基于GPRS的遠程能源管理論文范文

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1無線通信方式

1.1無線數傳電臺無線數傳電臺設備維護簡單，建成后運行轉費用很低，因此通過無線數傳電臺進行通信對具有較大用戶量的通信系統來說性價比較高。但無線數傳電臺的造價很高，信號傳輸容易受外界信號的干擾，傳輸距離有限，而且大范圍的能源管理系統需要通信穩定，通信距離遠，因此這種方式在集中抄表系統中應用受到限制。

1.2GPRS通信近年來，GPRS技術發展迅速，它為人們提供一種點到點的無線廣域網IP通信連接，這種基于GSM網絡系統的分布式無線交換技術，被應用到更多的小型通信設備中。gprs通過手機網絡運行商服務器網關GGSN，以分組式交換作為數據收發的基本模式，利用現有的中國移動運行商通信網絡，即可實現遠程操作與抄表，該技術目前以區域成熟，且運行可靠。但其應用中的運行費用高以及網絡前端通信模塊也成為了推廣的一個問題，但隨著GPRS網絡的普及，運營商的資費也不斷下調，這使得GPRS通信技術作為一種低成本、高效的無線數據傳輸方式成為可能[3⁃6]。GPRS技術的優點有：接入范圍為運營商的服務范圍，目前中國移動網絡已覆蓋全國絕大部分地區，因此其應用不受限于位置和地域。另外GPRS網絡通信還支持不同速率設備接入，傳輸速率范圍大，可滿足各種遠程抄表的設備需求。由于運行商網絡可不間斷的提供實時服務，因此GPRS終端設備可同樣提供不間斷的實時連接，保證其通信數據的實時更新。目前各大網絡運行商在GPRS的費用上均采用按流量計費，從而使得遠程抄表這種少量（偶爾大量）、間斷、頻繁的數據傳輸費用成本大大降低；最新的GPRS技術同時還支持標準的X.25和TCP/IP協議，這便可以與Internet實現數據聯通，突破了使用GSM通信數據流量的上限[7⁃10]。根據上述對供熱企業遠程能源管理系統可選用的通信方式的分析比較可以看出，基于GPRS的遠程能源計量管理系統具有性價比高、安全、通信簡便等諸多優點，完全能夠滿足供熱企業的計量需求。

2基于GPRS的遠程能源管理系統的組成和硬件設計

2.1系統組成能源管理計量系統是按目前抄表行業的實際情況而開發的，它以采集數據、傳輸數據和處理數據為核心，系統每一個環節都要求保證數據的可靠性?，F階段我國計量表（包括水、電、氣、熱四種表）安裝的方式主要是一戶一表，總體表現為一個單元內按戶上表，各單元之間計量表以同樣的形式安裝，形式上看為典型的對等模式。這對抄表系統的實現提供了極大的便利。本文設計的基于GPRS的能源管理系統組成如圖1所示，系統采集器，集中器，監控中心組成。采集器把掛載在RS485總線或者M⁃BUS總線上的儀表數據讀出，進行數據處理、顯示，并通過頻率為470MHz無線傳輸模塊傳把數據送到集中器。集中器把附近采集器發送上來的數據打包通過GPRSDTU模塊傳輸到監控中心。在圖1設計思路中，每一戶居民都將安裝一塊相關計量儀表，是抄表數據的來源，系統將在這里將每戶居民實際能源使用情況進行匯總。通過采集器和集中器進行數據傳遞，數據將保存在數據庫中，需要對數據進行分析，同時用戶能夠通過互聯網獲取自己的使用情況。

2.2采集器硬件設計目前儀器設計的發展趨勢是低功耗、高度集成化和小型化，采集器采用了以低功耗著稱的MSP430系列的MSP430F149單片機作為控制器的核心器件。MSP430F149單片機是一種16位超低功耗的處理器，采用流行的RISC結構，具有強大的處理能力；尋址范圍可達64Kb，還可以外擴存儲器，其中外設和內存統一編址；統一的中斷管理器，豐富的片上資源；片內有精密硬件乘法器、1個14路1位的模/數轉換器、2個16位定時器、2路USART通信端口、1個比較器、1個看門狗、6路P口、1個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8MHz的時鐘。該系列單片機主要有以下特點：超低功耗；強大的處理能力；高性能的模擬技術及豐富的片上外圍模塊；系統穩定工作；方便高效的開發環境。采集器主要由電源，主控芯片，無線模塊，數據存儲器，電池電壓檢測電路，相應的通信接口和顯示模塊組成。采集器通過RS485或者M⁃Bus接口采集熱量表數據，經過主處理器MSP430F149的分析、處理后保存在FLASH存儲器中，并且通過470MHz的無線模塊上傳給集中器。終端維護可以通過終端本地輸入模塊操作，同時也能給從站（計量儀表）進行供電。維護界面友好，操作方式簡單方便。采集器的電路模塊框圖如圖2所示。

