摘 要: 分析了基于GPRS的無線通信技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，介紹了配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出了一種基于ARM7和GR47的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端" title="監(jiān)控終端">監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)思路，并給出了監(jiān)控終端硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞： GPRS 配電網(wǎng)? 監(jiān)控
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隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行尤為重要。一旦發(fā)生停電事故，將給生產(chǎn)和生活帶來巨大的影響和損失，因此迫切需要對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)地在線監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)傳輸將由監(jiān)控終端測(cè)量的反映設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)送進(jìn)主站，它是在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
電力系統(tǒng)有很多設(shè)備分布比較分散且處在偏僻之地，如果采用有線通信的方式將是一個(gè)沉重負(fù)擔(dān)。目前的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中大多采用GSM通信網(wǎng)、SMS(短消息)等通信平臺(tái)，由于數(shù)據(jù)傳輸方式上的限制，系統(tǒng)還存在許多不足，不能充分滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。GPRS是一種以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，高速傳輸、低速數(shù)據(jù)及信令的高效數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。與GSM網(wǎng)絡(luò)采用電路交換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较啾染哂刑貏e的優(yōu)勢(shì)：①突破了GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最高傳輸速率為9.6kbps的限制,最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)171.12kbps；②GPRS移動(dòng)臺(tái)接入速度快，一旦接入一直“在線”。特別是它采用數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)并向用戶提供四種可供協(xié)商QoS類別的服務(wù)，既適合短時(shí)的突發(fā)大數(shù)據(jù)量通信，也適合小數(shù)據(jù)量的長(zhǎng)時(shí)間通信[1]。
1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控終端、監(jiān)控中心服務(wù)器和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中監(jiān)控終端采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和控制；GPRS網(wǎng)絡(luò)完成監(jiān)控中心和監(jiān)控終端之間的透明數(shù)據(jù)傳輸；監(jiān)控中心負(fù)責(zé)分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，作出控制指令，完成數(shù)據(jù)庫的維護(hù)等工作。
1.1 GPRS監(jiān)控終端工作原理
監(jiān)控終端采用GPRS無線模塊作為其無線收發(fā)裝置，用于實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接。當(dāng)該模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接成功之后，通過發(fā)送PDP上下文激活，由GGSN為其分配IP地址并與外部網(wǎng)絡(luò)建立連接。完成連接，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控終端采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，按照應(yīng)用層協(xié)議組成數(shù)據(jù)包發(fā)送給監(jiān)控中心；同時(shí)也響應(yīng)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和控制指令等，兩者之間是透明串行數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)傳輸過程如下：①GPRS模塊通過串行接口從MCU獲得上傳數(shù)據(jù)；②處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站(BTS)；③分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)；④若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一GPRS終端，則先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端；若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet),則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，再發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)，送達(dá)監(jiān)控中心。
1.2 GPRS監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)
如圖2所示,監(jiān)控終端由主控處理器、GPRS通信模塊、智能監(jiān)控儀表、狀態(tài)顯示等模塊構(gòu)成。
