电子电能表与电能测量技术讲座-基于无线网络的电能远程抄表系统
2009年10月15日 22:03 中南大学物理科学与技术学院 作者：高冬花，孙克辉，盛利 用户评论（0）
关键字：
电子电能表与电能测量技术讲座-基于无线网络的电能远程抄表系统的设计与实现
介绍一种利用民用无线网络实现电能表远程抄表的系统。该系统主要由电能计量、数据采集与显示、数据集中、通讯与控制、短信收发、无线网络与计算机等部分组成。其中电能的计量采用AD7755实现，数据的无线传输与控制利用单片机AT89S51向短信收发模块发送AT指令来实现。
关键词：GSM网络；电能表；AT指令；自动抄表系统?
Meter Romote Copying System Based on the Wireless Network
GAO Donghua, SUN Kehui, SHENG Liyuan
(School of Physics Science and Technology, Central South University,
Changsha 410083, China)
Changsha 410083, China)
Key words: GSM network; electricity meter; AT command; ARS
目前，远程抄表系统主要有三类：有线抄表系统，掌上抄表系统，无线抄表系统。其中有线系统需要数据传输线，布线繁杂；掌上抄表系统需抄表部门或用户用掌上抄表器抄取数据，因此降低了自动化程度；无线抄表系统采用无线收发设备传输数据，不需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力。本文设计的抄表系统利用GSM无线网络，将采集到的电表数据以短消息的形式发送到数据处理中心，然后根据数据处理结果采取相应动作，实现电表的远程自动抄收。?
基于GSM网络的远程抄表系统结构如图1所示。
2.1电能计量与采集
计算某一负载的电能W可对瞬时功率p在一段时间Δt内积分得到。
?
电能的计量采用美国AD公司专门设计的一款高准确度电能测量集成芯片AD7755［1］。它的精度高，在500∶1的动态范围内误差小于0.1%，且芯片外围电路简单，便于系统的开发。引脚V1P、V1N为电流通道的正、负模拟输入端(差动输入)，正常工作最大信号电平为±470mV。V2P、V2N为电压通道的正、负模拟输入端(差动输入)，正常工作最大输入电压为±660mV。芯片引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，它们能直接驱动机电式计度器或微控制器(MCU)接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。
电表数据的采集过程是：首先对输出脉冲计数，然后乘以每个脉冲代表的电量。实现时可利用单片机AT89S51对外部脉冲的计数功能。数据显示采用十进制数来表示用户当前的用电量。
2.2多用户抄表设计
为了降低系统成本，采用多用户共用通信模块的多机通信功能［2］。在单片机串行口控制寄存器SCON中有一位多机通信控制位SM2。当串行口以方式2或3(9位异步通信方式)接收数据时，若SM2=1，则仅当接收到的第9位数据为1时，本帧数据才装入接收缓冲区SBUF，且置接收中断标志位RI为1，向CPU发出中断请求信号；若第9位数据为0，则不产生中断请求信号，数据将丢失。SM2=0时，则接收到一个数据字节后，不管第9位是0还是1，都产生中断标志，将接收数据装入SBUF。本系统中多用户数据传输的实现如下图所示。
计算某一负载的电能W可对瞬时功率p在一段时间Δt内积分得到。
? 电能的计量采用美国AD公司专门设计的一款高准确度电能测量集成芯片AD7755［1］。它的精度高，在500∶1的动态范围内误差小于0.1%，且芯片外围电路简单，便于系统的开发。引脚V1P、V1N为电流通道的正、负模拟输入端(差动输入)，正常工作最大信号电平为±470mV。V2P、V2N为电压通道的正、负模拟输入端(差动输入)，正常工作最大输入电压为±660mV。芯片引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，它们能直接驱动机电式计度器或微控制器(MCU)接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。
电表数据的采集过程是：首先对输出脉冲计数，然后乘以每个脉冲代表的电量。实现时可利用单片机AT89S51对外部脉冲的计数功能。数据显示采用十进制数来表示用户当前的用电量。
2.2多用户抄表设计
为了降低系统成本，采用多用户共用通信模块的多机通信功能［2］。在单片机串行口控制寄存器SCON中有一位多机通信控制位SM2。当串行口以方式2或3(9位异步通信方式)接收数据时，若SM2=1，则仅当接收到的第9位数据为1时，本帧数据才装入接收缓冲区SBUF，且置接收中断标志位RI为1，向CPU发出中断请求信号；若第9位数据为0，则不产生中断请求信号，数据将丢失。SM2=0时，则接收到一个数据字节后，不管第9位是0还是1，都产生中断标志，将接收数据装入SBUF。本系统中多用户数据传输的实现如下图所示。
主从式多用户数据传输的实现过程如下：首先，由系统初始化程序分别将主机和从机的串行口编程为方式2，REN=1，允许串行口中断，主机置SM2=0，从机置SM2=1；其次，主机向各从机发送地址“01”，各从机接到数据后进入中断服务程序，判断地址是否与本机地址一致。在此期间只有从机1的地址与“01”相符，因此置SM2=0，向主机传送数据。数据传送完毕，从机置SM2=1，主机向从机2发送地址信息并等待接收数据。所有从机数据传送完毕，程序循环进行。
图3和图4分别为多用户数据传输中主机和从机的数据传输程序流程图(以两个从机为例)。
图3和图4分别为多用户数据传输中主机和从机的数据传输程序流程图(以两个从机为例)。
? 通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分，它通过AT指令实现对短信收发模块的控制，把电能数据以短消息的形式送至管理端，并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。
AT指令是短信收发模块与外部控制设备之间的接口。为了实现短消息的收发和系统的控制与管理，可通过设定特征字符的方法实现通讯控制模块和短信收发模块之间的数据传输。通信控制模块通过串行口与GSM模块进行数据传输。此模块工作时，如接收到GSM模块传送的数据，便进入串口中断服务程序。在中断服务程序中，对接收到的数据进行检测，如果检测到某一特征字符便调用相应的子程序。
2.4GSM模块
本系统采用的GSM模块为WAVCOME最新推出的新一代GSM模块Q2403A，它与GSM phase2/2+兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS232数据口，符合ETSI标准且易于升级为GPRS模块；该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短信息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。
短消息服务(SMS)属于GSM第一阶段(Phase1)的标准，是通过手机发送和接收有限长度的文本信息的功能。文本信息是词语、数字和字母的组合，一条短消息可以包含160个英文字母(7bit编码，文本模式)或70个非拉丁字母(16bit编码，PDU模式)，如中文汉字或阿拉伯字等Unicode编码［3］。系统中为了使发送的每一条短消息能够最多的承载用户数据可将GSM模块设定为文本模式。?
