DTU通訊模塊在無線智能計量鎖中的開發與應用

區健華，梁世昌，葉發新，梁健文

（1.廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000；2.江門市大光明電力設備廠有限公司，廣東江門 529000）

0 引言

當前，電力公司設備盜竊案件猖獗，竊電現象屢禁不止，財產損失嚴重。由于電力公司計量箱長期使用的機械統開鎖具存在明顯的缺陷，而且多年來對電力計量箱的管理也比較薄弱[1]。計量箱主要依靠一把鎖來看護，傳統鎖具防盜安全系數低、易被破壞。設備的損毀和防竊電工作依靠外勤人員的發現或用電檢查人員的巡查，工作量大，收效甚微。針對計量箱鎖管理存在的不足，國內外已有部分公司相繼開展智能鎖的研究，其工作過程是由智能鑰匙從系統管理軟件中下載授權密鑰，檢查人員攜帶已授權的智能鑰匙到指定的計量箱進行開啟計量鎖檢查相關的設備設施，其工作繁瑣，效率低。

1 總體方案設計

本文基于DTU通訊模塊，設計并開發了一種無線智能計量鎖的控制電路，針對計量箱的鎖具、門的開啟狀態進行信息化管理及實時監測。智能鎖在箱門正常鎖閉的狀態下，每隔一定的時間自動通過DTU通訊模塊，經過GPRS網絡向后臺服務器發送一個自檢狀態信號。系統接受到該信號后，將根據信號判定該智能鎖是否處于正常狀態。當有稽查任務時，系統將對該任務執行人員的智能鑰匙進行授權。工作人員必須使用得到授權的智能鑰匙才能正確開啟任務涉及的智能鎖。當存在工作人員使用無授權的鑰匙，或智能鎖沒有得到系統的授權，或智能鎖遭到非法開啟、計量箱門非法打開，或系統無法得到智能鎖發送的安全狀態信號等情況，系統將報警，并通知相應管理人員進行跟進處理。

1.1 DTU簡介

DTU是無線數傳終端（Data Transfer Unit）的簡稱，可以把傳感器/流量計/PLC/單片機等串口（RS232/RS485/TTL）設備采集的數據，通過GPRS通訊網絡將數據發送到指定的服務器（數據采集平臺/數據監控平臺等），服務器接收到數據可以進行進行分析、處理、顯示、保存等操作，同時也可以通過DTU發送一些信息給遠端的串口設備，去執行指定動作。

DTU的功能就是讓用戶的串口設備通過DTU來以GPRS無線通訊的方式連接到用戶監控電腦或服務器上，實現遠程串口的改造。

GPRS無線通信網絡的優點就是支持GPRS終端設備永久在線，因此典型的GPRSDTU在設計上都支持永久在線功能[2]，這就要求DTU包含上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線（當長時間沒有數據通信時，移動網關將斷開DTU與中心的連接，心跳包就是DTU與數據中心在連接被斷開之前發送一個小數據包，以保持連接不被斷開）、支持斷線自動重連、自動重撥號等特點。在交通、環境（保）監控、氣象監測、水、電、煤氣遠程監控或無線自動抄表、輸油/氣管道、油/氣井/臺監控、無線POS及其他遠程無線數據采集、傳輸系統、管網監控、金融、證券等行業部門，以及LED顯示屏信息傳輸等場合都有廣泛應用[3]。

1.2 GPRS DTU模塊方案

USR-GPRS232-7S2是一款串口轉GPRS無線模塊，它采用MTK工業級嵌入式處理器，內嵌TCP/IP協議棧，提供標準TTL數據接口，工作頻率GSM/GPRS850/900/1 800/1 900 MHz，四頻模塊全球通用，可以方便地連接設備，實現數據的全透明傳輸。該模塊支持遠程短信設置模塊參數（短信設置參數支持密碼驗證，防止非法用戶設置參數及垃圾短信干擾），支持遠程服務器端設置參數（網絡AT指令設置參數，可以開啟/關閉此功能）；支持多種工作模式，方便用戶靈活使用（數據透傳模式/AT指令模式/有人串口命令模式/HTTPD CLIENT“GET”模式/短信透傳模式等）。該模塊在智能鎖中可以達到實時監控、遠程管理等目的。

1.3 組網方案

在服務器端和DTU模塊之間建立TCP連接。TCP（Transmission Control Protocol傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，由IETF的RFC 793定義。在簡化的計算機網絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能。TCP是因特網中的傳輸層協議，使用三次握手協議建立連接，如圖1所示。當主動方發出SYN連接請求后，等待對方回答SYN+ACK，并最終對對方的SYN執行ACK確認。這種建立連接的方法可以防止產生錯誤的連接，保證通訊的安全可靠。

