高淑芝， 曹 萌

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

隨著科技的快速進(jìn)步、數(shù)字遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)科技的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)已成為發(fā)展的必然趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴(kuò)大.國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究起步比國外稍晚，大約在20世紀(jì)80年代末開始.但是目前我國這方面的技術(shù)和國外已經(jīng)不相上下.由于我國電網(wǎng)覆蓋面積大，地理環(huán)境差異大，采用單一的遠(yuǎn)程通信不能達(dá)到目的，所以，研究難度比較大，從而導(dǎo)致我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展較慢，同時也限制了我國遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)在各地方的應(yīng)用.然而國外在20世紀(jì)90年代末以后，有關(guān)自動水電表技術(shù)項(xiàng)目不斷增加，安裝用戶不斷增多，給水電表制造公司帶來了意想不到的收入.迄今為止，遠(yuǎn)程電表技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有了很大的飛躍.如今許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都廣泛采用遠(yuǎn)程電表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電表.目前遠(yuǎn)程電表通信方案主要是有線通信和無線通信.例如：電力載波抄表、寬帶網(wǎng)絡(luò)、ADSL、手機(jī)短信，還有目前發(fā)展較快的GPRS抄表[1].基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景.

對于水、電、氣3表的系統(tǒng)設(shè)計中采集信息數(shù)據(jù)的原理大同小異，都是利用終端進(jìn)行3表數(shù)據(jù)的采集，通過傳輸通道把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，即手機(jī)、PC.而且水、電、氣3表采集中電表的研究比較受重視，所以，本文重點(diǎn)設(shè)計遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng).

基于GPRS系統(tǒng)實(shí)行的是電表自動采集，可以大大地減少抄表人員的數(shù)量和勞動強(qiáng)度，減少人力抄表所導(dǎo)致的誤差，提高準(zhǔn)確度，降低成本.當(dāng)需要數(shù)據(jù)時只需在電腦、手機(jī)等上位機(jī)上觸動相應(yīng)的按鈕，用戶最新用電數(shù)據(jù)和用電總和就會在顯示屏幕上清晰快速地顯示出來.

1 遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)通信方式的設(shè)計

通信是信息的傳遞，其目的是使消息進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸與交換.在遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，通信方式的確定關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸性能，是遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的核心部分.系統(tǒng)在電表與終端之間采用下行通信方式，主要是RS485通信方式；而在終端與上位機(jī)之間采用的主要是上行通信方式，即GPRS遠(yuǎn)程無線通信.

1.1 上行通信方式——GPRS遠(yuǎn)程無線通信

上行通信是指上位機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換.其主要特點(diǎn)是傳輸容量大、距離遠(yuǎn)、速率快等.上行通信主要包括電力載波通信、電話網(wǎng)通信、電纜通信、光纜通信、GSM無線通信、GPRS網(wǎng)絡(luò)無線通信及目前較為先進(jìn)的4G網(wǎng)絡(luò)無線通信.本文運(yùn)用的是GPRS網(wǎng)絡(luò)無線通信.

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service)的簡稱，其中G是一種數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù).采用這種通信方式，可以把數(shù)據(jù)終端采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接到Internet網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信[2].這樣價格便宜，而且傳輸速率也很高，并且能夠?qū)崟r在線遠(yuǎn)程控制采集終端的數(shù)據(jù).

1.2 下行通信方式——RS485通信

下行通信是指表與數(shù)據(jù)終端連接的通信.在下行通信中不需要較遠(yuǎn)的傳輸距離，但需要具有一條通信線路上邊可以連接多個節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)(即可以掛載更多的表).目前，市場上采用的下行通信方式主要有RS232總線、RS485總線、藍(lán)牙通信、ZigBee無線通信等.本文使用的下行通信方式是RS485總線通信[3].

RS485總線通信中有兩線制和四線制兩種接線方式.RS485總線通信的四線制接線方式原理上采用的是點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，這種方式一般在實(shí)際應(yīng)用中采用的相當(dāng)少，大多采用的是兩線制接線方式.兩線制在接線方式中采用的是總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，即在同一條總線上可以掛載32個節(jié)點(diǎn)，這樣的下行方式連接的用戶更多.在RS485總線通信網(wǎng)絡(luò)中兩線制接線方式一般采用的是主從通信方式，即一個主機(jī)可以帶多個從機(jī)工作.這樣的通信方式傳輸速率較高，達(dá)到10Mbps，抗干擾性更好，傳輸距離更遠(yuǎn).但它構(gòu)成的主從模式通信方式只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時性較差，同時隨著距離的增加，通信速率降低.但是，這些缺點(diǎn)用在抄表系統(tǒng)下行通信中是可以適當(dāng)避免的.

