基于ARM9和GPRS的实时电力负控管理系统的设计

在当今电能源紧张的工业社会中，及时准确地获取用户的用电负荷信息，并据此做出及时的控制调度对于提高能耗利用率具有重要的现实意义。传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据的，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处，应用基于单片机、ARM 7平台的自动抄表终端已成趋势。但由于单片机的数据处理速率低、ARM7缺乏存储管理单元，难以满足电力系统对负荷控制的精细化要求。
       本文根据重庆电力部门的需求，在现有的电力负控管理系统的研究与发展基础上，提出了一种基于ARM9和GPRS的电力负控管理系统的设计方案。该系统利用ARM9微处理器的高采集速率和较强的处理能力提高了系统的精确度；利用具有抢占内核机制的Linux2.6操作系统提高了系统的实时响应速度；利用宽带GPRS网络实现了用电信息的无线传输和实时监测等功能。
       1 负控管理系统的总体框架及其工作原理
       负控管理系统实质就是利用先进的测控、通信以及计算机技术，将电能表数据整合到一起的通信系统。本文设计的系统由安装在用户端的电能表、用户小区的负控管理终端和电力部门的远程管理主站组成。其拓扑图如图1所示。
   
       用户电能表与负控管理终端通过RS 485总线通信，负控管理终端通过RS 485总线读取用户电能表数据，将数据交给相应的模块封装成IP包发送给GPRS网络，GPRS网络和Internet网络实现无缝连接，主站通过Internet接收到终端通过RS 485接口采集回来的电能表数据，然后显示、分析、存储这些电能表数据，然后根据分析结果向负控管理终端下发送远程控制命令（硬件复位、设置各种通信参数、断线检测、超载报警等功能）。以此实现远程监控负控管理终端，并通过负控管理终端监控电能表。
       2 负控管理终端的设计
       2.1 硬件设计
       负控管理终端的硬件主要由通信电路、存储电路和人机交互电路组成。通信电路包括RS 485接口电路、GPRS通信电路、遥信控制电路、红外接口；存储电路包括SDRAM和NAND FLASH存储模块；人机交互电路包括LCD显示模块、按键管理、电源和复位电路。其总体的硬件框架如图2所示。
   
   　　下面主要分析一下下层通信电路RS 485接口电路和上层通信电路GPRS接口电路。
       2.1.1 RS 485接口电路
       负控管理终端的主要功能之一就是对电能表数据的采集和处理。考虑到负控管理终端与所连接的多功能电表通信时，由于两者相距比较远，周围环境会对传输信号产生比较大的干扰，系统又要求负控管理终端所挂接电能表数量尽量多，最后选用了RS 485的底层通信模式。
       本负控管理终端的2路RS 485接口是由S3C2440A的RS 232串口2和串口3转换过来的，要把RS 232信号转成RS 485信号，必须先通过RS 232收发器将信号发送出去，再通过RS 485收发器接收信号，MAX202ECPE是RS 232收发器，选用MAX485驱动芯片用于RS485通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，可以直接挂接128个电能表，实现最高2.5 Mb/s的传输速率。RS 485接口的共模电压大于+12 V或小于-7 V时，接收器就无法正常工作了，可考虑选用带光电隔离的光电耦合器，将强电电路与弱电电路在物理上隔离，电路中的光耦PS4 21将高压执行电路与MCU控制电路隔离。
       2.1.2 GPRS通信模块
       GPRS网络是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供广域无线IP连接。用GPRS进行数据传输具有："永远在线"、"按流量计费"、"快捷登录"、"高速传输"、"自如切换"等优点。
       在负控管理终端的数据传输中，优先采用了GPRS无线网络传输的方式。GPRS模块是负控管理终端接入GSM/GPRS网络的关键设备，通过GPRS模块来完成与Internet的交互。本终端的GPRS通信模块采用的是中兴的ME3000,该模块具有体积小、通信可靠稳定、价格适中的优点，它的波特率300~115 200 b/s;支持短消息业务；内嵌TCP/IP协议和标准的AT命令，通过AT命令来进行语音和数据通信；提供标准的UART接口，只需用串口线就能与CPU连接；输入电压3.3~4.25 V;SIM接口支持机卡分离，办理一张SIM卡就可以实现通信。
       在GPRS通信电路中设计晶振为芯片提供工作频率，它是构成芯片的最小系统必不可少的元器件，一般与它串联2个电容，是固定接法，一个是输入电容，一个是输出电容，根据Datasheet确定电容的大小为30pF.
       2.2 软件设计
       2.2.1 负控管理终端的软件设计
       在负控管理终端的整体流程是终端上电后，初始化串口，启动拨号，建立TCP连接成功后，主站向负控管理终端发送登陆帧，负控管理终端监听到登陆帧后（主站和负控管理终端建立通信前，主站要知道负控管理终端中GPRS模块的SIM卡号），发出确认帧，主站与负控管理终端就可以开始通信。负控管理终端接收到数据时，先判断是不是主站发送过来的控制命令，如果是，将该命令透明传输给电能表，电能表通过解析判断其要是采集数据命令，就将相应的电能数据返回给负控管理终端，负控管理终端收到数据后通过TCP发送给主站；如果不是控制命令，说明是电能表的返回数据，同样通过TCP协议发送给主站。在没有任何命令时，负控管理终端进入低功耗模式，间隔一定时间发送心跳包，以确定它与主站没有断开连接。每隔15 min,负控管理终端会定时采集电能数据，并将其存储在NANDFLASH中，等待主站随时调用。此外，当负控管理终端处于异常状态，或者发生一些特殊事件时，比如事故报警信息，负控管理终端通过遥信控制主动上报给主站，以做出适当处理。
       负控管理终端的应用软件主要包括数据采集及处理程序和网络通信程序。数据采集及处理程序完成电能表数据采集，并进行处理。网络通信程序完成将处理后的数据传送到主站。另外，网络通信程序还要发送主站的控制指令。
       该部分的软件编写采用自上而下的设计思路，以模块化设计为原则，采用C语言编程，通过建立数据采集与处理线程、GPRS网络通信线程、按键控制线程，使其相互协调地运行。
       结合上面给出的设计思路，下面重点介绍如何利用多进程技术和管道技术来实现抄表和发送数据的功能。
       在进行网络通信之前，先设定网络端口最大允许接入的客户端数、父进程和子进程设定的2个状态变量。
   
