王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對(duì)國網(wǎng)gprs三相智能電能表遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用，使用sim900a并配合coretex-m3 arm處理器設(shè)計(jì)了gprs遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，以實(shí)現(xiàn)gprs遠(yuǎn)程抄控。遠(yuǎn)程采集模塊內(nèi)嵌了rtx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了完整的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)策略，以及遠(yuǎn)程控制和異常事件預(yù)警等功能；同時(shí)，采集模塊實(shí)現(xiàn)了q/gdw1376.1協(xié)議的上行通信通道和支持dl/t645-2007協(xié)議的下行采集通道，能夠?qū)崿F(xiàn)與遠(yuǎn)程主站的通信和現(xiàn)場電能表的抄控。經(jīng)過軟件協(xié)議的一致性測試，遠(yuǎn)程采集模塊實(shí)現(xiàn)了1376.1協(xié)議的一類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)64項(xiàng)、二類凍結(jié)數(shù)據(jù)69項(xiàng)和三類報(bào)警事件數(shù)據(jù)2項(xiàng)，具備了國網(wǎng)采集終端設(shè)備的必要功能。
關(guān)鍵詞:sim900a；coretex-m3；采集模塊；q/gdw1376.1；電能表
0引言
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的普及，國內(nèi)電能計(jì)量抄表領(lǐng)域，已經(jīng)逐步進(jìn)入自動(dòng)抄表時(shí)代。電力公司對(duì)于居民用戶的電能抄表，更多使用采集主站-智能集中器/采集終端-遠(yuǎn)程電能表的部署結(jié)構(gòu)，但對(duì)于高等學(xué)校、大型工礦等企事業(yè)單位，能夠使用帶遠(yuǎn)程費(fèi)控功能的gprs三相智能電能表，并直接對(duì)聯(lián)采集主站，其結(jié)構(gòu)和成本更加優(yōu)越。針對(duì)電力公司gprs三相智能電能表的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了采用sim900a并配合arm coretex-m3處理器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊。采集模塊集成了q/gdw1376.1-2013主站上行協(xié)議和電能表dl/t645-2007下行協(xié)議，能夠?qū)硬杉髡静⒊针娔鼙頂?shù)據(jù)。采集模塊實(shí)現(xiàn)了完整的電能表數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程費(fèi)控、異常預(yù)警，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、協(xié)議處理，具備了國網(wǎng)采集終端的必要功能。
1 采集模塊總體結(jié)構(gòu)
gprs電能表遠(yuǎn)程采集模塊由sim900a通信子模塊、stm32f103rc處理器及其rtx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組成。遠(yuǎn)程采集模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。上行通道為一路支持1376.1的gprs鏈路；維護(hù)通道為38khz的紅外接口；下行通道具備一路本地uart抄表接口和一路擴(kuò)展的rs485抄表接口，其中本地基表的測量點(diǎn)定義為pn0，擴(kuò)展抄表接口的測量點(diǎn)定義為pn1-15，即遠(yuǎn)程采集模塊具備抄收16個(gè)測量點(diǎn)的能力。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2硬件設(shè)計(jì)
stm32f103rc的運(yùn)行頻率72mhz，并具備90dmips的處理性能，其集成spi、i2c、uart等高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，內(nèi)嵌了可使用外部獨(dú)立32.768khz晶體振蕩器的日歷rtc，以及包括多達(dá)7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器和支持iso7816串行接口等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，可以滿足多種工業(yè)儀表的應(yīng)用。
圖2 stm32f103rc核心板原理圖
采集模塊的核心板主要由stm32f103rc和32mbit的支持高速存儲(chǔ)操作的spi接口dataflash at45db321d構(gòu)成，并使用了stm32內(nèi)嵌的rtc日歷時(shí)鐘，其中rtc由獨(dú)立的32.768khz晶振提供時(shí)基，且由鋰電池提供備用供電。sim900a通信子模塊的gsm/gprs工作頻率為850/900/1800/1900mhz，它采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和sms的傳輸。sim900a內(nèi)嵌了tcp/ip協(xié)議，并可以使用uart異步串口與stm32主機(jī)mcu通信，這使得gprs子模塊和stm32主mpu之間的互聯(lián)十分簡單。圖3所示的是sim900a的原理圖設(shè)計(jì)，為保證sim900a的器件安全，設(shè)計(jì)上對(duì)sim卡座接口配備了獨(dú)立的esda6v1w5，以實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。圖3 sim900a gprs通信模塊原理圖(參見右欄)根據(jù)國家電網(wǎng)遠(yuǎn)程電能表規(guī)范，三相無線電能表作為gprs采集模塊的基表，向遠(yuǎn)程采集模塊提供供電電源?；硭峁┑哪M部分供電電壓為13.5v±1.5v?？紤]stm32f103的內(nèi)核電壓為3.3v，sim900a通信子模塊供電電壓4.1v，以及考慮到gprs模塊的發(fā)射電流峰值高達(dá)2a，因此，為保證sim900a、stm32f103 mcu的正常工作，設(shè)計(jì)使用了3a的tps54331 dc-dc降壓芯片。圖4所示的是12v至4.1v的dc-dc電源電路。
