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发布时间 : 2014-12-22作者：陈法国 来源：单片机及嵌入式系统应用
引 言
电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节。传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处；将现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，能够及时、准确、全面地反映电量的使用(即销售)情况。本方案首先采用短距离无线通信方式将用户电表的电量信息集中起来，然后通过GPRS无线局域网，以一种短消息的方式将此信息送给总控中心，以实现远程自动无线抄表功能。
1 系统总体设计
基于GPRS的智能小区无线抄表系统主要由3部分组成：无线电表、现场主控节点以及远程GPRS无线控制终端。
图1是某小区的无线抄表系统组成框图。其中无线电表是将传统的电表所采集到的电量做相应的处理，并配置无线收发模块以短距离无线的方式将此电量信息发进出去。现场主控节点除了配置无线数传模块外，还需要配置GPRS无线收发模块，首先将每个楼层以无线方式所采集到的电量数据集中起来，然后通过GPRS模块将此信息发送出去。远程GPRS无线控制终端主要完成对GPRS无线数据的收发，以对现场所采集到的电量数据作相应的处理。
2 现场主控节点设计
无线抄表系统中最主要的是现场主控节点的设计。该部分主要包括无线数据收／发以及GPRS数据收／发两部分。其中无线数据收发系统中所采用的模块与无线电表中所使用的模块相同。现场主控节点设置在小区各楼层的中心位置，负责定时将单个单元采集点测量的应变数据进行初步的集中。主控节点通过无线数传模块完成对现场采集点的信令控制和数据提取，并通过GPRS模块对远端主控中心的数据请求作出响应。现场主控节点组成框图如图2所示。
主站以Armel公司的AT89C2051作为主控制器，包括无线数传模块、存储模块、电平转换模块和时钟模块。微控制器选用ATB9C2051。该控制器内部有1个全双工异步串行通信模块UART，可以发送／接收8位数据，带有帧错误检测功能。数据存储器选择容量为64 KB的EEPROM存储器AT24C256，通过微控制器的I／O口(P1．2引脚)外接存储器的SDA脚，实现数据读／写；P1．3引脚外接SCL脚，提供读／写时序信号。微控制器通过串行接口TX(P3．0引脚)和RX(P3．1引脚)外接无线数传模块的发送和接收单元，通过MAX232电平转换芯片接GPRS模块的RS232口。单片机的串行口同时连接两个设备的串行口，容易出现硬件冲突。采用分时复用方式可保证同一时刻只连接一个设备的串口。
时钟模块采用基于I2C总线结构的时钟芯片DS1307。DSl307串行实时时钟芯片是一种低功耗，全部采用BCD码的时钟／日历芯片，内带56字节的NVSRAM。地址和数据是通过I2C总线进行串行传输的。它能提供秒、分、时、日、星期、月和年信息。它具有可编程方波输出信号；时钟可以以24小时模式工作或者用AM／PM来指示以12小时模式工作。DS1307有一个内置电源敏感电路，能检测到主电源掉电并自动切换至电池供电；可选工业温度为一40～+85℃。微控制器模拟I2C总线的读／写控制时序完成对实时时钟信息的读／写操作。
2.1 基于DTD462A的数据收／发模块设计
DTD462A属于微功率智能型无线数传模块，其内部集成了8位CMOS低功耗高速MCU AT90S2313。DTD462A最大发射功率为10mW，工作在433MHz的ISM频段；采用基于FSK的调制方式和高效前向纠错信道编码技术，具有较高的数据抗突发干扰和随机干扰的能力，可靠传输距离可达300m；提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议；具有休眠功能以及可靠性高、体积小、重量轻的特点。系统采用DTD462A-96，通信接口速率为9600bps，通信信道是半双工的，最适合点对多点的通信方式。
DTD462无线数传模块提供标准RS232、RS485和UART／TTL电平3种接口方式，可直接与计算机、RS485设备、单片机或其他UART器件连接使用。DTD462提供1个9针的连接器(JPl)，其定义及与终端的连接方法如表1所列。
图3给出了DTD462A与AT89C2051的接口设计方法。