       进入主函数，创建管道和子进程，分别启动父进程和子进程，开始数据采集和网络传输，function_farther（）函数和function_child（）函数分别为父进程和子进程的主函数。
   
   
   　　在main（）函数中还有以下几个主要的子函数：
       gprs_com_task（）：GPRS通信任务主要功能是接收来自主站的信息，直接从Nand FLASH中读出数据上发给主站，主站接收完毕后挂机结束通信。
       gather_meter_realtime（）：实时采集任务主要完成和电能表的通信工作。根据自定义规约判断主站想要什么数据，然后将该数据TCP打包后发回到通信任务，通信任务就会以相应的形式（数据）上传给主站。
       gather_meter_time（）：定时采集任务指每天定时主动读取电能表，并将读到的数据存放在NandFLASH中。这样当主站下发命令索要数据时，终端就不必再去读表，可以直接将存储的数据上发给主站。
       alarm_task（）：报警任务每隔一定时间程序就去读三相电压，并将读到的实时值与存放在Nancl FLASH中规定的电压上限值作比较，当实时电压值超过上限值或者低于下限值时，负控管理终端软件就对电网状态字置位。当故障消除，电压恢复正常时，终端软件再向电网状态字置位。
       led_task（）：指示灯任务用于判断程序和通信模块是否处于正常工作状态。负控管理终端有2个运行指示灯，一个用于指示程序的正常运行，1 s闪烁1次；另一个用于指示通信模块的工作状态，GPRS模块没有注册到网络时，该指示灯1 s闪烁1次，注册上网络后，3s闪烁1次。
       2.2.2 主站管理软件的设计
       本系统的主站管理软件是用面向对象的编程工具VB开发完成的。通过使用面向对象的数据模型来构建主站，将负控管理终端模型化为一系列逻辑没备组成，每个逻辑设备是该物理设备的一个功能子集，各种功能则用对象模型来标准化。主站设置2个逻辑设备：管理逻辑设备与数据逻辑设备。管理逻辑设备是主站中必需的，管理逻辑设备中存放一些与全局相关的及负控管理终端参数设置数据对象；数据逻辑设备用来存储和管理负控管理终端下属的电能表数据。
   
       主站的交互界面采用模块化没计，主窗体包括应用连接、数据曲线、执行动作、电表信息、数据类对象四大模块，主站的功能框图如图3所示。
       3 实验结果
       下面从负控管理终端的角度说明主站读取周期冻结总加组曲线的数据的通信流程：建立连接→读取周期冻结总加组曲线的数据→断开连接通信流程如下所示。
       （1）建立物理层和建立链路层连接；
       （2）建立应用层连接。应用连接请求由主站发起，负控管理终端响应，应用连接的建立过程称为"协商"过程，是为数据通信约定一些配置参数；
       （3）进行数据通信。应用连接建立后，就可以进行数据通信了；
       （4）数据通信结束，释放数据链路，解除物理连接。
   
       主站启动后首先要与负控管理终端进行连接，管理人员必须输入正确的用户名和口令，验证无误后，主站与终端连接成功才可进入主窗体，该曲线捕获对象清单有总加组-时间、时间-总加组、总加有功功率、总加无功功率、总加有功电能量-总和总加无功电能量-总。图4是通过主站读取负控管理终端中的周期冻结总加组数据曲线；
       4 结语
       随着无线电通信技术的发展，基于ARM9和GPRS的电力系统的自动抄表技术已趋于成熟，本文设计的负控管理系统具有实时性强、抄收速度快等优点，虽然投资这种负控管理系统会增加成本，但应用后能实现开源节流并且一次投资长期收益，随着电子技术的发展，可以实现电表、水表、煤气表、热能表四表合一的无线自动化抄表系统。这种应用将为用户表计管理系统技术带来更大改革，也更有利于实现统一管理和宏观调控。因此具有广阔的应用前景，会带来较好的经济和社会效益，从而使用户和企业实现双赢局面。<