2.3集中器硬件設計集中器的功能是發起采集命令給采集器，將各個釆集器的數據進行匯總，最后通過GPRS模塊將數據上傳至服務器。集中器與采集器之間數據連接方式采用無線傳輸模塊。集中器電路模塊框圖如圖3所示。集中器主控芯片選擇STC公司的STC12C5A60S2芯片。STC12C5A60S2單片機是STC公司生產的單時鐘單片機，具有低功耗、高速、超強抗干擾性、指令集完全兼容傳統的8051單片機、ISP下載的特點，而且內部集成了雙串口功能用復位，符合采集器設計要求。

3基于GPRS遠程能源管理系統的軟件設計

3.1采集器軟件設計采集器軟件設計時，采用IAREmbeddedWork⁃benchIDE集成開發環境。由于數據采集器主要完成接受命令與讀取數據，所以要有較快的接受能力和處理速度，防止接錯或漏接數據。這就要求數據采集器要隨時處于接收狀態，為了能達到以上要求，可以使用單片機高效的中斷處理功能。然而過多的處于中斷狀態，可能導致其他中斷不能及時響應，所以要求中斷處理要快或處理較少的程序。由以上所述確定程序設計的結構為中斷響應軟件查詢。中斷響應是及時響應外來信息，并作相應的標記，關中斷，啟動軟件查詢，達到快速響應中斷的目的；而軟件查詢主要在主程序中進行，通過查詢各個標志位，就可知道那個中斷發生相應，并執行相應中斷函數。MSP430F149具有豐富的中斷設置，可方便滿足設計要求。本設計主要用到的中斷主要有以下幾方面：（1）UARTA接收中斷。接收熱量表數據。（2）UARTB接收中斷。接收來自集中器的命令數據。（3）TIMERA0中斷。用于按照傳輸響應定時接收數據幀。（4）TIMERA1中斷。用于定時間隔發送數據幀。（5）P1INPUT中斷。外部中斷、按鍵查詢、掉電查詢以及外接電源。（6）ADC12中斷。鋰電池電壓A/D轉換完成。采集器主程序流程如圖4所示，首先進行各個驅動功能初始化（時鐘初始化、LCD初始化、串口初始化、A/D轉換初始化、I/O初始化、中斷初始化），然后進行電池電壓檢測判斷鋰電池電量判斷，首頁顯示，按鍵判斷，讀表判斷，上傳數據到集中器判斷，進入低功耗等待中斷喚醒。

3.2采集器軟件設計集中器主要對數據進行匯總和傳輸作用，程序主要采用中斷響應和程序查詢的方式。部分程序設計思想與采集器相似，本節主要對串口中斷數據接受發送程序和GPRS程序做介紹。

3.2.1收發程序設計集中器串口中斷流程圖如圖5所示，接收數據時，當收到前導字符0xFE或者起始符時開始接收，接收到0x68時數據開始移入到緩沖中，接收完成的判斷根據數據長度進行判斷。接收完成以后進行數據校驗，檢測到校驗和、偶校驗或格式出錯，均應該放棄該信息幀，校驗完成以后數據移入保存。發送數據時，當接收到發送數據請求時，開始發送數據。由于STC12C5A60S2不支持硬件上偶校驗發送，故先把數據送到累加器中，獲得數據奇偶標準位P，如果是偶校驗P移入串口發送第9位，奇校驗則取反移入，并把累加器中數移入到串口發送緩沖器中。

3.2.2GPRS程序實現本次數據傳輸使用的透明傳輸協議的GPRSDUT模塊，無線DTU（DataTerminalUnit）能夠穩定地進行數據的雙向傳輸，而且此DTU具有自身檢測功能，因而數據傳輸的可靠性高。只需進行相應配置，即可選擇需要的工作模式。DTU支持通過串口、短信、數據中心進行協議配置。通過串口使用AT指令，可以方便地實現自動的機器配置。命令格式如表1所示。通過配置串口發送+++，DTU則會回答insetmode<CR><LF>并進入協議配置狀態。用戶設備可以通過給配置串口發送AT命令進行查詢、配置、重啟動或退出該配置狀態。本次設計主要的讀取、修改參數包括：網絡參數、連接管理、短信通道、系統參數。數據通過GPRS通道傳輸都遵循這一原則：對數據進行ATCommand相關包裝、發送數據、接收后進行ATCommand解析、數據傳到上層、解析數據。集中器數據接收和發送通過串口進行。以接收數據為例。GPRS數據接收流程如圖6所示。

4結語

本文提出并設計了一種系統結構簡潔、數據傳輸可靠的能源管理系統。該系統采用典型的三層結構，即：數據采集層、傳輸層、管理層，分別用采集器、集中器和上位機管理軟件來實現相應功能。本系統的特點是集中器和采集器之間通過無線通信模塊相連，而且采集器硬件設計上采用了低功耗的設計思想，能夠很好的保證系統的連續穩定工作。采集器既起到單元內數據采集功能，又具有中繼功能，增加了系統的穩定性。經試驗測試，達到了設計效果，數據傳輸準確，是一種較為理想的能源管理系統解決方案。

作者：麻志濱劉芳劉震單位：哈爾濱工業大學