0 引言

在當今電能源緊張的工業社會中，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的研究與發展基礎上，提出了一種基于ARM9和GPRS的電力負控管理系統的設計方案。該系統利用ARM9微處理器的高采集速率和較強的處理能力提高了系統的精確度；利用具有搶占內核機制的Linux2．6操作系統提高了系統的實時響應速度；利用寬帶GPRS網絡實現了用電信息的無線傳輸和實時監測等功能。

1 負控管理系統的總體框架及其工作原理

負控管理系統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。本文設計的系統由安裝在用戶端的電能表、用戶小區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)。以此實現遠程監控負控管理終端，并通過負控管理終端監控電能表。

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。考慮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，周圍環境會對傳輸信號產生比較大的干擾，系統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收發器將信號發送出去，再通過RS 485收發器接收信號，MAX202ECPE是RS 232收發器，選用MAX485驅動芯片用于RS485通信的低功耗收發器，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”等優點。

在負控管理終端的數據傳輸中，優先采用了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、通信可靠穩定、價格適中的優點，它的波特率300～115 200 b／s；支持短消息業務；內嵌TCP／IP協議和標準的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。

2．2 軟件設計

2．2．1 負控管理終端的軟件設計

在負控管理終端的整體流程是終端上電后，初始化串口，啟動撥號，建立TCP連接成功后，主站向負控管理終端發送登陸幀，負控管理終端監聽到登陸幀后(主站和負控管理終端建立通信前，主站要知道負控管理終端中GPRS模塊的SIM卡號)，發出確認幀，主站與負控管理終端就可以開始通信。負控管理終端接收到數據時，先判斷是不是主站發送過來的控制命令，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據命令，就將相應的電能數據返回給負控管理終端，負控管理終端收到數據后通過TCP發送給主站；如果不是控制命令，說明是電能表的返回數據，同樣通過TCP協議發送給主站。在沒有任何命令時，負控管理終端進入低功耗模式，間隔一定時間發送心跳包，以確定它與主站沒有斷開連接。每隔15 min，負控管理終端會定時采集電能數據，并將其存儲在NANDFLASH中，等待主站隨時調用。此外，當負控管理終端處于異常狀態，或者發生一些特殊事件時，比如事故報警信息，負控管理終端通過遙信控制主動上報給主站，以做出適當處理。

負控管理終端的應用軟件主要包括數據采集及處理程序和網絡通信程序。數據采集及處理程序完成電能表數據采集，并進行處理。網絡通信程序完成將處理后的數據傳送到主站。另外，網絡通信程序還要發送主站的控制指令。

該部分的軟件編寫采用自上而下的設計思路，以模塊化設計為原則，采用C語言編程，通過建立數據采集與處理線程、GPRS網絡通信線程、按鍵控制線程，使其相互協調地運行。

結合上面給出的設計思路，下面重點介紹如何利用多進程技術和管道技術來實現抄表和發送數據的功能。

在進行網絡通信之前，先設定網絡端口最大允許接入的客戶端數、父進程和子進程設定的2個狀態變量。

進入主函數，創建管道和子進程，分別啟動父進程和子進程，開始數據采集和網絡傳輸，function_farther()函數和function_child()函數分別為父進程和子進程的主函數。

在main()函數中還有以下幾個主要的子函數：

gprs_com_task()：GPRS通信任務主要功能是接收來自主站的信息，直接從Nand FLASH中讀出數據上發給主站，主站接收完畢后掛機結束通信。

gather_meter_realtime()：實時采集任務主要完成和電能表的通信工作。根據自定義規約判斷主站想要什么數據，然后將該數據TCP打包后發回到通信任務，通信任務就會以相應的形式(數據)上傳給主站。

gather_meter_time()：定時采集任務指每天定時主動讀取電能表，并將讀到的數據存放在NandFLASH中。這樣當主站下發命令索要數據時，終端就不必再去讀表，可以直接將存儲的數據上發給主站。

alarm_task()：報警任務每隔一定時間程序就去讀三相電壓，并將讀到的實時值與存放在Nancl FLASH中規定的電壓上限值作比較，當實時電壓值超過上限值或者低于下限值時，負控管理終端軟件就對電網狀態字置位。當故障消除，電壓恢復正常時，終端軟件再向電網狀態字置位。

led_task()：指示燈任務用于判斷程序和通信模塊是否處于正常工作狀態。負控管理終端有2個運行指示燈，一個用于指示程序的正常運行，1 s閃爍1次；另一個用于指示通信模塊的工作狀態，GPRS模塊沒有注冊到網絡時，該指示燈1 s閃爍1次，注冊上網絡后，3s閃爍1次。

2．2．2 主站管理軟件的設計

本系統的主站管理軟件是用面向對象的編程工具VB開發完成的。通過使用面向對象的數據模型來構建主站，將負控管理終端模型化為一系列邏輯沒備組成，每個邏輯設備是該物理設備的一個功能子集，各種功能則用對象模型來標準化。主站設置2個邏輯設備：管理邏輯設備與數據邏輯設備。管理邏輯設備是主站中必需的，管理邏輯設備中存放一些與全局相關的及負控管理終端參數設置數據對象；數據邏輯設備用來存儲和管理負控管理終端下屬的電能表數據。

主站的交互界面采用模塊化沒計，主窗體包括應用連接、數據曲線、執行動作、電表信息、數據類對象四大模塊，主站的功能框圖如圖3所示。

3 實驗結果

下面從負控管理終端的角度說明主站讀取周期凍結總加組曲線的數據的通信流程：建立連接→讀取周期凍結總加組曲線的數據→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)建立應用層連接。應用連接請求由主站發起，負控管理終端響應，應用連接的建立過程稱為“協商”過程，是為數據通信約定一些配置參數；

(3)進行數據通信。應用連接建立后，就可以進行數據通信了；

(4)數據通信結束，釋放數據鏈路，解除物理連接。

主站啟動后首先要與負控管理終端進行連接，管理人員必須輸入正確的用戶名和口令，驗證無誤后，主站與終端連接成功才可進入主窗體，該曲線捕獲對象清單有總加組-時間、時間-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是通過主站讀取負控管理終端中的周期凍結總加組數據曲線；

4 結語

隨著無線電通信技術的發展，基于ARM9和GPRS的電力系統的自動抄表技術已趨于成熟，本文設計的負控管理系統具有實時性強、抄收速度快等優點，雖然投資這種負控管理系統會增加成本，但應用后能實現開源節流并且一次投資長期收益，隨著電子技術的發展，可以實現電表、水表、煤氣表、熱能表四表合一的無線自動化抄表系統。這種應用將為用戶表計管理系統技術帶來更大改革，也更有利于實現統一管理和宏觀調控。因此具有廣闊的應用前景，會帶來較好的經濟和社會效益，從而使用戶和企業實現雙贏局面。

 

 

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