臧 峰 王江偉 趙 剛 陳 俊

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

基于GPRS的無線采集終端開發(fā)

臧 峰 王江偉 趙 剛 陳 俊

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

分散區(qū)域數(shù)據(jù)采集具有效率低、實時性差等缺點，因此設(shè)計了一種基于GPRS的數(shù)據(jù)采集控制終端。采用Freescale公司的MCF5213為核心處理器，結(jié)合華為公司的EM310無線發(fā)送模塊,設(shè)計了無線采集終端的硬件結(jié)構(gòu)。依據(jù)多狀態(tài)、多任務(wù)的軟件設(shè)計思想，詳細(xì)闡述了GPRS的工作流程和對下數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能。

GPRS 無線 MCF5213 EM310 數(shù)據(jù)采集 監(jiān)控

0 引言

近幾年我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn),監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為重要[1]。作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要組成部分，電力抄表系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)代產(chǎn)品的發(fā)展。目前，我國應(yīng)用較多的幾種抄表系統(tǒng)通信方式有：專用數(shù)據(jù)通信線路、電力線載波和無線通信方式[2]?，F(xiàn)在普遍采用GPRS通信和Internet TCP/IP的傳輸[3]實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線抄表功能。構(gòu)建低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)電力用戶用電信息自動采集，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分[4]。

基于GPRS和單片機(jī)的電力監(jiān)測儀表是實時在線電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分[5]。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[6]介紹了GPRS在智能監(jiān)控數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[2]介紹了GPRS在無線抄表中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[7]介紹了GPRS在民用電中反竊電的作用。本文介紹的無線采集終端集成了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能和無線抄表功能，并對文獻(xiàn)[2]中無線抄表功能進(jìn)行了擴(kuò)展，通過配置文件支持3種智能電表數(shù)據(jù)的采集。同時，該終端具有流量計算功能，適用于鋼鐵、石油、煤炭等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，減少了儀表的采購與安裝，降低了企業(yè)的運行成本。

1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計的無線采集終端是集成遠(yuǎn)距離采集和通信功能開發(fā)的一種終端裝置。該裝置用于采集現(xiàn)場的開入信號、4～20 mA信號，并支持通過RS- 485通信方式采集Modbus、DLT645和威勝電度表協(xié)議的智能儀表信號。經(jīng)過規(guī)約轉(zhuǎn)換后，通過廣泛使用的GPRS，使用CDT規(guī)約與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，同時可以接收數(shù)據(jù)中心的遙控命令，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)不僅具有覆蓋面廣、可靠性高、組網(wǎng)簡單和按量收費等優(yōu)點，且GPRS通信模塊具有動態(tài)分配IP地址的功能，可與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)直接互通，有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率和通信流量，特別適合分散、大批數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時檢測的場合。GPRS通信模塊通過GPRS網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由數(shù)據(jù)中心的上位機(jī)負(fù)責(zé)接收，從而實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測。

系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于以下場合：

① 大型工礦企業(yè)、大型鋼鐵企業(yè)的水、電、汽計量采集；

② 市政供暖管網(wǎng)計量、控制；

③ 水文、氣象等環(huán)保領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集；

④ 市政泵站、路燈等數(shù)據(jù)的采集和控制。

本文設(shè)計的無線采集終端集成了現(xiàn)在廣泛使用的智能電表通信協(xié)議。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計由輸入電路和輸出電路兩部分組成。輸入電路由電源回路、開入信號、4～20 mA輸入和時鐘信號等組成。輸出電路包括燈控驅(qū)動電路、出口驅(qū)動電路和串口驅(qū)動電路。其中，燈控驅(qū)動電路驅(qū)動信號指示燈；出口驅(qū)動電路驅(qū)動輸出繼電器；串口驅(qū)動電路分成3路UART信號，分別用于調(diào)試接口、GPRS模塊和外部智能電表進(jìn)行通信。

