基于無線數據的遠程抄表系統的原理與建立

寧夏吳忠供電局 章望珠

在當前信息環境下，對廣大的電力業主實現抄表，就是將現代化電表通過通信網絡與控制中心的計算機聯絡，實現對電量的自動、集中、定時抄錄，并進行統計和分析[1]。電力業主抄表自動化是電力系統遠程化與網絡化的一個基本功能，也是用電營業管理自動化的一個重要手段和組成部分[2]。比如電力部門期望抄表系統不但能夠進行隨機抄表和定時抄表，而且還可以對進行監視，能有效地得到竊電的證據。近年來我國不少電力研究部門研制生產了不同方式的業主集中抄表系統[3]。而隨著無線電技術和網絡通信技術的發展，遠程集中抄表技術的通信問題也得到解決。本文為此具體探討了基于無線數據的遠程抄表系統的原理與建立措施。

1.遠程抄表系統的功能分析

遠程抄表系統是自動采集和記錄電力系統業主負荷的用電情況，并且通過通信方式，自動將記錄的數據和業主信息通過信道傳回電力用電管理中心，并由系統進行數據處理，自動完成電力系統用電業主的電能量計費和管理功能的系統。通過定義分析與用電管理要求，其具備以下功能：（1）自動、定時地抄錄各業主的用電量；（2）按用電的時間和季節自動調整核算每個業主的電價；（3）通過銀行向各業主自動完成轉賬收款、電費結算；（4）為電力部門提供有效的電網運行參數，為電力管理自動化的實現提供基礎數據；（5）實現業主電表工作狀況的實時監測，當業主電表有異常錯誤時本系統可以自動上報，也可對電表硬件進行實時管理[4]。

2.GPRS通信技術分析

GPRS技術是第二代移動通信技術向第三代移動通信技術的過渡技術，它以分組交換技術為基礎，業主通過GPRS可以在移動狀態下使用各種高速數據業務。GPRS采用分組交換技術，每個業主可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個業主共享，資源被有效的利用。具體來說，GPRS通信技術的特點主要體現在以下幾個方面：GPRS采用分組交換技術，優化了對網絡資源和無線資源的利用。GPRS無線信道，且分配方式靈活，且向上鏈路和向下鏈路的分配是獨立的。支持中、高速率數據傳輸，提供了與現有數據網的無縫連接。GPRS的安全身份認證和加密功能由SGSN來執行。業主數據在MS和外部數據網絡之間透明地傳輸，它使用的方法是封裝和隧道技術。GPRS可以實現基于數據流量、業務類型及服務質量等級（QoS）的計費功能，計費方式更加合理，業主使用更加方便。

3.基于無線數據的遠程抄表系統的原理與硬件組成

3.1 基本原理

本文的基于無線數據的遠程抄表系統的原理是集抄表和監視功能于一體，不但可以實現對電能表的抄表功能，而且還可以實現對電表計量現場情況進行監視，起到現場監控的作用[5]。它采用JPEG格式保存捕獲的現場圖像證據，有效地利用存儲器空間，并且采用GPRS網絡作為通信媒介，使系統不但可以通過短消息進行控制，而且可以將抄表數據和捕獲的竊電圖像證據通過電子郵件的方式傳送到指定郵箱。

3.2 硬件組成

基于GPRS網絡的無線遠程抄表及監視系統主要由管理中心、手機、GPRS網絡、現場單元等四部分組成。管理中心是裝設在電力部門用電管理處的計算機，用來接收現場單元以電子郵件方式發送的抄表數據和竊電圖像證據，并對信息分別進行管理。手機是系統的無線遠程遙控器，負責對系統發送各種短消息命令和接收系統返回的短消息，它是系統信息顯示和控制命令的終端設備。GPRS網絡是系統的通信媒介，通過它進行短消息的接收和發送以及電子郵件的發送。現場單元是整個系統的核心，它主要由電能表、攝像模塊、通信模塊和控制單元等四部分組成。電能表用來提供電力業主的用電數據；攝像模塊用來捕獲現場竊電時的圖像證據；通信模塊用來與GPRS網絡通信，通過它接收和發送短消息、傳送現場單元的各種抄表數據和竊電圖像證據；控制單元又是現場單元的核心部分，它需要協調電能表、攝像模塊、通信模塊的工作。

