基于GPRS與ARM的智能抄表系統
1 引言
目前,很多國家己廣泛使用遠程自動抄表系統來代替傳統的人工抄表。計算機技術、集成電路和通信技術的高速發展，使得抄表系統在向著智能化的過程中邁出了堅實的一步。現在gsm網絡已覆蓋我國大部分地區，而gprs是基于gsm移動通信系統的一種移動分組數據業務。利用gprs網絡功能可以傳送電力系統的電表數據。本文以arm處理器平臺和華為gtm900-b無線通信模塊為核心，利用無線數據傳輸，可以將采集的數據通過internet傳至監控服務器，該方法具有傳輸快、傳輸量大，距離不受限制等特點，非常適合電力系統采集點多、范圍廣、距離遠的特點。不僅摒棄了人工抄表費時費力的缺點，也更有利于用電高峰時段的用電量統計。基于gprs與arm的智能抄表系統包含三個主要的組成部分：數據采集系統，基于gprs的通信傳輸網絡和基于arm的終端處理系統。
2 gprs系統
無線數據傳輸監控系統發展至今，使用的通信技術經歷了四個階段：無線電臺傳輸、集群通信網、sms短消息和gprs。技術比較如表1所示。
表1 無線數據傳輸四個階段
gprs（general packet radio service）是通用分組無線業務的簡稱。在原有的基于電路交換（csd）方式的gsm網絡上引入兩個新的網絡節點：gprs服務支持節點（sgsn）和網關節點（ggsn）。在gsm系統的基礎上構建gprs系統時，只需做軟件升級。這樣的gprs系統可以看作是對原有的gsm電路交換系統進行的業務擴充，以滿足用戶利用移動終端接入internet或是其他分組數據網絡的需求。gprs網絡的技術優勢：
（1）資源利用率高。gprs引入了分組無線的傳輸模式，用戶只在發送和接受數據期間才占用資源，這意味著多個用戶可以高效地共享同一無線通道。
（2）傳輸效率高。gprs可提供高達115kb/s的傳輸速率。
（3）接入時間短。分組交換接入時間縮短為少于1s,能提供快速即時的鏈接。
（4）支持ip協議和x.25協議。gprs支持internet上應用最廣泛的ip協議和x.25協議。
3 gprs遠程無線抄表設計
遠程抄表模塊的硬件設計，包括總體的硬件設計和各單元模塊的設計與實現，系統邏輯框圖如圖1所示。根據功能，硬件模塊涉及cpu、數據采集、電源管理、存儲、rs485接口等幾大模塊。先由電能采集芯片完成數據的采集，之后由rs485傳輸到arm上，經過處理，經由rs232傳輸至gprs數據傳輸模塊，再經由gprs網絡傳至控制中心。
圖1 系統邏輯框圖
3.1系統硬件電路
在硬件上主要是數據采集終端的硬件實現，包括gprs數據傳輸模塊以及處理器、無線傳輸的功能設計、采集電路、串口電路接口擴展、電源模塊設計等，硬件電路如圖2所示。
圖2 系統硬件電路圖
3.1.1數據采集模塊
智能電表使用電能測量芯片ade7757。將電壓傳感器和電流傳感器輸出的信號輸入ade7757芯片內的兩個adc電路后，用ade7757內置的乘法器將電壓和電流相乘，得到有功功率，ade7757通過數字-頻率轉換器將有功功率轉換成頻率輸出。
ade7758內部有三種寄存器，分別是測量值寄存器、控制寄存器和狀態寄存器。電壓和電流寄存器長度是24位，能量寄存器為16位，但是內部沒有單獨的功率存儲器，求功率是無法通過電壓、電流等參數得到。功率就是單位時間內的能量值，一旦獲知定量時間內的能量值，就能夠得出功率。求功率的方法可以采用linecyc(line cycle energy accumulation mode，線性循環能量累計模式)。視在、有功和無功這三種能量寄存器里存放的是每個周期t內的能量值e，其每個周期t刷新一次，得出p=e/t。arm處理的結果通過rs485接口方式送到gtm900-b模塊，再由gtm900-b通過tcp/ip協議將數據傳送到相應ip地址的pc機監控端。