AT指令是短信收发模块与外部控制设备之间的接口。为了实现短消息的收发和系统的控制与管理，可通过设定特征字符的方法实现通讯控制模块和短信收发模块之间的数据传输。通信控制模块通过串行口与GSM模块进行数据传输。此模块工作时，如接收到GSM模块传送的数据，便进入串口中断服务程序。在中断服务程序中，对接收到的数据进行检测，如果检测到某一特征字符便调用相应的子程序。
2.4GSM模块
本系统采用的GSM模块为WAVCOME最新推出的新一代GSM模块Q2403A，它与GSM phase2/2+兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS232数据口，符合ETSI标准且易于升级为GPRS模块；该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短信息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。
短消息服务(SMS)属于GSM第一阶段(Phase1)的标准，是通过手机发送和接收有限长度的文本信息的功能。文本信息是词语、数字和字母的组合，一条短消息可以包含160个英文字母(7bit编码，文本模式)或70个非拉丁字母(16bit编码，PDU模式)，如中文汉字或阿拉伯字等Unicode编码［3］。系统中为了使发送的每一条短消息能够最多的承载用户数据可将GSM模块设定为文本模式。?
管理中心的计算机为整个抄表系统的核心部分。由它发出抄表指令，并通过对数据库中数据的统计、分析，发出切断或接通用户电源的控制指令。
管理端的应用软件是在Visual Basic的环境下开发的。通过DAO(Database Access Object)模式，Visual Basic提供对数据库的支持。DAO模型是设计关系数据库系统结构的对象类的集合。它们提供了管理关系数据库系统所需要的全部操作的属性和方法，这其中包括创建数据库，定义表、字段和索引，建立表间的关系，定位和查询数据库等。管理中心的应用软件所具有的功能有：数据处理、数据分析、控制、报表输出等。
以上所述只是抄表系统的基本框架，为了实现抄表、缴费、查询一体化，可将用电管理中心与定点收费银行联网，每到缴费期间系统自动划掉用户缴费卡上的本月电费。此外，管理中心还可通过无线网络与用户手机联系起来，如发现缴费卡上的金额低于某一值，可通过短信息的方式通知用户。这样不仅提高了用电管理的工作效率，还方便了广大用户。本系统中，若采用CDMA收发模块，则可同时在GSM和CDMA网络完成电表数据自动抄收。
管理端的应用软件是在Visual Basic的环境下开发的。通过DAO(Database Access Object)模式，Visual Basic提供对数据库的支持。DAO模型是设计关系数据库系统结构的对象类的集合。它们提供了管理关系数据库系统所需要的全部操作的属性和方法，这其中包括创建数据库，定义表、字段和索引，建立表间的关系，定位和查询数据库等。管理中心的应用软件所具有的功能有：数据处理、数据分析、控制、报表输出等。
以上所述只是抄表系统的基本框架，为了实现抄表、缴费、查询一体化，可将用电管理中心与定点收费银行联网，每到缴费期间系统自动划掉用户缴费卡上的本月电费。此外，管理中心还可通过无线网络与用户手机联系起来，如发现缴费卡上的金额低于某一值，可通过短信息的方式通知用户。这样不仅提高了用电管理的工作效率，还方便了广大用户。本系统中，若采用CDMA收发模块，则可同时在GSM和CDMA网络完成电表数据自动抄收。
(1)垃圾短信。短信收发模块有时会收到系统消息或其他垃圾短信，如果不能识别这些短信将会使系统的运行不稳定，造成传输错误；(2)系统的安全性。因为数据的传输是靠特征字符来实现的，如果模块收到的垃圾短信是以英文方式发送的话，系统的安全性将受到极大威胁。对以上问题采取如下办法解决：
(1)通过特征字符来识别垃圾短信。例如，现在民用短消息一般为中文短消息，而中文短消息是不含特征字符的，这样便可拒绝部分垃圾消息。对于英文短消息则通过加密处理来解决。(2)为了提高系统的安全性，在控制字符后再加类似密码的一定位数的字符或数字，如加6位数字“121212”。当检测到有控数字符时，首先启动密码检测子程序，检测的结果中如果没有“121212”，或与“121212”不符，则新收到的短消息被认为是垃圾短信，不予处理。这样便可大大提高系统的安全性。?
(1)通过特征字符来识别垃圾短信。例如，现在民用短消息一般为中文短消息，而中文短消息是不含特征字符的，这样便可拒绝部分垃圾消息。对于英文短消息则通过加密处理来解决。(2)为了提高系统的安全性，在控制字符后再加类似密码的一定位数的字符或数字，如加6位数字“121212”。当检测到有控数字符时，首先启动密码检测子程序，检测的结果中如果没有“121212”，或与“121212”不符，则新收到的短消息被认为是垃圾短信，不予处理。这样便可大大提高系统的安全性。?
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( 发表人：发烧友 )