基於GPRS通信和uC/OS-ii的網絡電能表設計

    隨著技術的發展， 抄表方式也從現場人工抄表到遠程自動抄表轉變， 目前用於抄表的技術有多種，如RS 485總線、紅外和電力線載波等， 這些抄表技術相對比較成熟， 但應用卻各有其局限性， 如RS 485總線抄表需要布線而增加投資， 且傳輸距離不能超過1 200 m,紅外抄表需要人工現場抄表，電力載波抄表由於電磁乾擾等的影響傳輸距離受限。GPRS 通信技術成熟， 網絡覆蓋廣， 可以長久在線， 按流量計費， 費用低廉，且不受距離和空間的限製， 使得在抄表行業的應用非常適合。

1 GPRS 網絡電能表

    GPRS 網絡電能表就是GPRS 通信技術和電表技術的結合體，他將三相多功能電能表和GPRS 通信模塊相結合， 形成具有無線網絡通信能力的電能計量裝置。GPRS 網絡電能表由基表和GPRS無線通信模塊兩部分組成。

1. 1 基表

    基表可實現普通三相多功能電能表的基本功能， 在未接入GPRS 通信模塊的情況下，不影響其作為普通多功能電能表的使用。它對交流模擬量進行實時采樣、處理和存儲，實現電能計量、需量測量、複費率、負荷曲線計算和存儲、數據凍結、事件記錄、複費率等，可實現用戶預購電控製、負荷控製、遠程控製等功能。具備RS 485通信接口、紅外通信接口、GPRS通信模塊接口，以實現數據的抄讀和設置； 基表還具有本地液晶顯示，可支持本地巡顯和鍵顯功能。

1. 2 GPRS 通信模塊

    GPRS 通信模塊是GPRS 網絡電能表的數據上傳的關鍵節點，作為網絡電能表的一個獨立模塊， 在不影響基表計量的情況下， 滿足用戶抄表係統的技術要求和傳輸規約， 實現數據的可靠傳輸。GPRS通信模塊與基表的下行通信滿足DT / L645 多功能電能表通信協議，與主站的上行通信滿足《電力用戶用電信息采集係統通信協議》（ Q/ GDW 376. 1-2009） 標準。在此著重描述GPRS 通信模塊的軟硬件設計。

2 GPRS 通信模塊硬件結構（基於GPRS通信和uC/OS-ii的網絡電能表設計
）

2. 1 係統框圖

    GPRS 無線通信模塊的係統框圖如圖1 所示。係統包括： ARM 微處理器（LPC2138 ） 、GPRS 模塊、FLASH 和鐵電存儲器、紅外收發、RS 232 串行調試接口、RS 485 通信接口、JTAG 仿真接口、LED 指示及電源轉換等。

圖1 GPRS 網絡電能表係統框圖

2. 2 模塊功能

2. 2. 1 微處理器

    采用基於ARM7TDMI??S 內核的32 位微處理器LPC2138, 其內嵌了512KB 的高速FLASH 存儲器和32 KB 的RAM, 具有豐富的外設資源， 如： 2 個32 位定時器（ 帶捕獲、比較通道） ; 2個10 位8 路ADC; 1 個10 位DA C; PWM 通道； 47 路GPIO; 9 個邊沿或電平觸發的外部中斷；具有獨立電源和時鐘的RTC; 多個串行接口（ UART, I2 C, SPI, SSP） ; 內含向量中斷控製器，可配置中斷優先級和向量地址； 片內Boot 裝載程序， 可以實現在係統/ 在應用編程（ ISP/ IAP） , 通過片內PLL可實現60 MH z 的CPU 操作頻率， 具有空閒和掉電2 種低功耗模式， 並且可通過外部中斷喚醒。

2. 2. 2 GPRS 模塊

    采用深圳有方科技出品的M580z 模塊， 其內部集成了T CP/ IP 協議棧，具有兩個通信鏈路， 一路標準TT L 串行通信端口， 精簡的AT 指令集， 通過AT 命令可實現模塊的參數設置和數據發送。M580與CPU 通過一個TT L 電平的串行口連接。

2. 2. 3 存儲器

    由於與主站的上行通信應滿足 電力用戶用電信息采集係統通信協議！，需要存儲規約要求的一類數據（ 實時數據） 、二類數據（ 曲線數據、統計數據） 和三類數據（ 事件） ,特彆是曲線數據要求存儲的數據量大， 因此采用大容量的FLA SH 存儲器來存儲二類和三類數據。