2 GPRS遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)采用RS485電表加數(shù)據(jù)終端采集，完成電能計量、電壓和功率測量等，根據(jù)設(shè)置的要求定時或隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.數(shù)據(jù)終端接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī).上位機(jī)也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)終端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與監(jiān)測.這可以大大減少電力部門的勞動力和財力的輸出[5]，并為電力公司更好地提高管理水平提供技術(shù)支持.

2.2 控制器的選擇

控制器是設(shè)計的核心部分.控制器采用的是速度快、性能高的STM32.

2.3 電能表的選擇

電能表選用了市場上使用最多的RS485接口式的電能表，該電能表的內(nèi)部通信模塊如圖1所示.

圖1 RS485接口式電能表內(nèi)部通信原理圖Fig.1 Internal communication schematic diagram of RS485 interface watt-hour meter

3 數(shù)據(jù)終端電路硬件設(shè)計

3.1 總體框架的設(shè)計

數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)是測量電表電量的微控制系統(tǒng).數(shù)據(jù)終端總體架構(gòu)如圖2所示.系統(tǒng)是以微控制器為核心，通過串口通信模塊采集表的信號，經(jīng)微處理器處理后，向GPRS模塊和顯示模塊發(fā)出觸發(fā)信號，使GPRS模塊與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，GPRS模塊把接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)(或SIM短信)發(fā)到上位機(jī)終端設(shè)備上，顯示模塊顯示當(dāng)前所要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息[5-6].電源為各個模塊提供電能，讓每個模塊都能正常工作，是一切模塊能量的來源.

圖2 數(shù)據(jù)終端總體架構(gòu)Fig.2 The overall structure of the data terminal

3.2 電源電路設(shè)計

電源主要是為電路提供能量，使其產(chǎn)生動力，推動整個電路的運(yùn)作.在電源電路設(shè)計中，主要對SIM800 GSM GPRS模塊供電電路和STM32F103C8微控制器供電電路進(jìn)行設(shè)計.

3.2.1 SIM800供電電路

SIM800 GSM GPRS模塊的供電方案有兩種選擇：一是采用VBAT供電；二是采用輸出電壓為9 V、電流為1 A的低壓差線性穩(wěn)壓源LDO 供電[7].

VBAT供電即采用電池供電，這種方案供電隨意性大，可移動.VBAT供電方案中的電容是為了去耦，當(dāng)電路接通或關(guān)斷時會產(chǎn)生一個很高的脈沖，這一脈沖可能會使一些部件燒毀，也可能干擾到電路中的其他部件，使電路不正常.電路中使用的二極管是肖特基二極管，其特點(diǎn)是低功耗、反向恢復(fù)時間短，并且它是一種超高速半導(dǎo)體材料制成.這個二極管的作用是實(shí)時續(xù)流以釋放能量.對于D2具有保護(hù)電路反接的作用.

VBAT供電方案如圖3所示.

采用輸出電壓為9V、電流為1A的低壓差線性穩(wěn)壓器LDO 供電，電路如圖4所示.

用輸出電壓為9 V、電流為1 A的低壓差線性穩(wěn)壓器LDO 供電時需要把穩(wěn)壓器接入圖3電路.圖4電路圖作用是以大電流低電壓穩(wěn)壓芯片MIC29302為核心達(dá)到穩(wěn)壓的作用.

圖3 VBAT供電方案Fig.3 VBAT power supply program

圖4 LDO供電方案Fig.4 LDO power supply program

3.2.2 STM32F103C8的供電電路

微處理器STM32F103C8正常工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3 V，為使微處理器STM32F103C8正常工作，制作了穩(wěn)壓電路(見圖5).微處理器STM32F103C8的電源穩(wěn)壓電路以5V線性穩(wěn)壓芯片NCP1117ST50T3G為核心，將5V輸入電壓穩(wěn)壓到3.3 V[7-8].

圖5 穩(wěn)壓電路Fig.5 Voltage regulator circuit

任何使用電源供電的電路都缺少濾波這部分,圖6為穩(wěn)壓電路輸出端3.3 V提供濾波.

圖6 濾波電路Fig.6 Filter circuit

3.3 時鐘與復(fù)位電路設(shè)計

時鐘電路的設(shè)計應(yīng)用于STM32F103C8芯片中，為STM32F103C8芯片提供準(zhǔn)確的時鐘脈沖.時鐘電路采用低頻32.768 kHz的晶振.晶振一般有兩種：有源晶振和無源晶振.有源晶振是一個有四腳的能產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的石英晶體振蕩器，具有較好的抗干擾能力與穩(wěn)定性，一般用于沒有時鐘的電路中.無源晶振是一個有二腳的石英晶體諧振器，一般用于有時鐘的電路中.在STM32F103C8中已經(jīng)集成時鐘電路，所以，采用無源晶振.此時鐘電路的作用主要是計時[9].