輸入電路和輸出電路都與主控芯片MCF5213進(jìn)行通信。程序根據(jù)輸入信號和邏輯判斷進(jìn)行相應(yīng)輸出信號的處理。

主控芯片MCF5213和GPRS模塊的設(shè)計是本文設(shè)計的無線采集終端硬件的核心。

2.1 主控芯片

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the hardware

MCF5213是Freescale半導(dǎo)體公司Coldfire系列嵌入式微處理器中一款低成本、低功耗的32位芯片。它作為主控制器MCU，具有3個UART接口、256 kB嵌入式閃存、32 kB的靜態(tài)RAM和A/D轉(zhuǎn)換功能，最高頻率達(dá)到80 MHz。由于MCF5213具有豐富的外圍接口和低廉的價格，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。3個UART接口可以設(shè)計成調(diào)試接口、與GPRS通信接口和與智能電表通信接口。A/D轉(zhuǎn)換功能用于采集4～20 mA信號，256 kB嵌入式閃存可以用于存儲運行代碼和配置文件。因此，本文采用MCF5213作為主控芯片實現(xiàn)與GPRS模塊和智能電表的通信。

2.2 GPRS模塊

GPRS模塊是無線采集終端的核心模塊，完成所有GPRS接入連接和通信的功能[8]。本系統(tǒng)采用的是華為公司推出的EM310模塊。該模塊為用戶提供了完備的用戶接口，只需要調(diào)用這些接口就可以把GPRS通信功能集成到自己的系統(tǒng)應(yīng)用中。EM310模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，通過這個接口可以實現(xiàn)串行通信和AT指令的輸入。

3 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的無線采集終端實現(xiàn)了現(xiàn)場開入信號、4～20 mA信號采集，同時實現(xiàn)了與現(xiàn)場各種智能儀表的RS- 485通信，完成規(guī)約轉(zhuǎn)換技術(shù)及轉(zhuǎn)發(fā)功能。

為了方便各個模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，定義了一個全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)用于存放通過通信模塊、數(shù)據(jù)接口采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)提供給GPRS模塊。無線采集終端對下通信模塊支持Modbus、DLT645和威勝協(xié)議。通過配置工具可以實現(xiàn)對這三種協(xié)議數(shù)據(jù)采集功能的詳細(xì)配置，并根據(jù)配置將采集到的數(shù)據(jù)存儲到全局變量區(qū)中,供GPRS模塊使用。對上支持CDT通信規(guī)約，可以通過配置軟件選擇不同規(guī)約。為了減少配置復(fù)雜度，對上規(guī)約模塊采用免配置方式，采用默認(rèn)的規(guī)約配置上送數(shù)據(jù)。

3.1 GPRS軟件設(shè)計

GPRS通信是通過AT指令來實現(xiàn)的。AT指令集是從終端設(shè)備向終端適配器發(fā)送的。終端設(shè)備通過串口操作發(fā)送的都是以“AT”為開頭的AT指令字符串[9]，通過發(fā)送AT指令與移動GPRS網(wǎng)絡(luò)交互，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和數(shù)據(jù)的傳輸。

本系統(tǒng)主要的設(shè)置工作如下。

① 查詢無線發(fā)送模塊狀態(tài)：AT+CPAS。

② 查詢SIM卡狀態(tài): AT%TSIM。

③ 查詢GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài): AT+CGREG。

④ 設(shè)置接入點網(wǎng)關(guān)：AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"，此命令設(shè)置GPRS接入點網(wǎng)關(guān)為移動夢網(wǎng)。

⑤ 無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能：AT%IPSEND。通過此功能可以把無線采集終端對下接收的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

GPRS模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，當(dāng)無線采集終端需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，GPRS模塊把這些數(shù)據(jù)打包成TCP/IP協(xié)議包，然后將其分裝為GPRS分組數(shù)據(jù)包并發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。此外，GPRS模塊還可以接收從數(shù)據(jù)中心發(fā)送的控制命令，通過RS-232接口把這些命令傳輸?shù)娇刂颇K。