4.基于無線數據的遠程抄表系統的硬件設計

4.1 通信模塊設計

本系統所采用的現場單元是通過單片機C8055E6.0的串行通信口UARTO，經MAX500芯片進行電平轉換后與通信模塊相連，采用了通信模塊的14腳插座的RS232通信接口。其中0.1μ的電容C8是去耦電容，防止高速跳變電流引起芯片MAX232供電電壓的波動；電解電容C22是為了保證GPRS通信模塊供電電壓的穩定。

4.2 攝像模塊設計

本系統通過對攝像模塊LMM2100A的硬件接口和命令的介紹，通過單片機C8055E6.0的串行通信口UARTl與攝像模塊的應用接口相連，通過攝像模塊的命令即可實現對它的控制，從而獲得JPEG格式的圖像文件。攝像模塊的接口電路的具體實現時，只需將現場單元的電源和地與攝像模塊LMM2100A的電源和地連，將單片機C8055E6.0的串行通信口UART1的發送引腳和接收引腳與攝像模塊的接收引腳和發送引腳相連就可以。

4.3 電能表模塊設計

圖5-1 基于無線數據的遠程抄表系統的軟件設計

結合單片機C8055E6.0具有可編程計數器陣列（PCA），本模塊包括5個捕捉/比較模塊，用其中的任意兩個捕捉/比較模塊均能夠實現軟件UART功能。正因為如此，現場單元借用PCA來模擬實現波特率為9600bps的UART功能，再通過MAX485進行電平轉換與RS485接口的電能表通信。

圖6-1 廣度優先生成樹拓撲結構圖

5.基于無線數據的遠程抄表系統的軟件設計

基于無線數據的遠程抄表系統的軟件設計主要包括以下3個功能模塊：處理短消息命令功能模模塊（FLAG1）、進行現場圖像的拍攝及傳輸的功能模塊（FLAG2）、定時抄表的功能模塊（FLAG3）。其中FLAG1的主要功能為在UARTO中斷子程序中置位該標志，FLAG2在/INTO中斷子工程中置位該標志，FLAG3在/INT1中斷子工程中置位該標志。軟件設計的主要流程為圖5-1。

軟件處理流程為：系統上電后，單片機C8055E6.0就開始執行主程序。在主程序中，首先進行系統初始化，然后清零子功能模塊標志位，接著啟動看門狗電路，最后進入主程序的循環部分，它包括：根據標志位FLAG1判斷是否收到授權手機業主發來的短消息命令；根據標志位FLAG2判斷現場的外部觸發電路是否啟動以決定是否進行攝像操作；根據標志位FLAG3判斷是否進行定時抄表操作。

6.基于無線數據的遠程抄表系統的仿真及分析

本文的仿真平臺主要使用OPNET，其是世界上最先進的網絡仿真開發的應用平臺之一。根據本系統的節點部署，按照廣度優先生成樹算法得出來的網絡拓撲如圖6-1所示。

當Fu_DMTs小于零時，表示使用Fu_DMTs算法得到的節點本地時鐘與根節點時鐘的偏差值小于使用DMTs算法的。從圖中我們可以看到，絕大多數的節點的_DMTs行值都小于零。因此，我們可認為Fu_DMTs算法的時步效果要好于DMTs算法。此外，我們可以看出各節本地時鐘與根節點時鐘的時鐘偏差均在1OOms級，滿足遠程抄表對時間同步的要求。

總之，本文根據遠程抄表應用的需求，初步設計了GPRS網絡的體系結構和相應的體系，極大地推進和提高供電部門的效率、效益和自動化管理水平。該項目技術的成功研發，可推廣應用到水表遠程集中抄表、煤氣表遠程集中抄表、熱能表遠程集中抄表、環境監測點數據遠程采集等系統的多智能體組網方案與實施。

[1]莊嚴,向農.電力遠程抄表系統的設計與實現[J].微計算機信息,2010,25(10):25-28.

[2]周書民,周建勇,潘仕彬,孫亞民.無線傳感器網絡中時鐘同步的研究[J].計算機技術,2006,32(9):24-26.

[3]周賢偉,韋煒,覃伯平.無線傳感器網絡的時間同步算法研究[J].傳感技術學報,2006,19(1):20-25.

[4]王紅紅,李仁俊.遠程抄表系統中的通信方式[J].電力系統通信,2010,24(11):47-50.

[5]周游,高新華.國內幾種電能表自動抄錄系統之比較[J].廣東電力,2009,15(1):55-58.