基于GSM网络的远程自动抄表系统的设计与实现

随着电力系统用户环境的复杂化和管理要求的科学化，传统的人工抄表收费方式人户难、负担重、费用高和劳动强度大等弊病越来越突出。远程自动抄表系统综合利用了计算机、通信、网络和微电子技术，能有效解决以上问题，提高管理部门的工作效率。
本文设计了一种由测控终端、GSM网络和管理中心三部分组成的多功能远程自动抄表系统，着重介绍了测控终端和管理中心软件的设计方法。该系统具有抄收速度快、计算精度高、管理数字化、运行成本低等突出的优点，具有广阔的市场前景。

1 系统结构及工作原理

该系统主要由测控终端、传输网络和管理中心三部分组成，其结构框图如图l所示。

其中，智能电能表支持国家电力行业标准《多功能电能表通信规约》(DL／T645-1997)所规定的抄表协议，该协议将RS485接口规定为电能表标准的串行电气接口；测控终端主要包括数据采集单元和发送单元，数据采集单元用于采集各计量点的实时用电量信息以及各种电参数数据，发送单元通过RS232接口与GSM MO-DEM相连，利用GSM网络将数据传输到管理中心；数据经GSM MODEM接收后传至计算机，进行数据统计、存储显示及综合分析。

测控终端可以定时向管理中心发送用户用电数据和电网运行数据，管理中心也可以通过抄表指令向测控终端发送“抄表短信息”，查询各用户的用电情况。通过测控终端的监控单元，管理中心可以发现各种用电异常和窃电现象，并支持远程分合闸操作。

2 测控终端的设计

测控终端是整个系统中最重要的硬件设备，用于实现多功能电能表数据的采集和上传、设置电表／终端参数、欠费及故障告警和控制断路器分合闸等功能。

2.1 硬件电路设计

测控终端结构框图[1]如图2所示。

2.1.1 单片机控制单元

根据功能要求，需要较大容量的RAM以存储大量数据，同时还需要外接RS232和RS485两个接口，可见用一片单片机难以满足需要[2]。因此设计中利用两片单片机分别完成不同的任务，但关键在于两片单片机如何进行数据交换和协调通信。两个单片机均选用AT89C52，二者之间利用一片双口RAM IDT7134 SA进行并行数据传输。

两片单片机进行分工协作，完成控制功能。其中，单片机1根据抄表指令或设定的自动抄表时间采集电能表的相关数据，并在数据前加入头标志55H后将其存放在双口RAM的第一块区域。此外，该单片机还接收手持单元的控制命令，完成相应操作。单片机2通过GSMMODEM模块时刻等待接收管理中心的命令，并在抄表指令前加人头标志55H后将其存放在双口RAM的第二块区域。同时根据输入的开关状态量向管理中心或用户报警。单片机1查询双口RAM的第二块区域时，若发现开头为55H的抄表命令，则调用抄表子程序执行该命令。若为新的分合闸指令，则将其转存至RAM的第一块区域。同理，单片机2查询双口RAM的第一块区域时，若发现开头为55H的电表数据，则将其上传至管理中心；若为新的分合闸指令，则调用断路器控制子程序。单片机处理完每条命令或数据后都会将其头标志更改为0AAH，以免被重复读取执行。为了避免在某一单片机写／读双口RAM时另一单片机同时读／写该地址，造成读写错误，两单片机之间通过两根I／O口线进行握手联络。

2.1.2 通信单元

该单元包括向下和向上两个通信单元：终端与智能电能表间的向下通信单元以及终端与GSM MODEM模块间的向上通信单元。终端与智能电能表之间为RS485接口，采用MAX485芯片进行电平转换，数据依据《多功能电能表通信规约》[3]进行传输。

终端与GSM MODEM模块之间为RS232接口，采用MAX232芯片进行电平转换，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电荷泵电压转换器。两者按照《电力负荷管理系统数据传输规约——2004》[4]规定的帧格式、数据编码及传输规则进行通信[5]。

