王 晶， 陶維靑

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

電力負(fù)荷管理系統(tǒng)是圍繞著需求側(cè)管理，集現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、電能計(jì)量技術(shù)和電力營(yíng)銷技術(shù)為一體的綜合性的實(shí)時(shí)信息采集與分析處理系統(tǒng)。系統(tǒng)由負(fù)荷管理中心站、通信信道、負(fù)荷管理終端3部分組成。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的少量數(shù)據(jù)的傳輸，也適用于大量的數(shù)據(jù)傳輸，并且GPRS是按數(shù)據(jù)流量收費(fèi)的。由于GPRS以上的特點(diǎn)，它非常適用于作為電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中管理中心主站和負(fù)荷管理終端之間的通信信道[1-3]。

1 MC55模塊簡(jiǎn)介

西門(mén)子公司的MC55模塊是目前最小的三頻GSM/GPRS模塊，具有很高的可靠性和易用性，適合在移動(dòng)終端中作無(wú)線通信模塊。MC55提供了RIL/MUX軟件包，同時(shí)內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中無(wú)需對(duì)模塊編寫(xiě)通信協(xié)議。MC55有50個(gè)引腳，按功能可以分為以下4個(gè)功能模塊:電源充電管理、雙非平衡的異步通訊端口(ASC0是8總線串口，ASC1是4總線串口)、雙音頻接口、SIM卡接口。MC55在單電源3.3～4.8 V下工作，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用鋰電池供電。同時(shí)MC55要求SIM卡符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)，在MC55和SIM卡之間共有6個(gè)引腳連接，為了保證EMC(電磁兼容性)MC55與SIM卡之間的距離不能超過(guò)20 cm，另外50根扁平適配線長(zhǎng)度也不能超過(guò)20 cm。MC55的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合ITUTRS232接口標(biāo)準(zhǔn)，它有固定的參數(shù):8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率為自適應(yīng)在0.3～230 kbps之間可選，硬件握手信號(hào)用RTS0/CTS0等;支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集[4]。

2 基于MC55的終端通信單元硬件設(shè)計(jì)

MC55模塊對(duì)外有2個(gè)通訊接口，一個(gè)通過(guò)RS232接口與負(fù)荷管理終端主控MCU連接，另一個(gè)利用GPRS模塊撥號(hào)登陸至GPRS網(wǎng)絡(luò)。2個(gè)接口之間采用數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)的透明機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。主站發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)天線進(jìn)入MC55模塊，經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議解析提取有用數(shù)據(jù)，根據(jù)電力通信規(guī)約重新組幀發(fā)給MCU，MCU響應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MC55模塊調(diào)制成GSM信號(hào)，通過(guò)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，以TCP/IP傳輸協(xié)議傳送至主站[4-6]。

本設(shè)計(jì)中以TI公司的DSP芯片TM S320F2812為負(fù)荷管理終端上的MCU，該芯片主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，中心主站命令的解析;MC55模塊完成無(wú)線上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能。具體硬件電路如圖1所示。

圖1 MC55接口硬件原理

DSP的通用I/O口GPIOD1引腳與MC55引腳VDD連接實(shí)現(xiàn)掉電異常檢測(cè)，模塊開(kāi)機(jī)時(shí)VDD輸出高電平，模塊關(guān)機(jī)VDD輸出低電平，通過(guò)監(jiān)測(cè)VDD引腳電平判斷模塊是否掉電，模塊掉電時(shí)重新啟動(dòng)。SYNC引腳提供脈寬600 ms占空比為1∶1及高電平脈寬75 ms、低電平脈寬3 s的時(shí)鐘信號(hào)控制LED1，反映MC55的工作狀態(tài)。如圖1所示，SYNC輸出高電平時(shí)三極NPN1導(dǎo)通，LED發(fā)光;SYNC輸出低電平時(shí)NPN1截止，LED熄滅。DSP通過(guò)RS232選擇時(shí)鐘信號(hào)，無(wú)信號(hào)或沒(méi)有插入SIM卡時(shí)，SYNC引腳輸出脈寬600ms占空比為1∶1的時(shí)鐘信號(hào)。LED均勻閃爍，登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)SYNC引腳輸出高電平脈寬75m s、低電平脈寬3 s的時(shí)鐘信號(hào)，LED長(zhǎng)滅短亮。MC55提供的SIM卡接口可直接驅(qū)動(dòng)SIM卡座，MC55的引腳CCIN為SIM卡檢測(cè)引腳，當(dāng)SIM卡座中插入SIM卡時(shí)，CCIN輸出高電平，MC55工作;拔出SIM卡時(shí)，CCIN輸出低電平，MC55關(guān)閉。CCIN引腳通過(guò)電平控制MCU的開(kāi)關(guān)，防止工作過(guò)程中拔出SIM時(shí)對(duì)MC55的損壞[4]。

