GSM 網絡電表集抄系統的硬件結構設計

朱鴻

（大連寶通工業控制有限公司，遼寧 沈陽 110000）

引言

隨著我國市場經濟的發展，電力調度和分配急需規范化、科學化、現代化管理。另外，中國移動通信網絡規模的快速擴大，功能的日臻完善以及資費的不斷下調，使采用移動通信網絡實現遠程集中抄表成為可能。

同時,由于對“電力是商品”這個問題的認識上的不同，我國的竊電現象比較普遍和嚴重，給電力系統和國家帶來了巨大的經濟損失，如何反竊電和防止竊電又是當前電力系統急待解決的一個課題。多年來，尋求簡單可靠的自動遠程抄表方法，一直是一個熱門話題。

目前已推出的抄表系統覆蓋了很多應用領域。其方法的應用都有其局限性，因此，研發了一種基于GSM 無線通信網絡的遠程抄表系統。

1 系統的硬件結構原理設計

GSM 網絡電表集抄系統由抄表儀和上位管理機組成。

整個抄表儀由CPU、電源監控芯片、E2PROM 存儲器、點陣式液晶模塊、RS-485總線驅動芯片、GSM 模塊、八緩沖器、和電源模塊等構成。通過RS-485 芯片接入智能電表，通過AVR 芯片的RS-232 接口接入Wavecom 公司Q2403A 手機模塊，另外通過Atmega128 的I/O 口采集門封告警事件。

由于本系統的CPU Atmega128 采用I2C總線外擴兩片存儲器，因此具有結構簡單、成本低的特點。除了主程序CPU-Atmega128 以外，其余各個模塊都具有獨立功能，并且它們直接由主CPU 調度，互不干擾，這樣即能保證控制的協調性，又能提高控制的速度以下為抄表儀結構，如圖1。

2 系統硬件設計

2.1 電源設計

通過現場調研，為了保障系統穩定可靠運行，選用專用模塊式電源作為抄表儀供電電源，其型號為LAP15-220D5,是數字開關電源模塊，輸入電壓范圍為AC85～260V 輸入，輸出電壓為5V，給GSM 手機模塊提供電源。能夠適應現場應用，保證輸出電源的穩定性。

2.2 CPU-Atmega128 結構和性能

Atmega128 是AVR 系列中功能最強的一種微處理器，本次設計就選用它作為集抄器的CPU。Atmega128 帶128K 字節Flash 的在線可編程8位微控制器。它是AVR 系列中功能最強的單片機。Atmega128 將32個工作寄存器和豐富的指令集連接在一起。所有的工作寄存器都與ALU 算術邏輯單元直接相連，允許在一個時鐘周期內執行的單條指令，同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構提高了代碼效率，使AVR 得到了比普通CISC 單片機高將近10倍的性能。

Atmega128 具有以下特點：128K 字節具備寫操作時可讀的在線系統可編程Flash；4K字節EEPROM；4K 字節SRAM；53個通用I/O口，4個具有比較模式和PWM 的定時器/計數器；2個USART，一個兩線（I2C）串行接口；一個8 通道10位具有可選增益差分輸入的A/D 轉換器；一個SPI 口；一個JTAG 測試接口。

2.3 485 接口設計

CPU 與電表是通過一片 SN75176 芯片，按RS485 通訊規程來接口的，波特率為1200 bps。RS485 定義了一種能把電平信號轉換為電平差信號的驅動器，也定義了把電平差信號轉換為電平信號的接收器。利用電平差信號進行傳輸，可以增強抗共模干擾的能力。使用RS485 進行串行通訊，傳輸速率高，距離長。

SN75176 芯片有一個發送器和一個接收器，可帶32個節點，半雙功通信，非常適合作為RS－485總線驅動芯片。CPU 串口1 接口為PD2、PD3，I/O 口PD2 連SN75176 芯片的RO 管腳，I/O口PD3 連SN75176 芯片的DI 管腳，I/O 口PF1 連 SN75176 芯片的 RE、DE 管腳，SN75176 芯片的A+、B-腳角直接連入電表。

2.4 獨特的電源監控（看門狗）設計

在保證抄表儀穩定運行的前提下，增加看門狗設計，從硬件上保證抄表儀不間斷運行，防止程序死機、防止程序運行跑飛和死鎖現象產生。

看門狗采用MAX706 電源管理芯片，復位信號（REST）用于啟動或者重新啟動CPU，當電源電壓降至4.40V 以下時，即產生復位信號，令其進入或者返回到預知的循環程序并順序執行。一旦CPU處于未知狀態，比如程序“跑飛”或進入死循環，就需要將系統復位。

2.5 數據存儲

隨著單片機技術的不斷發展及各種非總線型單片機的不斷涌現，采用非總線型單片機并配合大容量串行E2PROM 構成的數據存儲系統，將是一種非常好的數據存儲方法。該方法一方面可提高系統的可靠性，另一方面又可降低系統成本。

AT24C512 是ATMEL 公司新近推出的具有 I2C 總線容量 達 512Kbit（64K×8）的E2PROM，該芯片的存儲容量為65Kbyte；10萬次數據擦寫次數；數據保存時間為40年；具有寫保護功能。

2.6 其它

使用高頻線作天線,為了提高無線信號質量，選擇5DB 增益天線，底座自帶一塊磁鐵，采用SMA 接口連接，方便現場連接。磁鐵可以吸附在機箱或機殼上。

抄表儀時鐘由GSM 通訊模塊提供，通訊模塊的時鐘可不定時與監控中心上位機對時，保證兩者時間統一，便于管理。同時節省時鐘芯片，減少硬件開銷，降低抄表儀成本。

3 系統運行結果分析與前景展望

GSM 遠程抄表系統的應用，杜絕人工抄表產生的誤抄、漏抄、抄表時間不統一等現象，提高工作效率和數據準確率，減輕勞動強度，減員增效。

GSM 網絡已在我國得到了廣泛普及，它的抄表范圍與GSM 通訊網覆蓋范圍一致，通過利用網絡資源降低了該系統的建設和運行維護費用，且終端性能穩定可靠、實用性強，大大提高了功效，降低了生產成本。因此，GSM 遠程抄表系統的研究具有重要的意義和廣闊的應用前景。

[1]呂治安,李文聯.一種手持無線抄表終端的設計.電子技術應用,2003,第8期:51-53

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[3]毛永毅,張麗娟,岳慧芬.基于短消息的自動抄表系統.電測與儀表,2002,第3期:38-41

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