主控處理器是監(jiān)控系統(tǒng)的核心。LPC2106是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU，擁有128KB高速FLASH，64KB的SRAM；一個(gè)連接Modem接口信號(hào)的串行口，一個(gè)兩線串口；10MHz的外部時(shí)鐘下，可在內(nèi)部通過鎖相環(huán)倍頻到60MHz；特別適合于小型化應(yīng)用。主控處理器解析來自GRPS網(wǎng)絡(luò)的指令，管理485總線上的各個(gè)智能儀表，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。
GPRS模塊采用Sony-Ericsson公司的GR47。它帶有GSM /GPRS全套語音和數(shù)據(jù)功能，具有GPRS和SMS兩種無線數(shù)據(jù)傳輸通道，集成有功能強(qiáng)大的CPU并向用戶開放其系統(tǒng)資源，同時(shí)模塊內(nèi)嵌有TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧。用戶可以避開復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)置，只要對(duì)GR47進(jìn)行合理的配置，即可實(shí)現(xiàn)LPC2106與監(jiān)控服務(wù)器之間的透明串行數(shù)據(jù)傳輸。通過對(duì)GPRS連接狀態(tài)的輪詢，保持GPRS始終在線。
SIM卡是獲取GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)必不可少的部分，用于GPRS遠(yuǎn)程終端的SIM卡應(yīng)在使用前開通GPRS服務(wù)。
E2PROM用于保存用戶數(shù)據(jù)，如監(jiān)控中心服務(wù)器的IP地址，連接GPRS服務(wù)器的時(shí)間常數(shù)，GPRS連接參數(shù)等等。用戶只需要配置一次，即使監(jiān)控終端復(fù)位或者斷電、LPC2106程序重新燒入，都不會(huì)對(duì)GPRS連接參數(shù)產(chǎn)生影響。LPC2104通過I2C總線訪問E2PROM。
模式切換模塊采用撥碼開關(guān)，用于設(shè)定終端系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
LPC2106可以通過調(diào)試接口同上位機(jī)通信，操作人員可以通過該接口實(shí)現(xiàn)對(duì)LPC2106的設(shè)置、程序代碼寫入和調(diào)試，同時(shí)也可以通過該接口分析485總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，方便地進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。
監(jiān)測(cè)儀表采用珠海派諾電子有限公司的PMAC720智能電表。該電表支持MODBUS協(xié)議，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控、低壓配電等自動(dòng)化領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣及電度數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)量、開關(guān)量模擬量的輸入和輸出、諧波分析等功能。LPC2104通過485總線，依照MODBUS協(xié)議訪問各個(gè)電表，讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，查詢各開關(guān)量狀態(tài)。
2 監(jiān)控終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控終端的軟件包括前臺(tái)的主監(jiān)控流程和后臺(tái)的中斷流程。前臺(tái)主程序模塊流程如圖3所示，監(jiān)控終端有配置和應(yīng)用兩種工作模式，通過狀態(tài)切換來設(shè)定終端的工作狀態(tài)。配置模式完成系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，應(yīng)用模式則完成對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集和異常保護(hù)等功能。
在沒有收到監(jiān)控中心指令幀的情況下，系統(tǒng)工作在前臺(tái)主監(jiān)控流程，一旦接收到監(jiān)控中心的指令幀，系統(tǒng)切換到后臺(tái)中斷服務(wù)程序流程，按照應(yīng)用層協(xié)議，對(duì)監(jiān)控中心的指令幀進(jìn)行指令解析、指令響應(yīng)等工作。前臺(tái)主監(jiān)控流程不斷地刷新數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以得到最實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)；在接到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，后臺(tái)服務(wù)程序?qū)褦?shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按照應(yīng)用層協(xié)議封包，發(fā)送到監(jiān)控中心GPRS服務(wù)器。
除了固定時(shí)間間隔心跳幀和配電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)的異常數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端不會(huì)主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心只能通過固定時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)請(qǐng)求來獲得數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)決策支持系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)的需要不定時(shí)地作出某些數(shù)據(jù)請(qǐng)求。
2.1 配置模式
該模式下，操作人員可以通過調(diào)試接口，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)做出設(shè)置。該設(shè)置參數(shù)將會(huì)被寫入E2PROM，系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)用模式后將從E2PROM中讀出參數(shù)，并在該參數(shù)下運(yùn)行。參數(shù)說明如表1所示。
每個(gè)GPRS監(jiān)控終端都擁有自己惟一的ID號(hào)，以此來區(qū)分監(jiān)控中心發(fā)送過來的消息是不是本地消息。在每個(gè)心跳間隔周期，監(jiān)控終端都會(huì)主動(dòng)向監(jiān)控中心GPRS服務(wù)器發(fā)出心跳幀，表明自己工作正常。監(jiān)控終端向監(jiān)控中心服務(wù)器發(fā)出的任何數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀，都應(yīng)該收到服務(wù)器應(yīng)答信號(hào)，在設(shè)定的應(yīng)答時(shí)間內(nèi)沒有收到應(yīng)答，該數(shù)據(jù)幀將被重發(fā)，重發(fā)超過3次該數(shù)據(jù)幀將被丟棄。
