王險(xiǎn)峰 曲直 李蒙 韓冬

【摘要】 為了簡化現(xiàn)場工作流程，提高工作效率，根據(jù)多年現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了一款具備GPRS通信能力的、采用分體式設(shè)計(jì)的“用電信息采集現(xiàn)場手持設(shè)備”，用于智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)場管理、遠(yuǎn)程調(diào)試、故障診斷。

【關(guān)鍵詞】 GPRS 376.1通信規(guī)約 手持設(shè)備 嵌入式系統(tǒng)

Research on the design of the handheld device for electricityinformation collection that uses the application of GPRS communication Abstract：In order to simplify fieldwork process and improve work efficiency， based on years of field debugging experience， we developa "handheld device forelectricityinformation collection" thathas the GPRS communication ability and uses the split design method. It is designedfor the field management，remote debugging and fault diagnosis for the related products of electricityinformation collectionsystem for Smart Grid.

Key words： GPRS； 376.1 communication protocol； handheld device； embedded system

近年來符合國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)的智能電表和采集終端已大量安裝使用，而且已基本實(shí)現(xiàn)自動抄表。但在實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)臺區(qū)總會有少量電表不能自動采集數(shù)據(jù)，這就需要工程人員現(xiàn)場進(jìn)行故障排查。

作為必不可少的系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)設(shè)備之一，傳統(tǒng)的采用手持機(jī)+連接線+抄控盒的方式，不便于現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用和攜帶，且此套設(shè)備只能解決小部分問題，更多問題需要借助電腦以及專業(yè)軟件進(jìn)行分析解決。

此外，根據(jù)現(xiàn)場操作人員的需求調(diào)研：

（1）北方地區(qū)冬天操作要戴手套，用按鍵操作較方便，同時(shí)要能單手操作；

（2）屏幕不宜過大。因?yàn)樵撛O(shè)備往往與螺絲刀等電工用品放在一起，容易被尖銳物品損壞；

（3）抄表員年齡偏大，系統(tǒng)操作要求簡單容易理解；

（4）電池待機(jī)時(shí)間要長，同時(shí)電池要為可拆卸模式；

（5）掌機(jī)要能兼容其他載波廠家抄控器。

可見，實(shí)際操作中，對于便攜、簡單及續(xù)航要求較高，而界面的華麗、外觀的精巧反而要求不高。

針對以上需求，本文開發(fā)設(shè)計(jì)了一款具備GPRS通信能力的、采用分體式設(shè)計(jì)的用電信息采集設(shè)備。該設(shè)備能夠充分利用移動GPRS網(wǎng)絡(luò)，把辦公地點(diǎn)延伸到工作現(xiàn)場，使得現(xiàn)場人員能夠隨時(shí)隨地的調(diào)取服務(wù)器、現(xiàn)場終端和電表數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)提供現(xiàn)代化的手段。同時(shí)，該設(shè)備能夠用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場故障表計(jì)排查、臺區(qū)故障定位、主站失敗表計(jì)統(tǒng)計(jì)、表?xiàng)UGPS定位等功能。

一、 GPRS通信方式及其優(yōu)勢

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱[1]，是在現(xiàn)有的全球移動通信系統(tǒng)GSM（Global system for Mobile communication）基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[2]。

GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換話音業(yè)務(wù)信道極其相似[3]。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（BBS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。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、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

GPRS是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多用戶共享，資源被有效的利用。使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線并且數(shù)據(jù)按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本[4]。

GPRS 用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程抄表具有多方面的優(yōu)勢[5]：

（1）覆蓋范圍廣

GPRS在現(xiàn)有的GSM基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，可以使用戶數(shù)據(jù)終端方便、快速、低成本的遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)；

（2）永久在線

提供實(shí)時(shí)在線功能?！皩?shí)時(shí)在線”或“永久在線”即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，終端還一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，這將使訪問服務(wù)變得非常簡單、快速；

（3）快捷登陸

接入時(shí)間短，GPRS接入等待時(shí)間短、可快速建立連接、一般耗時(shí)為1到3秒；

（4）高速傳輸

同時(shí)使用8個(gè)時(shí)隙，數(shù)據(jù)傳輸速度最高理論值可達(dá)171.2kbps，是GSM網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速度的十幾倍，下一代GPRS業(yè)務(wù)的速度甚至可以達(dá)到384kbps，完全可以滿足應(yīng)用需求；