2.1.3 监控单元

监控单元监测断路器状态、电压缺相状态、门禁状态、电量控制和催费告警等开关量，经光电耦合器隔离保护后输入74HC165进行并／串转换，串行输出的数据送至单片机2的P1.2引脚。当开关量发生变化时(如传感器检测到电能表柜门被非法打开时，门禁状态会发生改变)，自动向管理中心发送报警信号。预存电量剩余下限告警时，在向管理中心发送信息的同时主动向用电户手机发送催费通知短信。

控制单元接收手持单元或管理中心的控制命令，完成断路器本地或远程分合闸操作。

2.1.4 手持单元

手持单元由3×8键盘阵列、16位数码显示管、两片数码管驱动及键盘控制芯片CH451组成。该单元通过扁平电缆与测控终端连接，即插即用，主要完成对测控终端的设置和调试。终端正常工作后，不必连接手持单元。

利用数字键和“编辑”、“确认”、“删除”及“上／下页”等按键可以根据系统要求、电能表功能和工作条件进行必要的设置，如设置终端时间、自动抄表日、中心和终端地址、行政区代码、通信速率、电压／电流互感器倍率、电表数量及通信地址、管理中心和用户手机号码等。通过“合／分闸”按键可以控制断路器的关闭和打开。“测试”按键用于测试通信链路状况。

显示屏幕可以直观实时显示设置的参数以及终端工作情况。显示屏幕分两行，第一行为显示内容对象及子项目序号，第二行为具体内容。

2.1.5 时钟电路单元

该单元为终端提供时钟信号，选用支持串行接口的高精度SD2300系列时钟芯片。

2.2 软件设计

软件利用C51语言编程。单片机1的程序主要包括初始化、抄表读数模块、通信模块和手持单元模块，其流程图如图3所示。单片机2的程序主要包括初始化、发送信息模块、报警模块和分合闸操作模块，其流程图如图4所示。

3 管理中心软件的设计

管理中心软件包括通信软件和管理软件，均采用面向对象的编程技术，用可视化编程软件VB设计[6]。管理中心软件结构示意图[7]如图5所示。

3.1 通信软件设计

通信软件是管理中心通过GSM网络与测控终端实现数据交换的模块。串口通信采用MSCOMM控件来实现，该控件在部件选项中为MICROSOFT COMM CON-TROL 6.0标识。通过控件SETTING属性进行串口通信设置，并设置好串口缓冲区大小及通信事件处理值。下行通信时，通过设置MSCOMM的OUTPUT属性来发送数据；上行通信时，数据通过串口进入数据缓冲区，通过MSCOMM INPUT接收数据。

3.2 管理软件设计

管理软件主要包括用户帐户管理、基本操作设置和数据处理三个模块。在“用户帐户管理”模块中，可进行增加、删除用户和修改密码等操作。“基本操作设置”模块包括控制中心操作、配电柜操作和电表操作，其中，控制中心操作包括数据信道测试、添加配电柜和属性设置；配电柜操作包括读取相关参数、遥控分合闸、催费缴费、保电投入／解除、添加电表和属性设置；电表操作包括读取电表参数、设置正／反向电能、读取正／反向最大需量、读取三相电有功功率／无功功率／功率因数和属性设置。“数据处理”模块包括数据查询、数据统计分析和数据备份与恢复。

本文设计的远程自动抄表系统符合《低压电力用户集中抄表系统技术条件》[8]的要求，具有远程抄表、远程负控和防窃电功能。该系统充分利用了GSM网络的优势，与低压电力线载波、有线电缆方式等形式的抄表系统相比，具有成本低、传输质量高、实时性强和功能强大等优点，解决了长期困扰用电用户和电力部门的诸多难题，具有良好的应用前景。利用本文的设计方案和实现方法，改装后的系统还可以应用于远程抄水表／气表、远程数据采集、设备远程测控等场合。