MC55模塊的GSM內(nèi)核需由IGT引腳以預(yù)定的時(shí)序激活，才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，IGT引腳的啟動(dòng)時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 IGT引腳啟動(dòng)時(shí)序

首先IGT引腳保持高阻態(tài)，通過(guò)4.6 V直流電壓給MC55加電，當(dāng)BATT+引腳上的電壓超過(guò)+3 V，同時(shí)IGT引腳要比VDD的下降沿至少延遲達(dá)10 m s后，才操作IGT引腳;BATT+超過(guò)3 V并保持10 m s后，IGT變?yōu)榈碗娖角蚁陆笛爻掷m(xù)時(shí)間不能超過(guò)1ms;將IGT引腳拉低的時(shí)間不少于100m s，同時(shí)應(yīng)保持BATT+引腳電平不低于3 V，這樣才能正常激活模塊。需要特別注意的是，MC55模塊啟動(dòng)后需要等待900m s才能正常使用串口[4]。

3 終端通信單元軟件的實(shí)現(xiàn)

MC55的數(shù)據(jù)傳輸模式和命令模式均是通過(guò)AT命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于MC55的操作主要包括2個(gè)步驟:一是GPRS連接服務(wù)的建立;二是進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸操作。根據(jù)這2個(gè)步驟在程序設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)的通信功能步驟化和模塊化，并使用實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制。先把GPRS功能函數(shù)和GPRS通信數(shù)據(jù)分開(kāi)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主函數(shù)每10ms調(diào)用一次GPRS功能函數(shù)，這個(gè)函數(shù)包括了GPRS上電初始化和AT命令撥號(hào)操作，并根據(jù)具體的任務(wù)標(biāo)志進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作;GPRS通信數(shù)據(jù)處理的任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w操作，如串口接收發(fā)送函數(shù)，GPRS模塊讀寫(xiě)操作函數(shù)以及具體的報(bào)文解析等，具體操作流程如圖3、圖4所示[7]。

MC55模塊在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中通信方式和任何通信相關(guān)的參數(shù)均是利用AT命令通過(guò)串口本地更改設(shè)置的，本設(shè)計(jì)中將終端控制MC55模塊上線設(shè)置的AT命令放入二維數(shù)組M odem-Command中。

其中socket通信主要完成終端歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、主站控制命令的傳輸，是整個(gè)GPRS通信的核心部分。為了進(jìn)行socket連接和數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計(jì)中定義了以下結(jié)構(gòu)體。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GPRS-DEV定義了MC55模塊任務(wù)狀態(tài)信息，例如WaitAckTime為等待響應(yīng)時(shí)間，單位為10m s，在發(fā)送AT命令后，每隔10m s減1，當(dāng)WaitAckTime為0時(shí)沒(méi)有收到應(yīng)答，則執(zhí)行AT命令重發(fā);ATIndex為所要發(fā)送AT命令的序號(hào)，即二維數(shù)組M odemCommand的行號(hào)，它的初始值為0;GprsWaitingAck為模塊應(yīng)答標(biāo)志，當(dāng)AT命令發(fā)送后，模塊正確回復(fù)時(shí)GprsWaitingAck置1;當(dāng)需要執(zhí)行GPRS模塊的復(fù)位操作，則置位GprsDev.Reset標(biāo)志，函數(shù)檢測(cè)該標(biāo)志，執(zhí)行GPRS模塊的初始化，重新上電和遠(yuǎn)方主機(jī)重新建立連接。