圖1 TCP三次握手協議

服務器接入互聯網，并配置靜態公網IP，首先以TCPServer身份開始偵聽指定端口。DTU模塊（客戶端）以TCPClient身份向該IP端口發起連接請求，經過三次握手協議后建立TCP連接。當DTU模塊與服務器成功連接后，將定時向服務器發送智能鎖自檢狀態信號。服務器根據接受到的信號可判斷智能鎖是否處于正常工作狀態。當智能鎖需要開啟時，由服務器端通過該TCP連接，向DTU模塊發送開鎖信號。DTU模塊接受到開鎖信號后，通過智能鎖控制電路，開啟智能鎖。系統網絡結構圖如圖2所示。

1.4 硬件設計方案

控制電路組成如圖3所示。

單片機：智能鎖控制模塊的主控芯片。

圖2 系統網絡結構圖

GPRSDTU模塊：該模塊為GPRS通訊模塊，主要用于接收與發送信號至后臺服務器。

圖3 控制電路組成

接近開關1：該開關安裝在計量箱門上，主要用于監控箱門開啟與關閉狀態。

接近開關2：該開關安裝在智能鎖鎖體上，主要用于智能鎖的開啟與關閉狀態。

電磁鐵：電磁鐵主要用于控制智能鎖的開啟與閉合。當主控芯片接收到后臺服務器的開啟信號后，使電磁鐵通電5秒鐘后斷開，從而使智能鎖開啟。

電源：控制模塊的供電部分包含三個子模塊：（1）供電模塊，主要將220 V交流電或100 V交流電轉換成控制模塊可使用的電源；（2）電池模塊，主要用于當外接交流電停電時，用于保持控制模塊的電路供電；（3）外接電源，主要用于當外接交流電停電，內部電池電量耗盡時，通過充電接口，外接移動電源進行臨時供電。

2 DTU模塊電路設計

如圖4所示，模塊11、12、13、14、16五個引腳為供電。其中，11、12引腳接地，用于信號地/供電源地/負極；13、14腳為5～18 V供電時的源正極。本設計采用15 V電源，13、14兩腳用于向模塊提供電源；16腳VCAP，供電時此腳需接一個旁路電容以穩定模塊工作電壓。

3 內嵌程序設計

3.1 工作流程設計

（1）開鎖流程

由后臺服務器根據開鎖任務授權情況，判斷智能鎖是否正確。如正確則直接向該智能鎖DTU模塊發送加密的開鎖信息。智能鎖接收到開鎖信息后，按照特定算法進行解密。如解密信息正確，則打開智能鎖。外勤工作人員則可開啟計量箱門進行外勤作業。完成外勤作業后關閉箱門，閉合智能鎖，則完成整個開鎖流程。開鎖流程如圖5所示。

圖4 DTU模塊電路設計

圖5 開鎖流程圖

（2）監控流程

無線智能計量鎖每隔一定時間，自動對電源、智能鎖、箱柜門狀態進行自檢，并通過DTU模塊將自檢信息加密后發送至后臺服務器。后臺服務器接受到信息后，對信息進行解密。如發現異常狀態信息，則立即通知管理員進行處理。后臺管理系統可實時顯示所有智能鎖的狀態。監控流程如圖6所示。

3.2 主要程序設計

（1）自檢信息發送的程序設計

自檢信息發送的設計，首先取得各部件的自檢狀態，包括鎖具的唯一ID編號、鎖具開啟狀態、箱門開啟狀態等。然后再將各部件的自檢狀態統一編碼后通過DTU的串口透傳功能發送至后臺服務器中。

圖6 監控流程圖

4 結束語

本文設計了基于DTU通訊模塊的無線智能計量鎖控制電路，DTU模塊專門負責通信功能。這樣處理的最大好處是提高了智能鎖內部單片機的數據處理能力和工作效率。在實際應用上，該控制電路能有效對計量箱的鎖具、門的開啟狀態等進行信息化管理及實時監測。有效防止和杜絕偷漏電現象的發生，提高用電檢查的效率，降低用電檢查工作人員的勞動量，提高設備運行的安全性、經濟性。

［1］姚亮.電力企業計量箱智能報警系統［J］.電力系統通信，2011（08）：55-57.

［2］劉月新.世紀星：輕松串聯Internet巧妙實現無線傳輸［J］.自動化技術與應用，2010（08）：135-137.

［3］趙忠彪.DTU與DSC之間通信協議研究［J］.許昌學院學報，2014（02）：82-85.