基于短消息的自動抄表系統(tǒng)分析

　　隨著電子技術(shù)和通信的發(fā)展，自動抄表系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用，各類相關(guān)產(chǎn)品也層出不窮，人們對新產(chǎn)品也提出了更高的要求。
　　
　　目前的自動抄表系統(tǒng)一般分為兩層結(jié)構(gòu)：上層（管理中心與集中站之間）數(shù)據(jù)采集采用星形網(wǎng)絡(luò)；底層（集中站和采集器或智能電能表之間）數(shù)據(jù)采集采用總線型結(jié)構(gòu)，如485總線、儀表總線等。目前上層數(shù)據(jù)采集根據(jù)信道介質(zhì)不同可分為光纖、電話線和無線等多種方式。
　　
　　其中無線方式，對于范圍廣、布局分散的集中站進行數(shù)據(jù)通信是一種較好的方式?，F(xiàn)在開發(fā)的一些自動抄表系統(tǒng)采用的是數(shù)據(jù)電臺或自行研制的無線通信系統(tǒng)。使用這種通信系統(tǒng)方式，安裝調(diào)試方便；主要缺點是須申請頻點使用權(quán)，另外自己須對通信網(wǎng)絡(luò)進行維護，這種專網(wǎng)通信系統(tǒng)的可靠性也沒有公網(wǎng)（如GSM網(wǎng)）的高。本節(jié)提出了一種基于短消息的自動抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托GSM網(wǎng)，采用短消息方式，通信質(zhì)量可靠，成本低，同時還能對集中器進行遠程監(jiān)控，是一種理想的自動抄表解決方案。
　　
　　一、系統(tǒng)的構(gòu)成和功能
　　
　　整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 - 142所示。中心管理機利用GM360無線調(diào)制解調(diào)器，通過GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)與各集中站以P87LPC767單片機為核心的下位機構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，對各電力采集點實施電量采集和遠程監(jiān)控。集中站以P87LPC767單片機為核心的下位機模塊通過GM360無線調(diào)制解調(diào)器利用短消息與管理中心進行通信。當中心發(fā)出采集指示后，P87LPC767單片機通過RS - 485總線按照三相電子式多功能電能表通信規(guī)范與所連接的電能表進行通信，采集電能表中存儲的電力數(shù)據(jù)；然后，再通過短消息將數(shù)據(jù)發(fā)回管理中心。另外下位機和智能電能表還可配備以89C2051為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對集中站和智能電能表周圍的環(huán)境和電網(wǎng)情況進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳送上位機。對于沒有智能電能表的供電區(qū)域也可采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實施監(jiān)測，但所采集的數(shù)據(jù)不能用作計量。當環(huán)境溫度、濕度等以及電網(wǎng)的電壓異常時，下位機即可通過短消息向管理中心或指定手機發(fā)回報警信息。管理中心經(jīng)過權(quán)衡后，可決定是否切斷該區(qū)域供電或派人維護。如須斷電，則通過短消息向下位機發(fā)出指令，由下位機再傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作控制供電回路。另外當用戶欠費時，也可實施停電處理。

1.管理機

　　監(jiān)控中心的管理機是由多媒體計算機、打印機、UPS電源等構(gòu)成的系統(tǒng)，通過GM360利用短消息與分散在不同位置的抄表機相互聯(lián)系。管理機采用VB編制的管理軟件實現(xiàn)信息的提取、發(fā)送及分析處理、顯示和聲光報警等功能，包括口令認證，口令設(shè)置，時間及日期設(shè)置與顯示，下位機編號與名稱設(shè)置，報警電話設(shè)置，退出系統(tǒng)，提取下位機數(shù)據(jù)以及控制電路通斷等功能。
　　
　　2．下位機
　　
　　下位機由P87LPC767、74HC245、MAX485、MAX202、24WC32、PCF8563和DC - DC電源模塊等構(gòu)成，通過RS - 485接口接入智能電能表，通過RS - 232接口接人GM360調(diào)制解調(diào)器；另外也可以通過RS - 485接口接人數(shù)據(jù)采集板，用于采集智能電能表周圍環(huán)境，實施對智能電能表的相關(guān)監(jiān)控。同時下位機具有電源監(jiān)控模塊，可用于下位機的電源監(jiān)控及蓄電池的充電控制。由于本系統(tǒng)的CPU P87LPC767采用I2C總線外擴存儲器和時鐘芯片，因此本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的特點。下位機硬件結(jié)構(gòu)如圖1 - 143所示，下位機程序框圖見圖1 - 144。

