基于SIM900的GPRS電能表遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)采集模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：針對(duì)國(guó)網(wǎng)GPRS三相智能電能表遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用，使用SIM900A并配合Coretex-M3 ARM處理器設(shè)計(jì)了GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，以實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程抄控。遠(yuǎn)程采集模塊內(nèi)嵌了RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了完整的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)策略，以及遠(yuǎn)程控制和異常事件預(yù)警等功能；同時(shí)，采集模塊實(shí)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(yuǎn)程主站的通信和現(xiàn)場(chǎng)電能表的抄控。經(jīng)過(guò)軟件協(xié)議的一致性測(cè)試，遠(yuǎn)程采集模塊實(shí)現(xiàn)了1376.1協(xié)議的一類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)64項(xiàng)、二類(lèi)凍結(jié)數(shù)據(jù)69項(xiàng)和三類(lèi)報(bào)警事件數(shù)據(jù)2項(xiàng)，具備了國(guó)網(wǎng)采集終端設(shè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的普及，國(guó)內(nèi)電能計(jì)量抄表領(lǐng)域，已經(jīng)逐步進(jìn)入自動(dòng)抄表時(shí)代。電力公司對(duì)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(yuǎn)程電能表的部署結(jié)構(gòu)，但對(duì)于高等學(xué)校、大型工礦等企事業(yè)單位，能夠使用帶遠(yuǎn)程費(fèi)控功能的GPRS三相智能電能表，并直接對(duì)聯(lián)采集主站，其結(jié)構(gòu)和成本更加*。針對(duì)電力公司GPRS三相智能電能表的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了采用SIM900A并配合ARM Coretex-M3處理器的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了完整的電能表數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程費(fèi)控、異常預(yù)警，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、協(xié)議處理，具備了國(guó)網(wǎng)采集終端的必要功能。

 

GPRS電能表遠(yuǎn)程采集模塊由SIM900A通信子模塊、STM32F103RC處理器及其RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組成。遠(yuǎn)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(hù)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(kuò)展的RS485抄表接口，其中本地基表的測(cè)量點(diǎn)定義為pn0，擴(kuò)展抄表接口的測(cè)量點(diǎn)定義為pn1-15，即遠(yuǎn)程采集模塊具備抄收16個(gè)測(cè)量點(diǎn)的能力。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

      STM32F103RC的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)接口，內(nèi)嵌了可使用外部獨(dú)立32.768KHz晶體振蕩器的日歷RTC，以及包括多達(dá)7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和支持ISO7816串行接口等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，可以滿足多種工業(yè)儀表的應(yīng)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(chǔ)操作的SPI接口DataFlash AT45DB321D構(gòu)成，并使用了STM32內(nèi)嵌的RTC日歷時(shí)鐘，其中RTC由獨(dú)立的32.768KHz晶振提供時(shí)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(biāo)準(zhǔn)接口，可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(jī)MCU通信，這使得GPRS子模塊和STM32主MPU之間的互聯(lián)十分簡(jiǎn)單。圖3所示的是SIM900A的原理圖設(shè)計(jì)，為保證SIM900A的器件安全，設(shè)計(jì)上對(duì)SIM卡座接口配備了獨(dú)立的ESDA6V1W5，以實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。圖3 SIM900A GPRS通信模塊原理圖(參見(jiàn)右欄)根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)遠(yuǎn)程電能表規(guī)范，三相無(wú)線電能表作為GPRS采集模塊的基表，向遠(yuǎn)程采集模塊提供供電電源?；硭峁┑哪M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(dá)2A，因此，為保證SIM900A、STM32F103 MCU的正常工作，設(shè)計(jì)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?yàn)門(mén)LV1117LV33 LDO能夠在1A電流下實(shí)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(yuǎn)程采集模塊的RTC日歷仍能夠正常計(jì)時(shí)，同時(shí)也為了確保在遠(yuǎn)程采集模塊掉電的瞬間，GPRS仍能夠向遠(yuǎn)端后臺(tái)主站發(fā)送掉電事件及報(bào)警等必要的交互信息，遠(yuǎn)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(yuǎn)程采集模塊外接了一個(gè)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(jìn)行限流充電；同時(shí)，為防止鋰電池的過(guò)充電，STM32F103處理器通過(guò)ADC通道實(shí)時(shí)地監(jiān)視鋰電池的端電壓，以便在電池端電壓低于3.6V時(shí)開(kāi)啟充電，并在端電壓達(dá)到4.1V時(shí)關(guān)閉充電開(kāi)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(kāi)關(guān)由PMOS管SI2301承擔(dān)。

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(yuǎn)程采集模塊與基表接口5V TTL電平的匹配，國(guó)網(wǎng)遠(yuǎn)程電能表型式規(guī)范明確了基表亦需要向遠(yuǎn)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(jiǎn)單。圖7所示的是遠(yuǎn)程采集模塊與基表的采集串口/外部RS485擴(kuò)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(shí)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(jìn)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(guó)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(shè)計(jì)如圖8所示。圖8 遠(yuǎn)程采集模塊的PCB布局（SIM900A面）。

 