GPRS程序主要完成采集終端的硬件狀態(tài)監(jiān)測、GPRS網(wǎng)絡(luò)的初始化、與控制模塊的數(shù)據(jù)傳輸和與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。GPRS工作流程圖如圖3所示。

圖3 GPRS工作流程圖Fig.3 Operation process of GPRS

3.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計

無線采集終端具有網(wǎng)關(guān)功能和流量計算功能，能夠采集8路開入、2路4～20 mA輸入，并將數(shù)據(jù)存儲至全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，同時接收遙控數(shù)據(jù)，動作輸出繼電器。

① 網(wǎng)關(guān)功能

無線采集終端具有網(wǎng)關(guān)功能，對下支持Modbus、DLT645和威勝智能電表協(xié)議。通過配置工具，可以實現(xiàn)對這三種協(xié)議數(shù)據(jù)采集功能的詳細(xì)配置，并根據(jù)配置將采集到的數(shù)據(jù)存儲到全局變量區(qū)中，供GPRS模塊使用。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flowchart of data acquisition

② 流量計算功能

無線采集終端具有2路4～20 mA信號輸入，可以用于渦街、渦輪、電磁等類型流量計通過4～20 mA變送輸入的流量計算。其中，體積流量公式為：

Qv=RvIv

(1)

質(zhì)量流量公式為：

Qm=ρ1Qv

(2)

式中：Iv為輸入信號，mA；Rv為體積流量量程，即20 mA滿量程對應(yīng)的采集量；ρ1為工況密度，kg/m3。

累加算法：

Y(t)=Y(t-1)+K[Q(t)+Q(t-1)]T/2

(3)

式中：Q(t)為瞬時流量；Q(t-1)為上一時刻的瞬時流量，m3/h；Y(t)為累計流量；Y(t-1)為上一時刻的累計流量，m3；T為采樣周期，默認(rèn)0.5s；K為累計系數(shù)，默認(rèn)為3 600。

4 結(jié)束語

采用基于GPRS無線采集終端進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制，既便利又節(jié)省了成本。系統(tǒng)集成了網(wǎng)關(guān)功能，能夠采集智能電表數(shù)據(jù)，具有遠(yuǎn)程抄表功能。依據(jù)本文方案開發(fā)的無線采集裝置已在山東某項目中裝配了三百多臺，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，大大減少了人力抄表的成本和時間，而且數(shù)據(jù)可以集中管理和存儲，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 甘家錦,李澤滔.基于GPRS的無線智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].云南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2009,31(S2):317-320.

[2] 韓曉萍,邵宏強(qiáng)，李佰園.GPRS技術(shù)在電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測量與儀器學(xué)報，2005,19(4)：81-84.

[3] 楊梅,李康,孔凡敏，等.基于GPRS通信的配電網(wǎng)無功功率自動測控系統(tǒng)[J].自動化儀表,2009，11(30):29-33.

[4] 陳曉娟,李松寒，隋吉生.基于PFC和GPRS的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表,2012,33(11)：48-50.

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[9] Chen Yuan，Zhang Jing，Huang Lifeng.Study on dangerous goods logistics model based on RFID and GPRS[J].Packaging Engineering，2008，30(5):24-26.

Development of the Wireless Data Acquisition System Based on GPRS

Dispersed regional data acquisition features low efficiency and poor real time performance, thus the data acquisition and control terminal based on GPRS has been designed. The MCF5213 from Freescale is adopted as the core processor; the hardware structure of wireless acquisition terminal is designed combining with the wireless transmission module EM310 from Huawei. On the basis of software design concept of multi-state and multi-task, the operational process of GPRS and the data acquisition monitoring functions are described in detail.

GPRS Wireless MCF5213 EM310 Data acquisition Monitoring

臧峰(1983-)，男，2011年畢業(yè)于清華大學(xué)自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品研發(fā)工作。

TP368+.2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506016

修改稿收到日期：2014-09-28。