　　(1) P87LPC767結(jié)構(gòu)和性能
　　
　　P87LPC767是PHILIPS半導體公司推出的51PLC系列OTP(-次編程)單片機的一種。它在基本結(jié)構(gòu)、匯編指令等方面與80C51系列兼容；然而，它采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，時鐘頻率可高達20 MHz。20 MHz下其吞吐能力相當于40 MHz的傳統(tǒng)C51。雖然只有20個引腳，但I/O口的功能豐富，有兩個模擬比較器、Watchdog、IzC總線、4路8位A/D;使用片內(nèi)上電復位時，無須外接元件；溫度范圍為- 40～85℃（工業(yè)級）；內(nèi)部有4K OTP程序存儲器，串行的EPROM允許在線編程。
　　
　　(2) RS - 485接口
　　
　　RS - 485接口采用MAX485，用于與智能電能表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可完成對環(huán)境及電網(wǎng)的監(jiān)控。RS - 485接口，距離可以超過1 km。每個下位機最多可帶128個智能電能表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
　　
　　(3)掉電報警
　　
　　下位機具有掉電報警功能，電源控制電路主要實現(xiàn)開關(guān)電源與蓄電池供電的切換、蓄電池的充電以及交流電斷電與上電檢測等功能?？梢栽诮涣鞯綦姇r，將掉電日期、時間以及保存在24WC32 E2PROM中的下位機編號、名稱等數(shù)據(jù)報告給中心管理機或指定的手機。報警電話號碼也存儲在24WC32 E2PROM中。
　　
　　(4)存儲電路和時鐘電路
　　
　　存儲電路采用CATALYST公司生產(chǎn)的基于I2C總線的24WC32 E2PROM芯片。它具有1. 6~6.0 V的全電壓范圍和100萬次重寫及擦除周期，可存儲4 KB數(shù)據(jù)；時鐘電路采用基于IIC總線的PCF8563時鐘芯片，也是由CATALYST公司所生產(chǎn)；具有低工作電流，典型值為0. 25 μA，寬工作電壓范圍：1.0～5.5 V;同時，PCF8563還具有世紀標志。
　　
　　3．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以89C2051單片機為核心，與8路A/D轉(zhuǎn)換器TLC0838 -起構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對非智能設(shè)備的監(jiān)控。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 - 145所示。每個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有g(shù)路模擬量輸入，加上電量傳感器，可采集電網(wǎng)電壓、電流等數(shù)據(jù)。另外還有兩路開關(guān)量輸入、兩路開關(guān)量輸出接口，適合對一部智能電能表的監(jiān)控；同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以實施溫度及電網(wǎng)的監(jiān)控。每個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均采用RS - 485接口與下位機相連。