圖3 sim900a gprs通信模塊原理圖
圖4 tps54331 dc-dc降壓電路
因?yàn)閠lv1117lv33 ldo能夠在1a電流下實(shí)現(xiàn)僅455mv的超低壓差損失，所以stm32處理器的3.3v供電電源，可以直接使用該超低壓差ldo，由4.1v直接ldo降壓至3.3v。此外，為了保證電能表掉電后，遠(yuǎn)程采集模塊的rtc日歷仍能夠正常計(jì)時(shí)，同時(shí)也為了確保在遠(yuǎn)程采集模塊掉電的瞬間，gprs仍能夠向遠(yuǎn)端后臺(tái)主站發(fā)送掉電事件及報(bào)警等必要的交互信息，遠(yuǎn)程采集模塊采用了可充電的鋰電池作為系統(tǒng)的后備電源。gprs遠(yuǎn)程采集模塊外接了一個(gè)3.7v充電鋰電池，作為系統(tǒng)掉電后的備用電池。后備鋰電池直接使用4.1v進(jìn)行限流充電；同時(shí)，為防止鋰電池的過充電，stm32f103處理器通過adc通道實(shí)時(shí)地監(jiān)視鋰電池的端電壓，以便在電池端電壓低于3.6v時(shí)開啟充電，并在端電壓達(dá)到4.1v時(shí)關(guān)閉充電開關(guān)。圖5所示的是3.3v電源的ldo電路，圖6所示的是鋰電池的充電和監(jiān)視電路，鋰電池的充電電源開關(guān)由pmos管si2301承擔(dān)。
圖5 tlv1117lv33 3.3v ldo電路
圖6 鋰電池充電與電壓監(jiān)視電路
為保證gprs遠(yuǎn)程采集模塊與基表接口5v ttl電平的匹配，國網(wǎng)遠(yuǎn)程電能表型式規(guī)范明確了基表亦需要向遠(yuǎn)程模塊提供電壓為5v±5％的數(shù)字部分電源，并與模擬電源共地，用以提供電平匹配與隔離器件的+5v供電。由于stm32f103處理器的uart1、uart3和uart4引腳，都可以兼容5v的ttl電平，所以采集模塊與電能表通信接口的電平匹配電路比較簡單。圖7所示的是遠(yuǎn)程采集模塊與基表的采集串口/外部rs485擴(kuò)展串口的電平匹配電路圖。隔離緩沖器74hc09使用+5v供電，直接實(shí)現(xiàn)采集模塊與基表接口的+5v ttl電平的匹配，而74hc09與mcu的接口的電平匹配，則由處理器stm32f103兼容5v ttl電平的特性進(jìn)行保證。
圖7 電能采集串口的+5v ttl電平匹配
由于stm32f103rc核心板、sim900a子模塊和sim卡座的面積均較大，受限于國網(wǎng)gprs三相電能表右模塊盒的尺寸，將mcu核心板布置于pcb的一面，sim900a和sim卡座布置于另一面，采用雙面元件布局的pcb設(shè)計(jì)如圖8所示。圖8 遠(yuǎn)程采集模塊的pcb布局（sim900a面）。
3軟件設(shè)計(jì)
gprs遠(yuǎn)程采集模塊的嵌入式軟件，使用了stm32處理器keil開發(fā)平臺(tái)所集成的rtx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。根據(jù)遠(yuǎn)程采集模塊的功能要求，設(shè)計(jì)了電能表dl/t645通信收發(fā)任務(wù)(優(yōu)先級(jí)1)、gprs q/gdw1376.1通信任務(wù)(優(yōu)先級(jí)2)、自動(dòng)抄表機(jī)制與輪詢?nèi)蝿?wù)(優(yōu)先級(jí)3)、38khz紅外串口收發(fā)任務(wù) (優(yōu)先級(jí)4)、1376.1協(xié)議解析與組幀任務(wù)(優(yōu)先級(jí)5)、服務(wù)器/客戶機(jī)心跳任務(wù)(優(yōu)先級(jí)6)和stm32 rtc日歷(優(yōu)先級(jí)7)，共7個(gè)任務(wù)。gprs遠(yuǎn)程采集模塊的主程序運(yùn)行流程如圖9所示。
圖8 遠(yuǎn)程采集模塊的pcb布局
圖9 stm32主程序運(yùn)行圖
main( )主程序首先執(zhí)行mcu內(nèi)核時(shí)鐘的配置，其中mcu內(nèi)核運(yùn)行于72mhz，低速外設(shè)總線運(yùn)行于36mhz，接著配置gpio端口、中斷向量、rtc日歷、adc、spi、uart和pwm串口等外設(shè)，并初始化采集模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，調(diào)用rtx任務(wù)調(diào)度模塊，將mcu系統(tǒng)資源交由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制，進(jìn)入多任務(wù)調(diào)度/運(yùn)行狀態(tài)。圖10所示的是gprs通信任務(wù)中，sim900a在tcp/ip模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送流程。圖10sim900a tcp/ip模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送遠(yuǎn)程采集模塊的sim900a工作于tcp/ip模式，當(dāng)數(shù)據(jù)需要遠(yuǎn)傳發(fā)送時(shí)，1376.1協(xié)議解析與組幀任務(wù)(優(yōu)先級(jí)5)通過設(shè)置gprs發(fā)送任務(wù)信號(hào)量，在rtx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下，搶占式地實(shí)時(shí)觸發(fā)了gprs通信任務(wù)(優(yōu)先級(jí)2)的運(yùn)行，并由gprs通信任務(wù)執(zhí)行從1376.1協(xié)議幀的臨時(shí)緩沖區(qū)中讀取待發(fā)送的1376.1協(xié)議幀的報(bào)文，通過uart1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。