3.1.2電源模塊
經過簡化的系統電源電路，設計輸入電壓為5v直流穩壓電源。在本系統中，需要使用5v、3.3v的直流穩壓電源給cpu、sdram、flash、lcd、gprs模塊等供電。根據系統的實際功耗，選擇ldo（low-dropout linear regulator）cmlll7-3.3為系統提供直流穩壓電源，系統電源電路如圖3所示。
圖3 電源模塊圖
3.1.3嵌入式arm模塊
本系統使用的是arm公司為samsung公司設計的arm7tdmi s3c44box嵌入式處理器。該處理器為32位risc結構，最高工作主頻66mhz，外部尋址范圍可以達到1g，片上資源豐富。本系統設計中使用了2個異步串行通信口，片內實時時鐘用于定時數據采集、處理和傳輸，片內自帶看門狗，防止系統死機以及準確的系統復位，外擴2mb
norflash和8 mb nandflash存儲系統程序和抄表數據，16mb sdram作為系統內存。這樣的配置完全滿足系統的硬件和程序編譯的需要。
3.1.4gprs模塊
華為gtm900-b是一款兩頻段gsm/gprs無線模塊，它支持900mhz/1800mhz雙頻自動選擇。支持標準的 at命令及增強 at命令交互數據模式，提供豐富的語音和數據業務等功能，是高速數據傳輸等各種應用的理想解決方案。gtm900-b增加了數據傳送的at命令，適用于小數據量傳送的場合。內置tcp/ip協議棧，用戶無需后臺計算機支持，無需實現ppp協議也可實現數據傳輸功能。
因為gprs模塊是基于ip協議的，數據在服務器與gprs模塊中傳輸是使用基于ip協議的分組，這說明所有的數據都要基于ip。數據傳輸的at命令例子如下：
at%etcpip=[]，[]，[] // 初始化命令
at%ipopen=，，，[[，[local_port>]] // 打開一條 tcp或者udp鏈接命令
at%ipsend= // 單鏈接模式下發送數據命令
at%ipdr=[] // 數據讀取命令
3.2系統軟件設計
在監控軟件設計上包括嵌入式操作系統的移植，硬件驅動程序設計，數據傳輸協議的制定，數據采集模塊軟件實現，利用socket進行tcp/ip協議編程，以及上位機的服務器應用程序和下位機的客戶端應用程序的實現。終端軟件設計的整體思想是將實時嵌入式操作系統μc/os-ii移植到抄表系統的mcu上，之后在此操作系統上編寫的程序。軟件采用了模塊化設計，結構清晰簡潔，便于以后修改、調試和擴充。當μc/os-ii移植成功后，只需完成相關設計的編程即可，其實時性和可靠性由實時嵌入式操作系統保障。
監控服務器是由具有固定ip地址的服務器、監控數據軟件和數據庫組成。收集到的電能表數據都將傳輸到服務器固定的ip地址端。監控軟件通過軟件端將這些由數據終端上傳的數據進行處理和存儲。在本系統對應的監控軟件中，其功能除了可以存儲每個gprs終端傳輸的數據和將數據顯示在界面上之外，還可以增加偷電警示、電表故障提示以及電費金額不足提示等實用功能。
圖4 終端軟件結構圖
4 結束語
電力抄表系統現已經廣泛分布在全國各地，規模大，分布廣，需要投入的人力物力很多，所以如何更好的實現快速準確的抄表有著重要的意義。一般的抄表方式會有各種不同的缺點，有線抄表受到距離、布線的影響，會受到抄表現場環境的影響，工作人員不能及時得到數據。現在，本文提出的利用gprs抄表的方式可以很好的解決這些問題，經現場測試，精確性和可靠性完全符合設計要求。依托電信運營商廣泛的gprs網絡，搭建抄表平臺，實現了無線抄表，省去了很多人力物力，少去了人為干預及現場環境的影響，在保障數據通信暢通的前提下提高了電力系統的工作效率和社會經濟效益。
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