功能子集，各種功能則用對(duì)象模型來標(biāo)準(zhǔn)化。主站設(shè)置2個(gè)邏輯設(shè)備：管理邏輯設(shè)備與數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備。管理邏輯設(shè)備是主站中必需的，管理邏輯設(shè)備中存放一些與全局相關(guān)的及負(fù)控管理終端參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)對(duì)象；數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備用來存儲(chǔ)和管理負(fù)控管理終端下屬的電能表數(shù)據(jù)。

主站的交互界面采用模塊化沒計(jì)，主窗體包括應(yīng)用連接、數(shù)據(jù)曲線、執(zhí)行動(dòng)作、電表信息、數(shù)據(jù)類對(duì)象四大模塊，主站的功能框圖如圖3所示。


3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下面從負(fù)控管理終端的角度說明主站讀取周期凍結(jié)總加組曲線的數(shù)據(jù)的通信流程：建立連接→讀取周期凍結(jié)總加組曲線的數(shù)據(jù)→斷開連接通信流程如下所示。

(1)建立物理層和建立鏈路層連接；

(2)建立應(yīng)用層連接。應(yīng)用連接請(qǐng)求由主站發(fā)起，負(fù)控管理終端響應(yīng)，應(yīng)用連接的建立過程稱為“協(xié)商”過程，是為數(shù)據(jù)通信約定一些配置參數(shù)；

(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用連接建立后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了；

(4)數(shù)據(jù)通信結(jié)束，釋放數(shù)據(jù)鏈路，解除物理連接。

主站啟動(dòng)后首先要與負(fù)控管理終端進(jìn)行連接，管理人員必須輸入正確的用戶名和口令，驗(yàn)證無誤后，主站與終端連接成功才可進(jìn)入主窗體，該曲線捕獲對(duì)象清單有總加組-時(shí)間、時(shí)間-總加組、總加有功功率、總加無功功率、總加有功電能量-總和總加無功電能量-總。圖4是通過主站讀取負(fù)控管理終端中的周期凍結(jié)總加組數(shù)據(jù)曲線；

4 結(jié)語

隨著無線電通信技術(shù)的發(fā)展，基于ARM9和GPRS的電力系統(tǒng)的自動(dòng)抄表技術(shù)已趨于成熟，本文設(shè)計(jì)的負(fù)控管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、抄收速度快等優(yōu)點(diǎn)，雖然投資這種負(fù)控管理系統(tǒng)會(huì)增加成本，但應(yīng)用后能實(shí)現(xiàn)開源節(jié)流并且一次投資長期收益，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)電表、水表、煤氣表、熱能表四表合一的無線自動(dòng)化抄表系統(tǒng)。這種應(yīng)用將為用戶表計(jì)管理系統(tǒng)技術(shù)帶來更大改革，也更有利于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和宏觀調(diào)控。因此具有廣闊的應(yīng)用前景，會(huì)帶來較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，從而使用戶和企業(yè)實(shí)現(xiàn)雙贏局面。