圖10 sim900a tcp/ip模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
gprs遠(yuǎn)程采集模塊的測試基表為森暉研發(fā)部a22網(wǎng)絡(luò)電能表，其下行協(xié)議支持電能表dl/t645-2007；硬件測試設(shè)備為脈沖群eft發(fā)生器、靜電發(fā)生器；測試主站使用國網(wǎng)采集終端1376.1協(xié)議一致性測試軟件。硬件實(shí)驗(yàn)：4kv快速脈沖群抗干擾度試驗(yàn)時(shí)，a22基表液晶屏幕微微抖動(dòng)，出現(xiàn)逆相序符號(hào)，gprs遠(yuǎn)程采集模塊工作正常；15kv空氣放電抗干擾度試驗(yàn)時(shí)，a22基表會(huì)復(fù)位，但a22基表和gprs遠(yuǎn)程采集模塊均可以在復(fù)位后自行恢復(fù)并正常工作；此外，gprs遠(yuǎn)程采集模塊在線狀態(tài)時(shí)的功耗為1.4w，與公網(wǎng)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時(shí)的功耗為2w。協(xié)議一致性測試：按照國電網(wǎng)1376.1上行協(xié)議規(guī)范，使用國網(wǎng)采集終端協(xié)議一致性測試軟件共向gprs遠(yuǎn)程采集模塊召測了一類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)64項(xiàng)，二類歷史凍結(jié)數(shù)據(jù)69項(xiàng)，三類報(bào)警事件數(shù)據(jù)2項(xiàng)，其中所召測的一類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)63項(xiàng)、二類歷史凍結(jié)數(shù)據(jù)69項(xiàng)，三類報(bào)警事件數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2項(xiàng)，均能夠在10秒內(nèi)成功返回。召測數(shù)據(jù)項(xiàng)的具體統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。綜上，經(jīng)硬件試驗(yàn)和1376.1協(xié)議幀的一致性測試，遠(yuǎn)程采集模塊的設(shè)計(jì)，滿足了gprs三相智能電能表遠(yuǎn)程采集、存儲(chǔ)和通信的設(shè)計(jì)需求。
表1 q/gdw1376.1測試數(shù)據(jù)項(xiàng)及響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)表
注：一類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)第f27項(xiàng)的電能表日歷時(shí)鐘及電能表狀態(tài)信息，因gprs遠(yuǎn)程采集模塊需要多次實(shí)時(shí)訪問a22基表并由gprs采集模塊合并、組幀和上報(bào)，耗費(fèi)了額外時(shí)間，需15秒才能應(yīng)答返回
5安科瑞acrelcloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)
5.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為b/s架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表ddsy1352和dtsy1352系列以及多用戶計(jì)量箱adf300l系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。
5.2 系統(tǒng)功能
acrelcloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。
遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。
遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。
短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。
遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。
5.3 產(chǎn)品選型
6結(jié)束語
得益于sim900a的穩(wěn)定性和完備的tcp/ip協(xié)議棧，以及coretex-m3處理器stm32f103rc的性能，內(nèi)嵌了rtx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的gprs電能表遠(yuǎn)程采集模塊，實(shí)現(xiàn)了國網(wǎng)采集終端基本的一類數(shù)據(jù)、二類數(shù)據(jù)的采集/存儲(chǔ)功能，并實(shí)現(xiàn)了三類異常事件的預(yù)警和掉電保護(hù)措施，以及必要的遠(yuǎn)程控制能力。遠(yuǎn)程采集模塊具備了國網(wǎng)gprs采集終端的必要功能。
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