基于GPRS無線模塊的數據集中器設計

黃海燕

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

基于GPRS無線模塊的數據集中器設計

黃海燕

（惠州中城電子科技有限公司，惠州 516006）

隨著3G/4G網絡的大面積覆蓋和無線技術的日益成熟，國家對智能電網的大力推進可以利用現有的GPRS網絡技術，基于GPRS網絡的無線抄表方式已逐步成為智能電網中對電表數據采集傳輸的主要發展趨勢。基于對智能電表的無線傳輸和自動抄表技術的研究，簡單介紹GPRS無線數據傳輸的特點，闡述集中器的電路模塊設計，簡單介紹集中器所采用的通信模塊和GPRS通信芯片的結構，詳細介紹GPRS通信流程以及整個通信網絡的物理層結構。實踐證明，基于GPRS無線模塊的數據集中器設計是可行的，它具有一站到基站，通信鏈路單一，無需重新組建網絡，通訊速度較快，且免于維護等優點。

GPRS無線模塊；集中器；無線抄表

0 引言

集中器的主要作用是連接下行電表終端或采集器進行數據采集，并將數據經過GPRS網絡傳輸給主站，或將主站下發的命令轉發給下行電表。集中器的GPRS模塊經過與GPRS網絡進行握手、認證、協商后，得到一個IP地址，集中器將采集到的數據進行提取、處理后，封裝到UDP或TCP數據包的數據域中，然后將UDP或TCP數據包嵌入到PPP中，最終在PPP鏈路上進行儀表數據傳輸。隨著3G/4G技術的日漸成熟和5G技術的到來，GPRS網絡幾乎已經覆蓋到全國各地，智能電網上無線抄表技術可直接使用現有的GPRS網絡，節約了大量搭建網絡所需的人力物力。因此，本項目在我司現有智能電表的基礎上設計一種GPRS通信模塊，不僅可依托現成的GPRS網絡，構建物聯網、互聯網絡，無需因地域的不同而進行改造，使得安裝施工比較簡易。且具備高效的傳輸速率，經多次試驗，可提供高達200kBit的抄表傳輸速率。該產品的GPRS通信模塊遵守國網要求的《電力用戶用電信息采集系統通信協議》中的第三部分--Q/GDW 376.3—2013《采集終端遠程通信模塊接口協議》，該協議規定了電力用戶用電信息采集終端遠程通信模塊的接口、功能要求，以及AT命令集。

1 系統設計

系統基于GPRS無線通信技術，主控芯片選型性能穩定可靠的STM32芯片,滿足對復雜環境下傳輸速率的要求。主要電路包括MCU控制電路、485通信電路、USB電路，紅外通信電路，計量電路，存儲電路，液晶顯示電路，電源電路和GPRS通信電路。通過485通信電路將下行電表或采集器的數據抄讀回來，然后將數據進行處理打包通過GPRS模塊電路將數據發送給綁定有固定IP地址和端口的主站。

2 GPRS電路工作原理及數據傳輸流程

2.1 芯片結構

GPRS模塊上的主芯片采用DP83848K，該芯片性能穩定，體積小，可嵌入到對體積要求較高的電路板上，它的寬溫度工作范圍也使該芯片在惡劣環境下也能正常工作，適合工業應用。具體內部結構圖如圖2。

2.2 GGPPRRSS通信原理

電表使用GPRS透明數據傳輸終端，通過移動的GPRS網絡與配電中心相連。集中器首先要與GPRS網絡進行握手通信，ol雙方先要進行LCP配置協商，協商成功后進行PAP/CHAP認證，認證通過后最后進行IPCP配置選項協商，協商通過后最終連接成功，GPRS終端獲得一個IP地址，GPRS終端使用該IP地址將數據包封裝好后通過PPP鏈路與主站進行通信。由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，因此監測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名，GPRS網絡鎖定主站的IP地址有兩種方式：1.通過動態域名，即時刷新檢測主機的動態IP得到當前時刻主機的IP地址，從而通過PPP鏈路進行通信；2.端口映射，通過查找主站系統局域網內連接外界ISP網絡的服務器IP地址，和主站系統所在電腦在內部局域網內對應的端口號來鎖定主站系統的電腦，最后通過PPP鏈路進行通信。抄表中一般是集中器讀取485串口數據，然后集中器MCU有另一個串口（通常是232）與GPRS模塊相連，MCU向232串口發送AT指令，指令中包含想用來做服務器的IP和端口，實質是通過移動中轉。服務器端必須有固定IP，使用TCP協議，SOCKET偵聽連接。電表集中器采集的數據經GPRS網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監控中心IP地址。