    由於鐵電存儲器可無限製的擦寫，所以用來存儲需要經常更新的實時數據和設置參數。存儲器與MPU 的接口為SPI 接口。

2. 2. 4 串行接口和JTAG 仿真端口

    利用RS 232 串行口、紅外通信口可實現模塊參數的本地設置和維護。其中， RS 232串口可實現對GPRS 模塊狀態的監測， 通過RS 485 串行口可抄讀滿足 電力用戶用電信息采集係統通信協議！的數據； JTAG仿真端口可對ARM 處理器進行仿真和程序燒寫。

2. 2. 5 LED 指示

    LED 指示燈用來指示模塊的電源狀態、模塊登陸狀態、網絡通信狀態及保電狀態等。

2. 2. 6 三相電能表

    三相電能表實現電能量及電壓電流等數據的采集與計算。它與MPU 通過一個串行口連接，通信規約滿足DT / L645 協議， 模塊定時抄讀三相表數據， 包括電量、需量、電壓、電流等實時數據，並將抄讀到的數據進行轉換和存儲， 以滿足主站對模塊的訪問要求。

3 軟件設計（基於GPRS通信和uC/OS-ii的網絡電能表設計
）

3. 1 總體架構

    軟件設計基於uC/ OS-ii嵌入式操作係統的多任務設計， 整體架構如圖2 所示。

圖2總體架構框圖

    係統軟件包括： 主任務、上行任務、下行任務、模擬串口任務、事件處理任務和控製處理任務。

3. 1. 1 主任務

    實現全局變量初始化， 硬件環境初始化，信號量和消息隊列的建立、其他任務的創建和啟動、鍵盤掃描、係統時間和定時處理、複位處理等功能。

3. 1. 2 上行任務

    上行任務實現GPRS 通信鏈路的建立、維護及與主站的數據交換，包括鏈路維護、數據收發、協議解析等功能。

3. 1. 3 下行任務

    實現對基表數據定時抄讀、數據處理、數據存儲、數據的轉發等功能。

3. 1. 4 模擬串口管理任務

    由於係統必須實現上行通信端口、下行通信端口、RS 485 通信端口、RS 232通信端口和紅外通信端口5 個串行通信口， 而LPC2138 內部隻有兩個串行口， 所以必須對串口進行擴展。在此，用軟件來模擬串口通信， 以實現串口擴展。建立一個模擬串口管理任務， 專門管理下行抄表模擬串口、紅外通信模擬串口和調試模擬串口。

3. 1. 5 事件處理任務

    事件處理任務處理係統發生的各類事件， 包括事件記錄、事件上報等。

3. 1. 6 控製任務

    控製任務執行一些控製操作， 包括預購電控製、保電控製、告警控製等。

3. 1. 7 任務間的通信

    任務與任務之間數據傳遞通過消息發送和接收來實現， 消息結構為：

消息傳遞函數定義為：

3. 2 軟件模塊實現流程

    軟件采用模塊化設計， 每個任務包含不同的功能模塊， 由於係統包含模塊較多，在此隻給出主任務模塊流程圖及上行任務中的GPRS 鏈路維護模塊流程圖。

3. 2. 1 主任務流程

    主任務程序流程如圖3 所示。

圖3 主程序流程圖

3. 2. 2 GPRS 鏈路維護流程

    上行任務中的鏈路維護模塊包括： GPRS 網絡登陸、鏈路狀態檢測以及心跳維護等。其中，GPRS 網絡登陸程序流程如圖4 所示。在GPRS 通信鏈路建立後，如果長時間無數據傳輸， 則GPRS網絡連接將被斷開，所以必須在一定時間間隔內發一個心跳幀至主站， 確認主站應答後說明鏈路狀態正常。不同品牌GPRS 模塊的AT指令集不同， 因此在編程前須熟悉相關GPRS 模塊的指令集， 以實現鏈路的建立和維護。

圖4 GPRS 鏈路維護流程圖

4 結 語

    介紹了GPRS 網絡電能表的功能和GPRS 無線通信模塊的軟硬件設計， 它是對GPRS網絡電能表開發項目的總結。係統軟件移植了？？C/ OS??嵌入式操作係統， 采用多任務設計， 提高了係統的實時性，對實現遠程無線抄表具有積極意義， 設計的產品已在國家電網公司成功應用， 且運行穩定， 應用效果良好。