在發(fā)送報(bào)文的處理過(guò)程中，首先檢測(cè)各發(fā)送標(biāo)志，G prsDev.SATLgin置位發(fā)送登陸報(bào)文，GprsDev.SATHeat置位發(fā)送心跳報(bào)文，Gprs-Dev.SATCm d置位發(fā)送AT命令;然后組幀完成即GprsDev.FrameOK，將通訊規(guī)約的對(duì)應(yīng)報(bào)文通過(guò)GPRS發(fā)送到Internet計(jì)算機(jī)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體GPRS-BUF定義了GPRS通訊所使用的各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及報(bào)文大小。

DataOutBuf為GPRS發(fā)送緩沖區(qū)，DataIn-Len為發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，DataInBu f為GPRS接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，DataInLen為接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。收發(fā)數(shù)據(jù)采用電力負(fù)荷管理規(guī)約。

圖3 GPRS通信功能流程

圖4 GPRS通信數(shù)據(jù)處理流程

4 通信鏈路連接的維護(hù)機(jī)制

GPRS數(shù)據(jù)異常中斷是指在GPRS數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，由于通信鏈路受到外界干擾或通信鏈路某節(jié)點(diǎn)異常，導(dǎo)致整個(gè)通信鏈路的中斷，數(shù)據(jù)傳輸失敗。一般網(wǎng)絡(luò)附著因素是導(dǎo)致GPRS掉線的主要原因。當(dāng)GPRS終端長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有通信，PDP上下文狀態(tài)從ACTIVE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到STANABY，最后轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)，GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的GGSN和SGSN等設(shè)備刪除了GPRS終端的各種PDP上下文信息，下次有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能找到相關(guān)的傳遞信息，導(dǎo)致GPRS終端設(shè)備無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)，產(chǎn)生掉線。

本設(shè)計(jì)中解決GPRS網(wǎng)絡(luò)附著掉線的方法采用心跳包技術(shù)。在線心跳包技術(shù)原理是在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，周期性地主動(dòng)發(fā)送一些維護(hù)鏈路信息，觸發(fā)GGSN、SGSN、MS的等待定時(shí)器，使其定時(shí)期地回歸初始狀態(tài)，使GGSN、SGSN、MS的狀態(tài)保持激活狀態(tài)，維持GPRS數(shù)據(jù)傳輸通道的暢通。在電力傳輸規(guī)約中明確規(guī)定了心跳報(bào)文的格式。設(shè)計(jì)中采用終端每隔3 m in(時(shí)間可設(shè))向主站發(fā)送心跳報(bào)文，當(dāng)主站確認(rèn)終端在線時(shí)，發(fā)送心跳確認(rèn)報(bào)文。如果終端連續(xù)次沒(méi)有收到主站的心跳確認(rèn)信息，即做掉線處理，重新啟動(dòng)TCP連接。另外為防止程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，使用軟件看門(mén)狗監(jiān)測(cè)串口數(shù)據(jù)接收。設(shè)定串口接收數(shù)據(jù)的最大間隔時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)串口沒(méi)有接收到任何數(shù)據(jù)，進(jìn)行復(fù)位操作，MC55模塊斷電關(guān)機(jī)再重新開(kāi)機(jī)，以保證程序可靠運(yùn)行[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

GPRS通信為電力部門(mén)供配電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更為有效、經(jīng)濟(jì)的通信鏈路，使得管理的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程步入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段。本文介紹的基于MC55模塊的電力負(fù)荷終端的設(shè)計(jì)，具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和通信實(shí)時(shí)性，因而具有很好的應(yīng)用前景。

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