具有遠程升級功能的小區電能監測系統

諸德宏,張介環

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

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具有遠程升級功能的小區電能監測系統

諸德宏*,張介環

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

摘要:針對居民小區電能儀表升級維護困難的問題,提出一種基于STM32+GPRS的無線遠程升級系統設計方法。闡述了系統中主要硬件、遠程升級原理并給出軟件設計的關鍵代碼,自定義無線通信協議,有效解決了升級過程中出現的傳輸誤碼問題。服務器端引入最新QT技術,界面友好、操作簡單,并給出了軟件設計流程及運行界面。實驗證明,系統運行可靠,對推動城市居民小區電能監測現代化、智能化具有重要意義。

關鍵詞:電能監測;遠程升級;GPRS;STM32;Qt

在城市居民小區電能儀表實際工作過程中經常會遇到2種現實的困難,一是用戶在使用過程中,有時可能需要改進或增加功能,二是程序本身有缺陷,經常死機等無法正常工作。要解決這樣的問題,傳統的方法是安排技術人員到現場重新下載程序或者更換儀表。居民小區有大量的儀表,要完成這樣的更新任務費時費力。針對這種問題,本文提出一種基于GPRS無線通信技術[1],實現遠程升級系統軟件的方法,并自定義通信協議,有效解決了數據傳輸誤碼的問題。

1　系統總體結構

系統(如圖1所示)主要由服務器端和客戶端組成。服務器端指小區電能監管中心,負責監控小區內所有居民的家庭電能表。需要軟件升級時,通過GPRS發送模塊將待更新程序(一個可執行二進制映像文件,由完整的應用程序編譯得到)發送到客戶端。客戶端指家庭電能表,其系統軟件由IAP引導程序和應用程序組成,通過GPRS網絡與服務器交互并獲得待更新程序,實現遠程升級。

圖1　系統總體架構

1.1系統硬件設計

系統硬件總體框架如圖2所示,主要硬件模塊介紹如下:

(1)STM32微控制器。STM32是近年來迅速興起的基于ARM Cortex-M3內核的微控制器[2]。Cortex-M3內核是專門設計滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域要求的高性能芯片。該芯片最高頻率可達72MHz,具有512 kbyte的閃存及64 kbyte的SRAM,支持I2C,USART,SPI,CAN,USB等通信接口,自帶單周期硬件乘法器,大大提高了數字信號的運算速度。

(2)GPRS模塊。SIM900A是SIMCom公司推出的一款新型無線模塊[3],它是專為中國市場設計的2頻GSM/GPRS模塊.完全采用SMT封裝形式,性能穩定,外觀小巧,性價比高,能滿足使用者的多種需求。SIM900A采用工業標準接口,工作頻率為EGSM 900 MHz和DSC 1 800 MHz,支持標準的AT指令。本系統GPRS模塊如圖3所示。

圖2　系統硬件框圖

圖3　GPRS模塊

(3)電能計量芯片。ATT7022D是一款高精度三相電能專用計量芯片[4],具有16 bit A/D轉換精度,集成了6路二階Sigma-Delta(Σ-Δ)ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路。能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量,同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數,并支持全數字域的增益、相位校正,即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CFl,CF2提供瞬時有功、無功功率信息,可以直接接到標準表,進行誤差校正。

(4)外部擴展芯片。采用W25X32 Flash存儲芯片,它具有PCB占用空間少、引腳數量少、功耗低等特點,與普通串行Flash相比,使用更靈活,性能更出色,非常適合存儲文本或數據,工作電壓2.7 V～3.6 V,正常工作狀態下電流消耗0.5 mA,掉電狀態下電流消耗1 μA。

2　系統軟件設計

2.1遠程升級原理

微處理器STM32內部Flash存在兩段程序和一個標志區,各段分布如圖4所示。

圖4　STM32內部Flash分配

IAP引導程序處于地址0x8000000處,系統上電或復位后,首先執行IAP程序,它通過檢測全局標志UpdateFlag的值來判斷是否與服務器交互并執行更新應用程序的操作[5],否則直接跳轉到應用程序處執行用戶代碼。應用程序處于IAP程序后的某個固定地址(0x803f8000),這2個地址之間需保證足夠的空間以存放IAP引導程序。Flash中的這兩段代碼是2個相對獨立的程序映像,它們之間互不影響,只存在簡單的跳轉關系。Flash尾端0x803f800處存放升級過程中需要的各種全局標志,引導程序和應用程序都可以對該標志值進行修改。

2.2通信協議定義

升級過程傳輸的數據是要運行的應用程序代碼,所以很小的傳輸錯誤都會導致升級后系統癱瘓。系統采用GPRS無線傳輸,發生誤碼的可能性比較大,因此必須保證數據傳輸無誤。本系統在完善的TCP/IP機制基礎上自行設計應用層協議,并融入CRC16和MD5[5]校驗算法,有效保證數據傳輸的可靠性。

升級數據報文分啟動數據報文、啟動確認報文,升級過程數據報文、升級過程確認報文,升級結束數據報文、升級結束確認報文3部分[6]。由于篇幅有限這里僅給出升級過程數據報文格式(表1所示)和升級過程確認報文格式(表2所示),其他過程報文格式可以此為參考。

上位機軟件按此協議將待發送數據打包,通過GPRS網絡發送給待升級電能儀表,電能表終端接收到數據后同樣按此協議解包。每接收一包數據都會CRC16校驗,待全部接收完畢后MD5再校驗一次,充分確保數據傳輸的正確性、可靠性。