      GPRS遠(yuǎn)程采集模塊的嵌入式軟件，使用了STM32處理器keil開(kāi)發(fā)平臺(tái)所集成的RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。根據(jù)遠(yuǎn)程采集模塊的功能要求，設(shè)計(jì)了電能表DL/T645通信收發(fā)任務(wù)(優(yōu)先級(jí)1)、GPRS Q/GDW1376.1通信任務(wù)(優(yōu)先級(jí)2)、自動(dòng)抄表機(jī)制與輪詢(xún)?nèi)蝿?wù)(優(yōu)先級(jí)3)、38KHz紅外串口收發(fā)任務(wù) (優(yōu)先級(jí)4)、1376.1協(xié)議解析與組幀任務(wù)(優(yōu)先級(jí)5)、服務(wù)器/客戶機(jī)心跳任務(wù)(優(yōu)先級(jí)6)和STM32 RTC日歷(優(yōu)先級(jí)7)，共7個(gè)任務(wù)。GPRS遠(yuǎn)程采集模塊的主程序運(yùn)行流程如圖9所示。

圖8 遠(yuǎn)程采集模塊的PCB布局

圖9 STM32主程序運(yùn)行圖

      main( )主程序首先執(zhí)行MCU內(nèi)核時(shí)鐘的配置，其中MCU內(nèi)核運(yùn)行于72MHz，低速外設(shè)總線運(yùn)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(shè)，并初始化采集模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，調(diào)用RTX任務(wù)調(diào)度模塊，將MCU系統(tǒng)資源交由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制，進(jìn)入多任務(wù)調(diào)度/運(yùn)行狀態(tài)。圖10所示的是GPRS通信任務(wù)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(yuǎn)程采集模塊的SIM900A工作于TCP/IP模式，當(dāng)數(shù)據(jù)需要遠(yuǎn)傳發(fā)送時(shí)，1376.1協(xié)議解析與組幀任務(wù)(優(yōu)先級(jí)5)通過(guò)設(shè)置GPRS發(fā)送任務(wù)信號(hào)量，在RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下，搶占式地實(shí)時(shí)觸發(fā)了GPRS通信任務(wù)(優(yōu)先級(jí)2)的運(yùn)行，并由GPRS通信任務(wù)執(zhí)行從1376.1協(xié)議幀的臨時(shí)緩沖區(qū)中讀取待發(fā)送的1376.1協(xié)議幀的報(bào)文，通過(guò)UART1實(shí)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(yuǎn)程采集模塊的測(cè)試基表為森暉研發(fā)部A22網(wǎng)絡(luò)電能表，其下行協(xié)議支持電能表DL/T645-2007；硬件測(cè)試設(shè)備為脈沖群EFT發(fā)生器、靜電發(fā)生器；測(cè)試主站使用國(guó)網(wǎng)采集終端1376.1協(xié)議一致性測(cè)試軟件。硬件實(shí)驗(yàn)：4KV快速脈沖群抗干擾度試驗(yàn)時(shí)，A22基表液晶屏幕微微抖動(dòng)，出現(xiàn)逆相序符號(hào)，GPRS遠(yuǎn)程采集模塊工作正常；15KV空氣放電抗干擾度試驗(yàn)時(shí)，A22基表會(huì)復(fù)位，但A22基表和GPRS遠(yuǎn)程采集模塊均可以在復(fù)位后自行恢復(fù)并正常工作；此外，GPRS遠(yuǎn)程采集模塊在線狀態(tài)時(shí)的功耗為1.4W，與公網(wǎng)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時(shí)的功耗為2W。協(xié)議一致性測(cè)試：按照國(guó)電網(wǎng)1376.1上行協(xié)議規(guī)范，使用國(guó)網(wǎng)采集終端協(xié)議一致性測(cè)試軟件共向GPRS遠(yuǎn)程采集模塊召測(cè)了一類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)64項(xiàng)，二類(lèi)歷史凍結(jié)數(shù)據(jù)69項(xiàng)，三類(lèi)報(bào)警事件數(shù)據(jù)2項(xiàng)，其中所召測(cè)的一類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)63項(xiàng)、二類(lèi)歷史凍結(jié)數(shù)據(jù)69項(xiàng)，三類(lèi)報(bào)警事件數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2項(xiàng)，均能夠在10秒內(nèi)成功返回。召測(cè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的具體統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。綜上，經(jīng)硬件試驗(yàn)和1376.1協(xié)議幀的一致性測(cè)試，遠(yuǎn)程采集模塊的設(shè)計(jì)，滿足了GPRS三相智能電能表遠(yuǎn)程采集、存儲(chǔ)和通信的設(shè)計(jì)需求。

表1 Q/GDW1376.1測(cè)試數(shù)據(jù)項(xiàng)及響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)表

注：一類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)第F27項(xiàng)的電能表日歷時(shí)鐘及電能表狀態(tài)信息，因GPRS遠(yuǎn)程采集模塊需要多次實(shí)時(shí)訪問(wèn)A22基表并由GPRS采集模塊合并、組幀和上報(bào)，耗費(fèi)了額外時(shí)間，需15秒才能應(yīng)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(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

5.2 系統(tǒng)功能

      AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢(xún)、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。

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

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。

 

 

能耗分析:用戶和管理員都可查詢(xún)預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過(guò)小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

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

 

遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的GPRS電能表遠(yuǎn)程采集模塊，實(shí)現(xiàn)了國(guó)網(wǎng)采集終端基本的一類(lèi)數(shù)據(jù)、二類(lèi)數(shù)據(jù)的采集/存儲(chǔ)功能，并實(shí)現(xiàn)了三類(lèi)異常事件的預(yù)警和掉電保護(hù)措施，以及必要的遠(yuǎn)程控制能力。遠(yuǎn)程采集模塊具備了國(guó)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(yuǎn)程采集模塊設(shè)計(jì)

【2】徐昊,劉友安. 電能計(jì)量與遠(yuǎn)程抄表應(yīng)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(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06

 

作者簡(jiǎn)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。