（5）按流量計(jì)費(fèi)

用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無線資源，計(jì)費(fèi)方式是按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，用戶即使在線，也不收費(fèi)；

（6）投入低廉

隨著移動通信的快速發(fā)展，GPRS終端的價(jià)格在很短的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)降到了可以接受的水平，相對于鋪設(shè)有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，成本不高。

通過GPRS通信方式，手持設(shè)備可以方便的連接主站采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的與主站交互數(shù)據(jù)。利用手持設(shè)備的GPRS模塊，現(xiàn)場人員能夠隨時(shí)隨地的調(diào)取采集主站、現(xiàn)場終端、以及電表的數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，打破工作地點(diǎn)固定的局限性，為現(xiàn)場的調(diào)試和維護(hù)提供了更加靈活便捷的方式。

二、 手持設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備的各項(xiàng)功能，對現(xiàn)有主流嵌入式開發(fā)平臺做了比較分析，最終選定利用高速ARM11做為主CPU，該芯片具有接口豐富，內(nèi)存大，運(yùn)行穩(wěn)定，開發(fā)簡單等特點(diǎn)，通過外圍電路的配合可達(dá)到預(yù)訂目標(biāo)。嵌入式操作系統(tǒng)選用工業(yè)上應(yīng)用較廣泛的Windows CE，應(yīng)用層采用嵌入式C#開發(fā)語言。

2.1 硬件部分

選用三星S3C6410處理器，基于ARM11架構(gòu)，該芯片大小為13x13mm，424管腳。

S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器，旨在提供一個(gè)具有成本效益、功耗低、性能高的應(yīng)用處理器解決方案。S3C6410采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，該64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)由AXI、AHB和APB總線組成。它還包括許多強(qiáng)大的硬件加速器，像視頻處理、音頻處理、二維圖形、顯示操作和縮放。

S3C6410有一個(gè)優(yōu)化的接口連線到外部存儲器。存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口、 DRAM和FLASH /ROM/ DRAM端口。 DRAM的端口可以配置為支持移動DDR、DDR、移動SDRAM和SDRAM。FLASH/ROM/DRAM端口支持NOR-FLASH、NAND-FLASH、ONENAND、CF、ROM類型外部存儲器和移動DDR、DDR、移動SDRAM和SDRAM。

為減少系統(tǒng)總成本和提高整體功能，S3C6410包括許多硬件外設(shè)，如一個(gè)相機(jī)接口，TFT 24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器（電源管理等），4通道UART，32通道DMA，4通道定時(shí)器，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設(shè)備，在高速（480 MB/S）時(shí)USB OTG操作，SD主設(shè)備和高速多媒體卡接口、用于產(chǎn)生時(shí)鐘的PLL。

2.2 軟件部分

Windows CE是微軟公司推出的一個(gè)為多種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的緊湊、高效、可升級的嵌入式操縱系統(tǒng)。具有搶先式多任務(wù)功能、良好的實(shí)時(shí)性能、強(qiáng)大的通信能力、出色的圖形用戶界面。它還有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（Heap）等。其模塊化和可伸縮性設(shè)計(jì)使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者和應(yīng)用程序開發(fā)者能夠根據(jù)多種不同產(chǎn)品進(jìn)行定制。例如，用戶電子設(shè)備、專用工業(yè)控制器以及嵌入式通信設(shè)備等。Windows CE已支持廣泛的微處理器體系結(jié)構(gòu)，包括ARM、MIPS、SHx和x86四大系列CPU架構(gòu)及超過200種品牌的CPU。

C#是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，主要用于開發(fā)可以在.NET平臺上運(yùn)行的應(yīng)用程序，C#是從C和C++派生出來的一種簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蠛皖愋桶踩木幊陶Z言，其語言體系都構(gòu)建在.NET框架上，并且能夠和.NET框架完美結(jié)合。C#具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：

（1）語法簡單：不允許直接操作內(nèi)存，去掉了指針操作；

（2）徹底的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)：C#具有面向?qū)ο笳Z言所應(yīng)有的一切特征，即：封裝、繼承和多態(tài)；