表1　升級過程數據報文格式

表2　升級過程確認報文格式

2.3軟件設計

2.3.1IAP引導程序設計

IAP全稱“In-Application Programming”即在應用程序中編程。IAP是一種通過微控制器的對外通信接口(如USART、I2C、CAN、USB、以太網)對正在運行程序的微控制器進行內部程序升級更新的技術。IAP技術的核心是一段預先燒寫在單片機內部的IAP程序,這段程序主要負責與外部的上位機軟件握手同步,然后通過外設通信接口將來自于上位機軟件的程序數據接收后寫入微控制器內部指定的閃存區域,最后跳轉執行新寫入的程序,達到程序更新的目的[7]。關鍵代碼如下:

typedefvoid(*pFunction)(void);

pFunction Jump_To_Application;

int main()

{

… …

swich(UpdateFlag)

case0xAA66BB99://跳轉到主程序

Jump_To_Application=(pFunction)(*(vu32*)(IAPSTART+4));

__MSR_MSP(*(vu32*)IAPSTART);

Jump_To_Application();

break;

case0x66AA99BB://讀取外部Flash數據

ReadXflash();

break;

… …

}

2.3.2升級數據處理程序設計

主應用程序正常運行時主要完成電能數據(電壓、電流、頻率、功率等)采集等基本電能儀表功能并在LCD上實時顯示,在接收到服務器發送的升級命令后進入升級數據處理子程序,關鍵代碼如下:

if((RxBuf[0]==0x6A)&&(RxBuf[1]==0x6A))

{

PacketLenth=(RxBuf[3]<<8)+RxBuf[2];

PacketType=RxBuf[4];

FramType=RxBuf[5];

FramSeq=RxBuf[6];

switch(FramType)//幀類型判斷

{

caseUpGradeFram://是升級報文

switch(PacketType)//報文類型判斷

{

casePacketUpStart://升級啟動報文

SrtDataProcess();

case PacketUpMid://升級過程報文

MidDataProcess();

casePacketUpEnd://升級結束報文

EndDataProcess();

ReplyPacket();//應答報文

}

… …

}

}

… …

UpgradeFlag=success;//置升級標志

CloseDog();//關閉看門狗,使系統復位

… …

根據協議首先判斷報文頭是否為6A6A,計算報文長度,報文類型,幀類型,幀序列號。然后判斷幀類型以確定是升級報文,接著判斷是升級啟動報文、升級過程報文、升級結束報文并分別處理,數據校驗正確后將數據存入外部Flash,置升級標志,關閉看門狗使系統復位,復位后執行IAP程序,將外部Flash中數據寫入內部Flash相應位置,并跳轉到新程序運行,完成升級過程。電能表終端運行如圖5所示。

圖5　遠程升級運行圖

3　上位機軟件設計

上位機采用開源Qt圖形庫開發,Qt Creator作為開發環境。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架,可以讓開發者一次編寫,多處編譯,使用Qt開發的程序可以很方便的將傳統PC程序移植到移動監控設備中,具有良好的拓展性[8]。軟件設計流程如圖6所示。

圖6　上位機軟件設計流程

首先向電能儀表終端發送升級啟動命令,然后啟動定時器,若超時并且沒有收到應答幀,則重新發送升級命令,超時三次則終止升級程序。若收到正確應答幀則發送更新數據給終端儀表,并遵循沒有收到正確應答幀超時三次時終止升級程序。數據發送完畢后,向電能表終端發送升級結束命令,在收到正確應答幀后升級成功。上位機設計界面如圖7所示。

圖7　上位機軟件界面

4　結論

本文設計了基于GPRS的小區電能監測系統,并設計了監控中心上位機軟件,自定義通信協議,解決了數據傳輸中的誤碼問題,提高了電能儀表維護維修效率,在實驗室模擬運行穩定可靠,對工程實踐具有一定的借鑒意義。

參考文獻:

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[2]彭剛,秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微處理器應用實踐[M].北京:電子工業出版社,2011:1-31.

[3]希姆通信息技術有限公司.SIM900A硬件設計手冊[S].2010.

[4]珠海炬力集成電路設計有限公司.ATT7022D用戶手冊[S].2009.

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[7]蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012:395-407.

[8]Jasmin Blanchette,Mark Summerfield.C++GUI Programming with Qt4[M].北京:電子工業出版社,2008:1-50.

諸德宏(1968-),男,漢族,江蘇溧水人,江蘇大學電氣信息工程學院教授,博士,主要研究方向為磁傳動系統的檢測與控制,電磁技術在農業工程中的應用,zhudh@ujs.edu.cn;

張介環(1983-),男,漢族,江蘇徐州人,江蘇大學電氣信息工程學院碩士研究生,主要研究方向為嵌入式系統開發。

ResidentialElectricityMonitoringSystemwithRemoteUpgradeFunction

ZHUDehong*,ZHANGJiehuan

(School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:For the tough problems of electric energy meter’s upgrade and maintenance in residential areas,put a design method of remote upgrade system was put forward based on STM32+GPRS.The main hardware in the system and the principle of remote upgrade were expounded,the key code of the software design was also given to solve effectively the transmission error problems in the upgrade process through the custom of the wireless communication protocol.Server software is friendly and simply operated by introducing the latest QT technology,Practice proved that the system is running well and has an important significance in promoting modern and intelligent power monitoring in urban residential areas.

Key words:power monitoring;remote upgrade;GPRS;STM32;Qt

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.032

中圖分類號:TM932

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0733-04

收稿日期:2013-07-23修改日期:2013-08-13