2.2 應(yīng)用模式
該模式下，系統(tǒng)讀取E2PROM中的系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。如果參數(shù)設(shè)置有誤或者參數(shù)未設(shè)置，將出現(xiàn)錯(cuò)誤提示。系統(tǒng)會(huì)循環(huán)檢測(cè)GPRS的連接狀態(tài)，在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)GPRS掉線并進(jìn)行重新連接，以保持GPRS通信的正常進(jìn)行。
2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控
現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控的主要功能是監(jiān)控配電網(wǎng)電流、電壓是否在正常范圍。一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，監(jiān)控終端將進(jìn)行相應(yīng)異常動(dòng)作，并生成遙信數(shù)據(jù)以指示監(jiān)控中心故障類型，記錄故障時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)并主動(dòng)將該數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心GPRS服務(wù)器。
2.2.2 GPRS連接
GPRS連接的流程如圖4所示。LPC2106通過URAT1向GR47寫入AT命令，使其連接遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心。GR47內(nèi)嵌有一個(gè)TCP/IP的協(xié)議棧，用其建立一個(gè)TCP或UDP連接。以下給出GR47執(zhí)行AT命令的示例[2]：
?、貯T+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”。該命令建立PDP上下文，其中1表示所建立的PDP上下文的編號(hào)，“IP”說明所用的協(xié)議，“CMNET”是中國(guó)移動(dòng)的APN。
?、贏T*E21PA=1,1。該命令激活I(lǐng)P會(huì)話，第一個(gè)“1”表示激活I(lǐng)P；第二個(gè)“1”是上邊所建立的PDP上下文的編號(hào)。
?、跘I*E2IPI=0。該命令用于查看GR47所獲得的IP地址，如果命令執(zhí)行成功則返回IP地址。
?、蹵T*E2IP0=I,“202.114.85.22”,37215，該命令用于發(fā)起一個(gè)TCP連接，若第一個(gè)參數(shù)是“0”則表示發(fā)起UDP連接，后兩個(gè)參數(shù)分別是要連接的IP地址和端口號(hào)。
當(dāng)發(fā)起一個(gè)TCP或UDP連接后，GR47就進(jìn)入了數(shù)據(jù)模式，此時(shí)GR47將接收到的任何數(shù)據(jù)都原封不動(dòng)的發(fā)送出去，并且處于數(shù)據(jù)模式時(shí)GR47不識(shí)別任何AT命令。若需要執(zhí)行AT命令則應(yīng)將DTR信號(hào)線置低電平使GR47進(jìn)入在線命令模式[2-3]。
2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集
采用PMAC720智能電表能夠很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)電氣數(shù)據(jù)的采集。PMAC720智能電表支持MODBUS總線，LPC2106依照MODBUS總線規(guī)范向PMAC720做出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，該請(qǐng)求的數(shù)據(jù)幀被發(fā)送到485總線上，便可以得到配電網(wǎng)上的各類數(shù)據(jù)。485總線上擁有多個(gè)電表節(jié)點(diǎn)，通過ID號(hào)來區(qū)分各電表。每個(gè)電表只接受本地?cái)?shù)據(jù)。
為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，筆者在LPC2106的RAM中開辟了足夠大的緩沖區(qū)，把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不斷地刷新到緩沖區(qū)。在此設(shè)計(jì)下，監(jiān)控終端一旦接收到監(jiān)控中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，立刻就把緩沖區(qū)中的當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送出去，有效地提高了監(jiān)控終端的響應(yīng)速度，而且數(shù)據(jù)最遲也是前1～2秒的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)于配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)而言，是完全可以滿足其需求的。
本文討論了配電網(wǎng)遠(yuǎn)程無線終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。監(jiān)控終端系統(tǒng)以GPRS作為承載網(wǎng)絡(luò),利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、可靠性高、費(fèi)用低廉等優(yōu)勢(shì)完成數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控等功能，提高了配電網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化程度，經(jīng)過實(shí)際使用證明，具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。
參考文獻(xiàn)
[1]王松宏，李德華.基于GPRS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)[J]，計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2005，25(6).
[2]Sony-Ericsson Mobile Communications GR47/GR48 AT Commands Manual.2003.
[3]Sony-Ericsson Mobile Communications GR47/GR48 Design Guidelines.2003.