DTD462A数传模块的第8脚SLP(SLEEEP)是休眠控制信号。为进一步降低系统功耗，软件控制现场数据采集节点的DTD462A模块平时工作在间歇休眠状态。SLP(SLEEP)信号持续1ms低电平(4800 bps以上200μs即可)，DTD462A进入休眠。如果休眠信号到来时，DTD462A正在接收空中数据或正在将接收的串口数据发射到空中，则当接收完该组数据后，DTD462A才进入体眠状态。第9脚RST(RESET)是微功率数传模块的MCU外部复位信号。该信号用来复位MCU，也可唤醒已经体眠的MCU。该信号持续lOμs低电平，DTD462A复位或被唤醒。在RESET信号的上升沿后20ms，DTD462A即可开始工作。
平时，现场主控节点的DTD462A模块处于休眠状态。当需要对采集节点进行数据请求时，唤醒DTD462A；当所有的采集节点的数据传送完后，DTD462A重新进入休眠状态。现场主控节点对DTD462A状态的控制是通过AT89C2051 P1口的P1．6和P1．7脚实现的。
2.2 GPRS终端设计原理
GPRS终端采用Q2403A核心模块研制而成。Q2403A是法国Wavecom公司推出的新一代无线通信GSM／GPRS模块，基于EGSM／GPRS 900／l800 MHz双频，带有16 MB的闪存和2MB的SRAM，支持class2，通过AT指令控制；体积为58．3mm×32．2 mm×3．9 mm；执行ETSI GSM Phase 2+标准；下载速率为26．8kbps，上传速率为13．4 kbps；功耗为2W(900MHz)和1W(1800MHz)；SIM 3V／5V和SIM检测；支持GPRSWAP。
在硬件构成上，远端控制中心采用PC+GPRS模块的架构，各现场主控中心则采用MCU+GPRS模块的硬件架构。GPRS模块仅提供标准的RS232通信接口，与PC机连接十分方便，因而远端控制中心的构造很容易实现；在桥梁现场，GPRS模块与MCU间是通过串行口进行通信的，通信速率最高可达115 200 bps；系统采用GPRS模块，默认的波特率为9600 bps。模块与控制器间的通信协议是AT命令集，其中大部分命令是符合协议“ATcommand set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM07．07 version 6．4．O Release1997)”的，但也有一些是Wavecom公司定义的AT命令。MCU提供TTL电平标准的串行口UART，而GPRS模块的串行通信口是属于RS232电平标准的。二者不能直接相连，需要设置TTL-RS232电平转换模块。利用MAK3232C实现电平转换功能，其转换原理如图4所示。除了串口发送(TX)、串口接收(RX)之外，MCU与GPRS模块之间还有一些硬件握手信号，如DTR、CTS、DCD等。为了简化微控制器的控制，硬件设计时没有使用全部的硬件握于信号，而只使用数据载波检测DCD(Data Carrier Detect)和终端准备DTR(Da-ta Terminal Ready)信号。DCD信号可以检测GPRS模块是处于数据传送状态还是处于AT命令传送状态，DTR信号用来通知GPRS模块传送工作已经结束。
硬件连接完成后，在进行收／发短消息之前，应该对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有：通信波特率，采用“AT+IPR=(波特率)＆W”命令，本系统采用模块默认的波特率9 600 bps；短消息服务中心号码，通过“AT+CSCA=+8613800270500”将服务中心号码设置为13800270500。
3 系统软件设计
系统上电复位首先完成对各端口和模块的初始化。作为现场采集系统的主站，与子站通信时，微控制器定时向各子站发出唤醒信息，然后转入接收状态，等待应答。主站收到应答信号后发送传输数据命令，并且接收该子站发送来的数据，接收完最后一帧数据后，返回检查是否为最后一个子站。如果是，则结束本次数据采集工作；如果不是，则修改握手协议中子站地址识别信息，采集下一个子站的数据。主控节点程序流程如图5所示。
4 结论
系统中为每个家庭的电表中配置了无线收／发模块，而在楼层比较密集的地方设置一个现场主控节点。现场主控节点通过无线收／发模块将每个家庭中电表记录的电量信息收集以后进行缓存，然后通过GPRS模块将这些集中的电量信息发送给总控中心，真正实现了总控中心的远程无线抄表功能。此外，该系统还可扩展其他功能，例如当无线电表工作异常时，可以向远程终端发出报警信息，以实现远程终端对电表的实时监控。
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