　　為降低硬件成本，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不設(shè)看門狗電路和單獨電源，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)復位信號和電源由下位機提供。另外由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所須處理的數(shù)據(jù)量較小，因此也不再單獨外擴存儲器。當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序跑飛時，下位機不能與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正確交換數(shù)據(jù)，此時，由下位機對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實施復位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序框圖如圖1 - 146所示。
　　
　　(1)模擬量采集
　　
　　多路數(shù)據(jù)采集電路采用TLC0838完成A/D轉(zhuǎn)換。TLC0838為8路A/D轉(zhuǎn)換，前端接有運放LM324組成的緩沖電路。由于LM324運放輸入電壓為0～4 V，所以電路之前加有兩個分壓電阻，用來擴展測量范圍，具體輸入范圍由用戶現(xiàn)場來確定。多路數(shù)據(jù)采集電路可以根據(jù)電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)來監(jiān)測電網(wǎng)電壓是否異常；同時，還可以通過溫度傳感器和其他傳感器對電力采集點環(huán)境因素進行監(jiān)測。根據(jù)實際的電力采集點情況選取溫度的測量范圍為-10~-+50℃，選用AD590作為傳感器。
　　
　　(2)開關(guān)量的輸入／輸出
　　
　　開關(guān)量輸出電路可驅(qū)動繼電器完成對設(shè)備電源、供電回路的開關(guān)控制；開關(guān)量輸入電路可用于對設(shè)備電源、供電回路等的開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測。
　　
　　二、通信問題
　　
　　1．通信方式
　　
　　監(jiān)控中心的管理機和監(jiān)控機通過GM360接人GSM網(wǎng)，利用短信息業(yè)務(wù)傳遞信息。該方式優(yōu)點是通信利用公網(wǎng)，免于維護，通信質(zhì)量有保證，價格比較低廉，目前每條短信息費用為0. 15元；缺點是實時性稍差，每條短信息有效載荷僅為140字節(jié)，對業(yè)務(wù)量大的應(yīng)用不太適合。另外，短信息利用GSM網(wǎng)絡(luò)的控制信道而不是語音信道進行數(shù)據(jù)的傳遞，用戶發(fā)出的短信息首先被發(fā)送到短信息中心的服務(wù)器中，然后短信中心的服務(wù)器對所收到的短信息進行排隊處理，按順序再發(fā)送給相應(yīng)的接收用戶終端。如果接收用戶關(guān)機或超出服務(wù)區(qū)不能正常通信，則該條短信息進行一定的延時后重新發(fā)送，這樣有可能造成后發(fā)的短信息先到的情況。此外短信息中心服務(wù)器為每個用戶開設(shè)的緩存區(qū)一般有限，約15～25條。當接收緩存區(qū)存滿而接收用戶還不能正常通信時，將不再接收新的短信息，即發(fā)生短信息擁塞，造成短信息丟失。
　　
　　另外，短信息在短信息中心服務(wù)器中保留的時間也有一定的期限，一般為一天左右。為了保證下位機與中心管理機的數(shù)據(jù)交換，一定要使接收機可靠地與網(wǎng)絡(luò)處于通信狀態(tài)。GM360模塊所接收的短信息被保存在SIM卡中，普通SIM卡一般能存儲25條短消息。因此，在使用過程中應(yīng)及時刪除已處理過的短信息，以免造成短信息的丟失。在該系統(tǒng)中采用多點輪詢的通信方式，即中心管理機按下位機地址呼叫，下位機接收后，將所需采集的數(shù)據(jù)送至中心管理機。當遇到下位機掉電時，還可由下位機利用蓄電池供電向管理中心或指定的手機進行三次報警。
　　
　　2．GM360調(diào)制解調(diào)器
　　
　　(1)主要特點
　　
　　●體積小，質(zhì)量輕，幾何尺寸為：131.5 mm×52.3 mm×13.6 mm;
　　
　　●自帶專用天線；
　　
　　●支持標準RS - 232串行接口；
　　
　　●內(nèi)含SIM卡讀卡器；
　　
　　●模擬語音輸入／輸出；
　　
　　●數(shù)字語音輸入／輸出；
　　
　　●透明模式與非透明模式最高傳輸速率為9 600 b/s;
　　
　　●短信息服務(wù)( SMS)，支持PDU模式，符合GSM07. 05標準；
　　
　　●AT命令集，符合GSM07. 07、GSM07. 05和V25標準；
　　
　　●工作電壓：5. 6～10 V，標稱值為6 V;
　　
　　●工作電流：待機70 mA，工作時平均450 mA;
　　
　　●操作溫度：-20～+70℃；
　　
　　●儲存溫度：- 40～+85℃。