圖1 集中器結構圖

2

2.3 基于GGPPRRSS無線通信的數據傳輸流程

電表數據采集點：電表數據采集點位于居民小區的信息中心，居民用戶的用電數據由付費率電表首先通過RS-485接口通過雙絞線連接到位于小區信息中心的電能表集中器，電表集中器再通過RS-232接口與GPRS無線通信模塊相連。GPRS無線通信模塊先與GPRS網絡經過LCP、PAP/CHAP、IPCP三階段的協商建立PPP連接，獲取IP地址，再將TCP/IP數據包嵌入到PPP包中通過GPRS網絡訪問Internet，通過Internet網將數據傳給主站，實現電表數據和數據中心系統的實時在線連接，數據集中器可對電表參數進行采集、存儲、預處理或將采集到的電表數據實時傳送到配電中心；同時，數據集中器還可將配電中心發送的遙控指令傳給電表控制模塊，對電表進行控制操作。

圖2 GPRS通信芯片結構圖

圖3 GPRS通信流程圖

圖4 基于GPRS無線通信抄表的物理層組成圖

基于GPRS無線模塊的數據集中器由惠州中城電子科技有限公司研發制造，已經供應給河北電力局一萬臺安裝在河北省各個地區進行使用，目前反饋集中器對電表數據采集和GPRS無線傳輸效果非常理想,一是性能穩定，存儲量大，一臺集中器對于處理下行一千多臺電表的電量、事件等數據仍能可靠運行，二是升級方便，該系統可以在4G網絡覆蓋區很方便地進行遠程升級，無需人工到現場升級，甚至后期可隨網絡性能發展進一步升級更新，三是傳輸信號穩定，該集中器自2014年安裝運行到現在，通過GPRS無線傳輸的數據穩定性不會受到環境的影響。

3 結語

本文所設計的集中器可根據當地智能電表的通訊方式進行通訊模塊的拓展。現在國內許多地區，為簡化通信線路，大多采用載波通信的方式通過電力線傳輸信號，一些辦公區域采用ZigBee無線進行數據傳輸，為適應不同地區的多種通信方式，可以對集中器拓展增加載波通信，ZigBee無線通信等功能,應用前景十分廣泛。

[1]陳文榮.基于GPRS的儀表數據采集與監控系統[D].浙江大學學報，2005（2）：18-20.[2].

[2]李明.GPRS無線網絡技術在電力行業中的應用[R].電力行業信息化年會會議，2006.

Design of Data Concentrator Based on GPRS Wireless Module

HUANG Hai-yan
（Huizhou Midtown Electronic Technology Co.,Ltd.，Huizhou 516006）

With the development of wireless communication technology and computer network technology,especially the national strategy of smart grid,automatic meter reading based on wireless transmission has gradually become the main trend of meter reading of electronic energy me?ter.Based on the study of wireless transmission for smart meter and automatic meter reading technology,introduces the characteristics of GPRS wireless data transmission module,describes the circuit design of concentrator,introduces the structure of communication module and GPRS chip of the concentrator,introduces in detail the GPRS communication process and the structure of physical layer of communica?tion network.Practice has proved that the design of data concentrator based on GPRS wireless module is feasible.It has the advantages of one station to base station,single communication link,no need to re-organize network,fast communication,and easy to maintain.

1007-1423（2017）23-0072-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.017

黃海燕（1969-），女，廣東惠州人，大專，董事長，研究方向電能表行業的儀器儀表軟件、硬件開發

2017-07-20

2017-08-10

GPRS Wireless Module;Concentrator;GPRS