（3）強(qiáng)大的安全機(jī)制：可以消除軟件開發(fā)中的常見錯(cuò)誤（如語法錯(cuò)誤），提供的垃圾回收器能夠幫助開發(fā)者有效的管理內(nèi)存資源；

（4）完善的錯(cuò)誤、異常處理機(jī)制：C#提供了完善的錯(cuò)誤和異常處理機(jī)制，使程序在應(yīng)用交互時(shí)能夠更加強(qiáng)壯。

因此，本文手持設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)選用工業(yè)上應(yīng)用較廣泛的Windows CE，應(yīng)用層采用嵌入式C#開發(fā)語言。

3 手持設(shè)備功能及技術(shù)特點(diǎn)

針對現(xiàn)場的功能需求，設(shè)計(jì)的手持設(shè)備具有如下功能：

（1）分離式設(shè)計(jì)：抄控器板與主板分離，便于能夠兼容其他載波廠家方案；

（2）抄控器模塊：用于低壓電力線載波抄表；

（3）GPRS模塊：用于進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)、網(wǎng)絡(luò)連接；

（4）GPS模塊：用于進(jìn)行表?xiàng)U、表計(jì)位置定位；

（5）藍(lán)牙模塊：用于無線連接終端調(diào)試；

RS232模塊：用于與集中器串口通信；

（6）USB模塊：用于可插拔優(yōu)盤；

（7）紅外模塊：用于紅外通信；

（8）Micro-SD卡：用于數(shù)據(jù)存儲；

（9）電源模塊：用于整個(gè)終端設(shè)備供電。

手持設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的原理框圖如下：

手持設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）電能表故障診斷，可現(xiàn)場通過紅外、RS485、載波等方式和電能表進(jìn)行通信，快速診斷電能表故障。

（2）GPRS通信故障診斷，可通過本機(jī)診斷GPRS通信模塊的常見故障。

（3）數(shù)據(jù)交互功能，本機(jī)可通過Web Service接口或中間數(shù)據(jù)庫和主站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（4）多載波一體化，各種載波方案抄控器模塊可直接插入本機(jī)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，載波接口為標(biāo)準(zhǔn)的單相智能電表載波模塊接口。

（5）掃描功能，可選配Symbol激光掃描模塊，實(shí)現(xiàn)一維碼掃描。

（6）定制功能，本機(jī)是一個(gè)開放Windows CE平臺，具備常見的各種通信接口，以及豐富的內(nèi)存（128MBytes）、FLASH空間（256Mbytes NandFlash，2-32G SD卡）。

四、總結(jié)

隨著國網(wǎng)公司對采集質(zhì)量的不斷提高，各局對后期維護(hù)的需求急劇增加，局里采集人員對應(yīng)用簡單、界面友好的手持設(shè)備用以解決現(xiàn)場問題有著極大的需求。在此背景下，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用GPRS通信方式的、采用分體式設(shè)計(jì)的用電信息采集現(xiàn)場手持設(shè)備。該設(shè)備能夠充分利用移動的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，把工作地點(diǎn)延伸到現(xiàn)場，使得現(xiàn)場維護(hù)人員能夠方便的獲取主站采集系統(tǒng)、現(xiàn)場終端、以及電表的數(shù)據(jù)，極大地簡化了后期維護(hù)的工作流程，提高了工作效率。并且該手持設(shè)備還能夠用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場故障表計(jì)排查、臺區(qū)故障定位、主站失敗表計(jì)統(tǒng)計(jì)、表?xiàng)UGPS定位等功能設(shè)計(jì)需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]R. J. BudBates.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)用.朱洪波等譯.北京：人民郵電出版社，2004： 105-130

[2] 李惠宇，羅小莉，于盛林. 一種基于GPRS的配電自動化系統(tǒng)方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2003， 27（24）： 63 - 66.

[3] Cai J. General Packet Service in GSM[J]. IEEE Communication，1997，122-131

[4] 文志成. 通用分組無線業(yè)務(wù)-----GPRS. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 包東智，趙勁松，夏軍.GPRS技術(shù)概述.電信網(wǎng)技術(shù)[J].2001（6）：4-6