GSM技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

許鐘尤

（廣西第一工業(yè)學(xué)校 廣西 南寧 530023）

0 前言

我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，促使電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展。與之配套，電力系統(tǒng)的經(jīng)營和管理體制也必須進(jìn)行相應(yīng)的改革，即如何提高電能計量工作效率和質(zhì)量。目前我國電能表的讀取方式主要有人工抄表方式，預(yù)付電費方式和遠(yuǎn)程抄表方式三種。人工抄表的準(zhǔn)確性和實時性受到限制。常用的遠(yuǎn)程抄表方式有電力線載波、公共電話網(wǎng)和無線電臺抄表等。這些方式存在著成本高、施工麻煩、穩(wěn)定性差等問題。本文將移動通訊技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)用電大戶電能表的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)上，不但實現(xiàn)了無線遠(yuǎn)程抄表，而且還節(jié)省了大量抄表所需的人力物力。同時也提高了電業(yè)管理部門對用電戶的實時監(jiān)管及管理效率。

1 系統(tǒng)概述

隨著GSM移動通信技術(shù)的成熟，以GSM網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)能力強的特點。用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費用和維護(hù)費用。基于GSM移動通訊的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)原理圖

抄表系統(tǒng)由兩個功能部分構(gòu)成：電能表監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件部分和在各用電大戶安裝的抄表終端。監(jiān)控軟件由串口伺服程序，監(jiān)控程序和SQL數(shù)據(jù)庫組成。串口伺服程序和客戶程序采用Visual Basic 6.0編寫，通過訪問SQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和查詢。串口伺服程序通過串口不停向GSM模塊發(fā)出AT指令。GSM根據(jù)AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳送，與抄表終端進(jìn)行聯(lián)系。抄表終端采用單片機技術(shù)實現(xiàn)GSM模塊的控制和電能表數(shù)據(jù)的讀取。監(jiān)控軟件和抄表終端之間采用短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

本文采用的GSM模塊是西門子公司生產(chǎn)的手機模塊TC35。該模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，具有語音、數(shù)據(jù)、短消息、FAX四種傳輸方式。它工作在GSM900mHz和1800mHz頻帶范圍內(nèi)。工作電源3.3-3.5V；波特率為300～115kbps，在1200～115kbps為自動波特率配置，數(shù)據(jù)傳送采用AT命令集。模塊對外提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口和電源接口。模塊采用GSM07.05規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會）發(fā)布的，其中包含了對收發(fā)短信進(jìn)行控制的指令。本文涉及到的部分AT指令如表1所示。

表1 部分AT指令列表

2 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件采用多程序協(xié)調(diào)工作的機制，根據(jù)需要分別編寫了串口伺服器和監(jiān)控程序。兩者通過SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。程序的編寫選用可視化變成語言VB6.0進(jìn)行編寫，程序界面簡單明了，易于操作。

2.1 串口伺服程序設(shè)計

串口伺服程序是通過調(diào)用VB的控件MSComm來實現(xiàn)的。在程序中添加該控件方法是：在工具欄上單擊右鍵，選擇“組件”，然后選中Microsoft Comm Control 6.0選項，點擊“應(yīng)用”按鈕即可添加該控件。程序中，該控件命名為commMain。程序的實現(xiàn)是通過調(diào)用該控件相關(guān)的屬性完成的，其屬性內(nèi)容如表2所示。

表2 MSComm控件常用屬性一覽表

在具體的應(yīng)用中，MSComm控件提供了兩種方式來處理信息的流動，一是事件驅(qū)動；一是查詢方式。前者是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法，不管是發(fā)生通訊事件或錯誤，程序都可以利用MSComm控件來偵測并處理這些通訊事件和通訊錯誤。后者通過對串口輸入緩沖區(qū)進(jìn)行檢測，并在有數(shù)據(jù)來到的時候?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作。在這里采用查詢方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。其中通信事件的值設(shè)置為comEvReceive，即收到Rthreshold個字符，該事件將調(diào)用Input屬性從接收緩沖區(qū)中刪除數(shù)據(jù)。

串口初始化程序如下：

2.2 數(shù)據(jù)庫與監(jiān)控程序設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是用于存儲大量數(shù)據(jù)的區(qū)域，它通常包括一個或多個表。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示及存儲都依賴于數(shù)據(jù)庫技術(shù)。SQL Server 2000是Mi crosoft公司推出的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它不僅支持集中化數(shù)據(jù)庫管理功能，而且還能實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫的管理方式，最大程度地實現(xiàn)了管理與優(yōu)化工作的自動化。本文選用SQL Server 2000建立數(shù)據(jù)庫文件。

關(guān)于數(shù)據(jù)庫的訪問功能，在程序中是以程序模塊的形式直接調(diào)用。模塊中分別定義了各種常量，注冊表操作函數(shù)；編寫了SQL語句執(zhí)行函數(shù)ExecSQL，讀聯(lián)接數(shù)據(jù)庫參數(shù)函數(shù)ReadConnectParemeters，寫注冊表函數(shù)SetStringValue等。

