摘要：針對國網(wǎng)GPRS三相智能電能表遠程抄表的應用,，使用SIM900A并配合Coretex-M3 ARM處理器設計了GPRS遠程數(shù)據(jù)采集模塊,，以實現(xiàn)GPRS遠程抄控。遠程采集模塊內(nèi)嵌了RTX實時操作系統(tǒng)，并設計了完整的數(shù)據(jù)采集、存儲策略,，以及遠程控制和異常事件預警等功能,；同時，采集模塊實現(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，遠程采集模塊實現(xiàn)了1376.1協(xié)議的一類實時數(shù)據(jù)64項,、二類凍結(jié)數(shù)據(jù)69項和三類報警事件數(shù)據(jù)2項,，具備了國網(wǎng)采集終端設備的必要功能。

關(guān)鍵詞:SIM900A,；Coretex-M3,；采集模塊；Q/GDW1376.1,；電能表

 

      隨著計算機系統(tǒng)應用的普及,，國內(nèi)電能計量抄表領(lǐng)域，已經(jīng)逐步進入自動抄表時代,。電力公司對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-遠程電能表的部署結(jié)構(gòu)，但對于高等學校,、大型工礦等企事業(yè)單位,，能夠使用帶遠程費控功能的GPRS三相智能電能表，并直接對聯(lián)采集主站,，其結(jié)構(gòu)和成本更加*,。針對電力公司GPRS三相智能電能表的應用，設計了采用SIM900A并配合ARM Coretex-M3處理器的遠程數(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)。采集模塊實現(xiàn)了完整的電能表數(shù)據(jù)采集,、遠程費控,、異常預警，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲,、協(xié)議處理,，具備了國網(wǎng)采集終端的必要功能。

 

GPRS電能表遠程采集模塊由SIM900A通信子模塊,、STM32F103RC處理器及其RTX實時操作系統(tǒng)組成,。遠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抄表接口和一路擴展的RS485抄表接口,，其中本地基表的測量點定義為pn0，擴展抄表接口的測量點定義為pn1-15,，即遠程采集模塊具備抄收16個測量點的能力,。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

      STM32F103RC的運行頻率72MHz，并具備90DMIPS的處理性能,，其集成SPI,、I2C、UART等高性能工業(yè)標準接口,，內(nèi)嵌了可使用外部獨立32.768KHz晶體振蕩器的日歷RTC,，以及包括多達7個定時器、2個12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和支持ISO7816串行接口等標準外設,，可以滿足多種工業(yè)儀表的應用,。

圖2 STM32F103RC核心板原理圖

      采集模塊的核心板主要由STM32F103RC和32Mbit的支持高速存儲操作的SPI接口DataFlash AT45DB321D構(gòu)成，并使用了STM32內(nèi)嵌的RTC日歷時鐘,，其中RTC由獨立的32.768KHz晶振提供時基,，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)標準接口,，可以低功耗地實現(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的原理圖設計,，為保證SIM900A的器件安全，設計上對SIM卡座接口配備了獨立的ESDA6V1W5,，以實現(xiàn)靜電防護,。圖3 SIM900A GPRS通信模塊原理圖(參見右欄)根據(jù)國家電網(wǎng)遠程電能表規(guī)范，三相無線電能表作為GPRS采集模塊的基表,，向遠程采集模塊提供供電電源,。基表所提供的模擬部分供電電壓為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2A,，因此，為保證SIM900A、STM32F103 MCU的正常工作,，設計使用了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

      因為TLV1117LV33 LDO能夠在1A電流下實現(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,，遠程采集模塊的RTC日歷仍能夠正常計時,，同時也為了確保在遠程采集模塊掉電的瞬間，GPRS仍能夠向遠端后臺主站發(fā)送掉電事件及報警等必要的交互信息,，遠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遠程采集模塊外接了一個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進行限流充電,；同時，為防止鋰電池的過充電,，STM32F103處理器通過ADC通道實時地監(jiān)視鋰電池的端電壓,，以便在電池端電壓低于3.6V時開啟充電，并在端電壓達到4.1V時關(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,。

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遠程采集模塊與基表接口5V TTL電平的匹配,，國網(wǎng)遠程電能表型式規(guī)范明確了基表亦需要向遠程模塊提供電壓為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所示的是遠程采集模塊與基表的采集串口/外部RS485擴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設計如圖8所示,。圖8 遠程采集模塊的PCB布局（SIM900A面）,。

 

      GPRS遠程采集模塊的嵌入式軟件，使用了STM32處理器keil開發(fā)平臺所集成的RTX實時操作系統(tǒng),。根據(jù)遠程采集模塊的功能要求,，設計了電能表DL/T645通信收發(fā)任務(優(yōu)先級1)、GPRS Q/GDW1376.1通信任務(優(yōu)先級2),、自動抄表機制與輪詢?nèi)蝿?優(yōu)先級3),、38KHz紅外串口收發(fā)任務 (優(yōu)先級4)、1376.1協(xié)議解析與組幀任務(優(yōu)先級5),、服務器/客戶機心跳任務(優(yōu)先級6)和STM32 RTC日歷(優(yōu)先級7),，共7個任務。GPRS遠程采集模塊的主程序運行流程如圖9所示,。