復(fù)位電路是系統(tǒng)出錯或重新下載完程序使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)的電路設(shè)備，為了保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行以及必要時手動操作，復(fù)位電路是不可或缺的.復(fù)位電路的最大功能是上電復(fù)位.

3.4 TFT彩色液晶顯示屏

TFT彩色液晶顯示屏采用的內(nèi)部核心控制器是四線電阻觸摸屏控制器XPT2046，四線電阻觸摸屏控制器XPT2046內(nèi)部集成了一個轉(zhuǎn)換精度為12位和轉(zhuǎn)化率為125 kHz的逐步逼近型ADC轉(zhuǎn)換器.四線電阻觸摸屏控制器XPT2046可以連接到1.5 V 到5.25 V 低電壓的GPIO 接口上.四線電阻觸摸屏控制器XPT2046可以通過執(zhí)行兩次A/D轉(zhuǎn)換來檢測按屏幕的位置.除了位置，觸摸屏也可以測試按在屏幕上的壓力.對于參考電壓VREF可以用于模擬輔助輸入、溫度采集測量和0～5 V電壓監(jiān)控.四線電阻觸摸屏控制器XPT2046內(nèi)部集成了一個片上的溫度傳感器，可以在 2.7 V 的典型工作狀態(tài)下，關(guān)閉參考電壓VREF，功耗達(dá)到小于 0.75 mW.工作溫度范圍為-40～85 ℃.

4 數(shù)據(jù)終端軟件的設(shè)計及嵌入

4.1 總體設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸終端的軟件總體設(shè)計主要包括兩大部分：一是對微控制器進(jìn)行初始化、堆棧指針設(shè)置、端口的通信方式、串行通信的控制寄存器、波特率寄存器的設(shè)置、定時器的預(yù)分頻系數(shù)和初值等終端參數(shù)的設(shè)置程序；二是完成終端的網(wǎng)絡(luò)連接、抄表命令的轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)葦?shù)據(jù)傳輸通信程序.在主程序中調(diào)用數(shù)據(jù)采集與處理子程序?qū)﹄姳黼娏窟M(jìn)行采集，利用存儲器操作子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存取轉(zhuǎn)存.同時選擇合適的低功耗芯片,空閑時使用睡眠模式實(shí)現(xiàn)低功耗的目的.總程序設(shè)計框圖如圖7所示.

圖7 總體設(shè)計框圖Fig.7 Overall design block diagram

在上電復(fù)位時開始系統(tǒng)初始化，如果未接到請求或定時未到的情況下，進(jìn)入系統(tǒng)休眠.當(dāng)喚醒系統(tǒng)時，開始數(shù)據(jù)的采集或參數(shù)的修改，每次采集完的數(shù)據(jù)或修改完的信息要進(jìn)行寫保存.本次的總程序采用了3個中斷，即喚醒終端、2個USART中斷，這些中斷還有優(yōu)先級別區(qū)分，這樣設(shè)計有益于系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制.

4.2 子程序設(shè)計

4.2.1 GPRS通信模塊與上位機(jī)通信的程序設(shè)計

SIM800 GSM GPRS通信模塊與上位機(jī)之間通信的子程序設(shè)計框圖如圖8所示.

圖8 GPRS通信子程序框圖Fig.8 GPRS communication subroutine block diagram

SIM800 GPRS通信模塊與上位機(jī)之間的通信，主要是微處理器通過串口向SIM800 GPRS通信模塊發(fā)出AT指令來控制GPRS模塊與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換.使用下列指令連接上位機(jī)實(shí)現(xiàn)模塊的 TCP 和 UDP 數(shù)據(jù)傳輸[9-10]：

AT+CGCLASS=“B”：設(shè)置移動臺類別.

AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”：設(shè)置 PDP上下文標(biāo)標(biāo)志為 1，采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)，接入點(diǎn)為“CMNET”.

AT+CGATT=1：用于GPRS 業(yè)務(wù)附著和分離的設(shè)置.

AT+CIPCSGP=1,“CMNET”：用于GPRS 連接設(shè)置，接入點(diǎn)為“CMNET”.

AT+CLPORT=“TCP”,“8086”：用于TCP 連接本地端口號設(shè)置，本地端口號設(shè)置為 8086.

