北斗短報文通信在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

公茂法，王中剛，肖弘揚，李美蓉，殷凡姣

（山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，青島266590）

智能電表作為高級量測體系 AMI（advanced metering infrastructure）的關(guān)鍵技術(shù)，對智能電網(wǎng)（smart grid）的發(fā)展有著重要意義，智能電表的發(fā)展在不斷地改變著居民的生活和用電方式[1]。目前的遠程抄表方式主要有RS485通信、電力載波通信和GPRS通信，但是在山地等偏遠地區(qū)，面臨傳輸距離遠、GPRS信號無法覆蓋的問題，現(xiàn)有抄表方式無法滿足遠程抄表的要求，這就需要采用人工抄表的方式，增加了人工成本[2]。為了解決這一問題，設(shè)計了一款利用北斗短報文通信的智能電表，不僅滿足了多功能電表的基本要求，并且具有傳輸距離遠，不受地域限制的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 北斗短報文通信原理

“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠提供定位導(dǎo)航、授時和短報文通信3大功能。在智能電表抄表系統(tǒng)中，分為智能電表終端、北斗衛(wèi)星和中心主站3部分。通信方案為智能電表采集電能等電量數(shù)據(jù)，并將電量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北斗短報文數(shù)據(jù)，利用北斗短報文板卡RD120-2W通過北斗衛(wèi)星鏈路發(fā)送到中心主站；中心主站的北斗用戶終端接收數(shù)據(jù)并傳送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將北斗短報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電量數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)一管理[3-4]。通信原理如圖1所示。

圖1 通信原理圖Fig.1 Principle diagram of communication

1.2 智能電表總體設(shè)計

智能電表結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)采用MSP430F149單片機為控制單元；三相電能計量芯片選用低功耗計量芯片MAXQ3180；以北斗通信板卡RD120-2W為核心的通信方式，由MSP430通過RS232控制；另外還有電源電路、存儲單元、時鐘芯片、鍵盤、液晶顯示器等外設(shè)，構(gòu)成一個能獨立完成各項功能和顯示的智能電表[5]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

2 智能電表的硬件設(shè)計

2.1 控制單元與電能計量芯片簡介

智能電表的控制單元選用了MSP430F149單片機。MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）開發(fā)的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（mixed signal processor）。MSP430系列單片機在電表的設(shè)計中具有應(yīng)用廣泛和資料豐富的優(yōu)點，MSP430F149單片機豐富的片上外圍模塊及其低功耗的特點非常適合智能電表的設(shè)計。

電能計量芯片選擇專用的電氣測量芯片MAXQ3180。MAXQ3180內(nèi)部集成8通道ADC，并利用DSP（數(shù)字信號處理器）對ADC采樣進行處理，采集并計算多相負載的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)和諧波等多種計量參數(shù)。為了快速讀取采集的電量參數(shù)，MAXQ3180設(shè)計了SPI總線。MSP430F149通過SPI總線監(jiān)測及配置MAXQ3180工作狀態(tài)，也可以通過SPI總線讀取預(yù)存在特殊寄存器的數(shù)據(jù)。SPI接口設(shè)計電路如圖2所示。

2.2 電源電路設(shè)計

電源電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路圖Fig.3 Diagram of power supply circuit

系統(tǒng)采用了變壓器加開關(guān)穩(wěn)壓器的電源電路。電網(wǎng)正常供電條件下，任意一相電壓經(jīng)過變壓器，橋式整流電路，濾波電路將220 V的交流電壓變?yōu)?2 V的直流電壓。其中濾波電路由100 μF/16 V的電解電容和0.1 μF的小電容構(gòu)成。由于北斗通信板卡RD120-2W在發(fā)射時電流會達到1.8 A，選擇最大輸出電流為3 A的開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576-5 V，得到+5 V的輸出電壓供RD120-2W板卡使用。與線性穩(wěn)壓器相比較，開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作，具有功耗低，散熱少，平均工作效率可達70%～90%的優(yōu)點。但是開關(guān)穩(wěn)壓器會產(chǎn)生諧波，噪聲的引入會降低電能計量芯片測量的精度。為了消除噪聲的影響，在設(shè)計電路時，要對給計量芯片MAXQ3180供電的模擬電源和地線進行相應(yīng)的濾波。經(jīng)LM1117穩(wěn)壓輸出的+3.3 V電壓供計量芯片MAXQ3180和單片機MSP430及周圍電路使用[6-7]。