在監(jiān)控程序中分別完成檔案管理、抄表管理、告警管理、數(shù)據(jù)報表等功能。程序的執(zhí)行采用用戶觸發(fā)方式。

3 抄表終端設(shè)計

抄表終端安裝在用電大戶的電能表表箱中。一方面，抄表終端與電能表相連，通過485接口讀取電能表的當(dāng)前數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息；另一方面，抄表終端與GSM模塊相連，通過232接口向GSM模塊發(fā)送AT指令，實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳送。

3.1 抄表終端硬件設(shè)計

抄表終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端采用AT89C2051作為控制核心。2051一方面通過集成電路芯片MAX485與電子式電能表進(jìn)行通訊，讀取電能表的計量讀數(shù)。另一方面通過集成電路芯片MAX232向GSM模塊發(fā)送AT指令，并通過GSM模塊實現(xiàn)與抄表中心的通訊。圖中的電阻R1與開關(guān)J1組合，實現(xiàn)開箱報警信號的輸入。當(dāng)有非法開箱發(fā)生時，觸發(fā)單片機的外部中斷0。單片機在相應(yīng)的中斷程序中向GSM模塊發(fā)送對應(yīng)的AT指令，向抄表中心發(fā)送報警信息。圖中右側(cè)的信號線從上至下依次為：RXD－GSM串口通訊數(shù)據(jù)接收端；TXDGSM串口通訊數(shù)據(jù)發(fā)送端；RESETGSM－GSM復(fù)位信號線；B－電能表485通訊接口負(fù)端；A－電能表485通訊接口正端。

圖2 抄表終端硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中需要兩個串行通訊口，但是AT89C2051只有一個串行通訊電路，因此采用軟件模擬擴(kuò)展一個串行通訊電路。圖中2051的兩個I/O端口（P1.6和P1.7）分別模擬串行通訊的RXD和TXD。

其中芯片MAX232完成TTL協(xié)議與RS232協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。為了完成轉(zhuǎn)換功能，MAX232外圍需要四個取值為1μF/ 25V的電解電容和一個取值為 0.1μF的去耦電容。芯片MAX485完成TTL協(xié)議與RS485協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。該芯片是一種差分平衡型收發(fā)器芯片。設(shè)計中，將引腳RE和DE相連后，連接在2051的P3.7引腳上。P3.7引腳控制MAX485的收發(fā)工作。另外，在MAX485的輸出引腳A和B之間應(yīng)跨接一個100Ω的電阻。

系統(tǒng)中沒有設(shè)計上電復(fù)位電路，由看門狗芯片MAX705實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位和監(jiān)控。系統(tǒng)正常時，2051通過P3.5引腳產(chǎn)生“喂狗”信號，保持MAX705的正常清零。一旦程序“跑飛”，P3.5失效，MAX705計數(shù)溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號。

3.2 抄表終端軟件設(shè)計

圖3 程序流程圖

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

初始化程序主要完成單片機內(nèi)計數(shù)器的初始化，串口通訊的設(shè)置，標(biāo)志位的初始化等操作。為程序的正常運行做好準(zhǔn)備工作。

在進(jìn)入程序主循環(huán)之后，首先對MAX705計數(shù)器進(jìn)行清零。此后的每次循環(huán)都要進(jìn)行此項工作。

在工組中GSM可能會出現(xiàn)掉線的情況，因此，為了確保GSM正常工作，每次循環(huán)都需要檢測GSM模塊的在線情況。一旦GSM沒有上線，就對其進(jìn)行復(fù)位。并延時等待其再次上線。為了避免MAX705在延時程序期間產(chǎn)生復(fù)位操作，在延時程序中也對MAX705進(jìn)行清零。

由于2051不具備擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器的功能，所以將一些程序工作需要配置的信息存儲在GSM模塊的SIM卡中。其中SIM卡電話本的第1、2、3條分別存放電能表地址、短信中心號碼和系統(tǒng)報警屏蔽設(shè)置。系統(tǒng)只在每次上電后執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序。

本系統(tǒng)的操作對象是DTSD666型三相四線電子式多功能電能表。該產(chǎn)品的通信協(xié)議符合DL/T645-1997《多功能表通信規(guī)約》的要求。需要注意的是在該通信規(guī)約規(guī)定的幀格式中，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)是真實值的十六進(jìn)制數(shù)加33H所得到的數(shù)值，低地址在前，高地址在后。

為了保證程序的正常、安全、有效運行，這里采用查詢的方式對GSM和計量電能表進(jìn)行控制。分別讀取電能表的正向有功總電能、費率1～4正向有功電能、A～C相電壓電流等17項數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

利用protel99SE電路板繪制工具進(jìn)行了電路板設(shè)計，制作5×7厘米的電路板。系統(tǒng)通過了試驗，并且在某電業(yè)管理部門進(jìn)行了現(xiàn)場使用，安裝抄表終端5臺，抄表中心監(jiān)控軟件一臺。通過現(xiàn)場試驗，數(shù)據(jù)的傳輸效率高，準(zhǔn)確性高。通過在上位機的設(shè)置，管理員可以通過手機對各抄表終端進(jìn)行抄表。抄表終端的報警信息可以方便地傳送到管理員的手機上。通過試驗，系統(tǒng)的性能達(dá)到了設(shè)計的要求。

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