AT+CIPSTART=“TCP”,“61.174.40.245”,“21590”：用于將GSM800 GSM GPRS模塊建立一個TCP 連接，通過連接端口為21590連接公用網(wǎng)目標(biāo)地址：61.174.40.245，如果模塊連接成功會返回： CONNECT OK.

AT+CIPSEND：接著模塊返回：>，然后發(fā)送字符串，最后發(fā)送十六進(jìn)制的:1A，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送.然后模塊返回：SEND OK，說明發(fā)送成功.

要實(shí)現(xiàn)模塊與電腦的 GPRS 通信，需要確保所用電腦具有公網(wǎng) IP，否則無法實(shí)現(xiàn)通信，如果沒有公網(wǎng) IP 用戶，使用花生殼映射 IP 端口.

4.2.2 TFT顯示模塊與微處理器的程序設(shè)計

TFT的寫命令和寫數(shù)據(jù)程序可以驅(qū)動TFT工作：

//發(fā)送命令函數(shù)TFT26_Write_COM

void TFT26_Write_COM(char VH,char VL)

{ TFT26_rs(0);//數(shù)據(jù)命令選擇端，選擇命令

TFT26_Writ_Bus(VH,VL);

}

//發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)TFT26_Write_DATA

void TFT26_Write_DATA(char VH,char VL)

{

TFT26_rs(1);//數(shù)據(jù)命令選擇端，選擇數(shù)據(jù)

TFT26_Writ_Bus(VH,VL);//調(diào)用并行數(shù)據(jù)寫入函數(shù)

}

void TFT26_Writ_Bus(uint VH,uint VL)//并行數(shù)據(jù)寫入函數(shù)

{

//LCD_DataPortH=VH;//高位P1口

//屏蔽高八位，將數(shù)據(jù)送入到STM32F103C8的PA0-PA7端口

GPIOA->BSRR=VH & 0x00ff;

GPIOA->BRR=(～VH) &0x00ff;

//GPIO_SetBits(GPIOA,VH &0x00ff);

//GPIO_ResetBits(GPIOA,(～VH & 0x00ff));

//LCD_DataPortL=VL;//低八位P0口

//屏蔽低八位 將數(shù)據(jù)送入到STM32F103C8的PB8-PB15端口

GPIOB->BSRR=(VL)?8 & 0xff00;

GPIOB->BRR=((～VL)?8) & 0xff00;

TFT26_wr(0);//讀寫控制端，0代表寫，1代表讀

TFT26_wr(1);

}

4.2.3 延時程序

延時是運(yùn)用STM32F1X微控制器內(nèi)核SysTick定時器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定時.STM32F1X微控制器的SysTick是1個24 bit遞減計數(shù)器，通過對SysTick控制與狀態(tài)寄存器的設(shè)置，可選擇72M HCLK時鐘或HCLK的8分頻作為SysTick 的時鐘源.SysTick的重裝寄存器決定了定時器頻率[10].下面程序是采用SysTick定時器延時的.

void Init_SysTick(void)//SysTick寄存器的初始化函數(shù)

{

if(SysTick_Config(SystemCoreClock/1000))//定義為ms級延時

while(1);

}

//精確毫秒級延時，可以根據(jù)不同的需求，改為微秒級、秒級的延時

void Delay_ms(__I0 uint32_t nTime)

{

TimingDelay=nTime;//變量TimingDelay是一個全局變量

while(TimingDelay !=0);//等待TimingDelay變?yōu)?

}

void TimingDelay_Decrement(void)//中斷調(diào)用函數(shù)，用于定時.

{

if (TimingDelay !=0x00)//判斷TimingDelay是否為0

{

TimingDelay--;

}

}[11]

此段程序?qū)崿F(xiàn)的是準(zhǔn)確的延時,一般可用于時鐘制作中.

5 結(jié) 論

系統(tǒng)通過硬軟件、信息采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、電度計量和遠(yuǎn)程控制等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集.遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)主要適用于大多數(shù)電力公司對居民用電、工廠用電等的電量采集.遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)、近端調(diào)試等功能.此系統(tǒng)的開發(fā)不僅實(shí)現(xiàn)了電表的采集，還可以經(jīng)過增加水、氣表的采集轉(zhuǎn)化模塊，實(shí)現(xiàn)水、氣量的采集，從而使單系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三表的采集，不需要多個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，從而降低了一些不必要的成本.

遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，現(xiàn)在仍然有許多不夠完善的地方.在下行通信中，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用近距離無線通行會越來越多.在不久的將來，相信遠(yuǎn)程電表監(jiān)測系統(tǒng)將普遍化，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以從中解放出來更多的人力，同時也可以保證遠(yuǎn)程電表系統(tǒng)的實(shí)時性以及正確性，對未來的發(fā)展具有重要的價值與意義.