2.3 RD120-2W電路設(shè)計

RD120-2W型板卡為北京東方聯(lián)星科技有限公司推出的一款支持北斗RDSS的結(jié)構(gòu)模塊，模塊內(nèi)部集成了 LNA、PA、變頻單元（RFIC）、基帶處理單元（BBIC）、RS232串口和藍牙模塊，可完整實現(xiàn)RDSS定位、北斗短報文功能。此板卡具有集成度高、功耗低、可靠性高的優(yōu)點，可以快速地應(yīng)用于各類北斗RDSS終端，縮短開發(fā)時間。

北斗短報文一次通信最大容量為120個漢字；板卡提供RS232串行輸入輸出接口，需要電平轉(zhuǎn)換才能與MSP430串口相連，默認波特率為115200b/s；板卡內(nèi)置LNA，接收信號頻率為S波段，實現(xiàn)對天線接收到的信號進行低噪聲放大，采用北斗無源收發(fā)天線即可；板卡提供了SIM卡接口，需要外接SIM卡卡座[8]。硬件電路如圖4所示。

圖4 RD120-2W硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit diagram of RD120-2W

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

軟件與硬件相配合，主要完成電能、功率、電壓、電流、功率因數(shù)的測量與顯示；通過按鍵可以讀取和顯示當前和歷史電量數(shù)據(jù)；通過北斗通信板卡RD120-2W實現(xiàn)遠程抄表。軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方案，主要包括：主程序、北斗通信子程序、電量計量子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、按鍵子程序和液晶顯示子程序的設(shè)計。除了中斷服務(wù)程序，其它子程序都是通過主程序調(diào)用的。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

3.2 北斗短報文通訊模塊設(shè)計

智能電表要將測得的電量數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星發(fā)送到中心主站的北斗用戶終端前，必須先將電量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北斗短信格式。北斗終端發(fā)送數(shù)據(jù)指令格式為：$TTCA，發(fā)信方ID，收信方地址，保密要求，回執(zhí)標志，電文長度，電文內(nèi)容，校驗和。電文內(nèi)容中的數(shù)字與字符用ASCII碼表示，漢字用GB2312碼表示，為保證信息的正確發(fā)送，電文內(nèi)容的長度不超過100個字節(jié)[9]。

系統(tǒng)上電時，首先要檢測IC卡是否已安裝，板卡RD120-2W首次捕獲時間為2s，選擇延時5 s發(fā)送一條確認短信；由于民用北斗衛(wèi)星SIM卡最快發(fā)送頻率為30 s，在信息發(fā)送失敗時，延時2 min重新發(fā)送，再次失敗后將數(shù)據(jù)存入存儲器；由于發(fā)射功率達到2 W，為了降低功耗，采用每24 h主動發(fā)送和有申請時被動發(fā)送的模式。北斗通信程序流程圖如圖6所示。

圖6 北斗通信流程圖Fig.6 Flow chart of Beidou communication

4 結(jié)語

本文論述了基于北斗短報文通訊的智能電表的硬件和軟件設(shè)計，通過《東方聯(lián)星北斗通信板卡測試軟件-民用協(xié)議V1.24版》測試，實現(xiàn)了電量數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受。通過利用北斗短報文通訊的功能，設(shè)計的智能電表能夠穩(wěn)定、安全可靠地傳輸信息，具有不受距離、地域限制的優(yōu)點，特別適合偏遠等普通信號無法覆蓋地區(qū)的遠程抄表。

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