圖8 遠程采集模塊的PCB布局

圖9 STM32主程序運行圖

      main( )主程序首先執(zhí)行MCU內(nèi)核時鐘的配置,，其中MCU內(nèi)核運行于72MHz，低速外設總線運行于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,，并初始化采集模塊的數(shù)據(jù)存儲,，調(diào)用RTX任務調(diào)度模塊，將MCU系統(tǒng)資源交由實時操作系統(tǒng)控制,，進入多任務調(diào)度/運行狀態(tài),。圖10所示的是GPRS通信任務中，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)送遠程采集模塊的SIM900A工作于TCP/IP模式,，當數(shù)據(jù)需要遠傳發(fā)送時，1376.1協(xié)議解析與組幀任務(優(yōu)先級5)通過設置GPRS發(fā)送任務信號量,，在RTX實時操作系統(tǒng)的調(diào)度下,，搶占式地實時觸發(fā)了GPRS通信任務(優(yōu)先級2)的運行，并由GPRS通信任務執(zhí)行從1376.1協(xié)議幀的臨時緩沖區(qū)中讀取待發(fā)送的1376.1協(xié)議幀的報文,，通過UART1實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送,。

圖10 SIM900A TCP/IP模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送

 

      GPRS遠程采集模塊的測試基表為森暉研發(fā)部A22網(wǎng)絡電能表,，其下行協(xié)議支持電能表DL/T645-2007；硬件測試設備為脈沖群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。硬件實驗：4KV快速脈沖群抗干擾度試驗時,，A22基表液晶屏幕微微抖動,，出現(xiàn)逆相序符號，GPRS遠程采集模塊工作正常,；15KV空氣放電抗干擾度試驗時,，A22基表會復位，但A22基表和GPRS遠程采集模塊均可以在復位后自行恢復并正常工作,；此外,，GPRS遠程采集模塊在線狀態(tài)時的功耗為1.4W，與公網(wǎng)進行交換數(shù)據(jù)時的功耗為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遠程采集模塊召測了一類實時數(shù)據(jù)64項,，二類歷史凍結(jié)數(shù)據(jù)69項,，三類報警事件數(shù)據(jù)2項，其中所召測的一類實時數(shù)據(jù)63項,、二類歷史凍結(jié)數(shù)據(jù)69項,，三類報警事件數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2項，均能夠在10秒內(nèi)成功返回,。召測數(shù)據(jù)項的具體統(tǒng)計情況如表1所示,。綜上，經(jīng)硬件試驗和1376.1協(xié)議幀的一致性測試,，遠程采集模塊的設計,，滿足了GPRS三相智能電能表遠程采集、存儲和通信的設計需求,。

表1 Q/GDW1376.1測試數(shù)據(jù)項及響應的統(tǒng)計表

注：一類實時數(shù)據(jù)第F27項的電能表日歷時鐘及電能表狀態(tài)信息,，因GPRS遠程采集模塊需要多次實時訪問A22基表并由GPRS采集模塊合并、組幀和上報,，耗費了額外時間,，需15秒才能應答返回

 

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)站和后臺集抄服務,，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列,，實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng),，達到先交費后用水的目的,，剩余水量用完自動關(guān)閥。

5.2 系統(tǒng)功能

      AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預付費電能表組成，通過通信網(wǎng)絡完成系統(tǒng)到表的充值,、查詢,、監(jiān)控、控制及短信報警等功能,。

      本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè),，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理,，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸,，財務操作分散，在線支付,，總部財務扎口等復雜的需求,。

遠程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺，快速便捷,，免去人工抄表 ,。

水表預付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作,。

遠程售電:財務集中管理,，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù),，方便快捷,。

 

 

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表,，包含用戶表的能耗,、財務數(shù)據(jù)、能耗和財務的期初期末值等數(shù)據(jù),。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費,，也可以實時關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒,、電表充值到賬提醒,，都可及時短信通知商戶。

 

遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作,，方便管理,。

 

 

5.3 產(chǎn)品選型

      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實時操作系統(tǒng)的GPRS電能表遠程采集模塊,，實現(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/存儲功能,，并實現(xiàn)了三類異常事件的預警和掉電保護措施,，以及必要的遠程控制能力,。遠程采集模塊具備了國網(wǎng)GPRS采集終端的必要功能。

 

【1】甘振華.基于SIM900A的GPRS電能表遠程采集模塊設計

【2】徐昊,劉友安. 電能計量與遠程抄表應用研究[J]. 華中電力,2010,23(4):72-75.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06

 

作者簡介：侯文莉,，女,，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展,。