王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對國網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遠程數據采集模塊，以實現GPRS遠程抄控。遠程采集模塊內嵌了RTX實時操作系統，并設計了完整的數據采集、存儲策略，以及遠程控制和異常事件預警等功能；同時，采集模塊實現了Q/GDW1376.1協議的上行通信通道和支持DL/T645-2007協議的下行采集通道，能夠實現與遠程主站的通信和現場電能表的抄控。經過軟件協議的一致性測試，遠程采集模塊實現了1376.1協議的一類實時數據64項、二類凍結數據69項和三類報警事件數據2項，具備了國網采集終端設備的必要功能。
關鍵詞:SIM900A；Coretex-M3；采集模塊；Q/GDW1376.1；電能表
0引言
隨著計算機系統應用的普及，國內電能計量抄表領域，已經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構，但對于高等學校、大型工礦等企事業單位，能夠使用帶遠程費控功能的GPRS三相智能電能表，并直接對聯采集主站，其結構和成本更加*。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處理器的遠程數據采集模塊。采集模塊集成了Q/GDW1376.1-2013主站上行協議和電能表DL/T645-2007下行協議，能夠對接采集主站并抄收電能表數據。采集模塊實現了完整的電能表數據采集、遠程費控、異常預警，以及相關的數據存儲、協議處理，具備了國網采集終端的必要功能。
1 采集模塊總體結構
GPRS電能表遠程采集模塊由SIM900A通信子模塊、STM32F103RC處理器及其RTX實時操作系統組成。遠程采集模塊的總體結構如圖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 系統總體結構
2硬件設計
STM32F103RC的運行頻率72MHz，并具備90DMIPS的處理性能，其集成SPI、I2C、UART等高性能工業標準接口，內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模數轉換器和支持ISO7816串行接口等標準外設，可以滿足多種工業儀表的應用。
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構成，并使用了STM32內嵌的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，它采用工業標準接口，可以低功耗地實現語音、數據和SMS的傳輸。SIM900A內嵌了TCP/IP協議，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，以實現靜電防護。圖3 SIM900A GPRS通信模塊原理圖(參見右欄)根據國家電網遠程電能表規范，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?；硭峁┑哪M部分供電電壓為13.5V±1.5V。考慮STM32F103的內核電壓為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時關閉充電開關。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視電路，鋰電池的充電電源開關由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，國網遠程電能表型式規范明確了基表亦需要向遠程模塊提供電壓為5V±5％的數字部分電源，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）。
3軟件設計
GPRS遠程采集模塊的嵌入式軟件，使用了STM32處理器keil開發平臺所集成的RTX實時操作系統。根據遠程采集模塊的功能要求，設計了電能表DL/T645通信收發任務(優先級1)、GPRS Q/GDW1376.1通信任務(優先級2)、自動抄表機制與輪詢任務(優先級3)、38KHz紅外串口收發任務 (優先級4)、1376.1協議解析與組幀任務(優先級5)、服務器/客戶機心跳任務(優先級6)和STM32 RTC日歷(優先級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( )主程序首先執行MCU內核時鐘的配置，其中MCU內核運行于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據存儲，調用RTX任務調度模塊，將MCU系統資源交由實時操作系統控制，進入多任務調度/運行狀態。圖10所示的是GPRS通信任務中，SIM900A在TCP/IP模式下的數據發送流程。圖10SIM900A TCP/IP模式下的數據發送遠程采集模塊的SIM900A工作于TCP/IP模式，當數據需要遠傳發送時，1376.1協議解析與組幀任務(優先級5)通過設置GPRS發送任務信號量，在RTX實時操作系統的調度下，搶占式地實時觸發了GPRS通信任務(優先級2)的運行，并由GPRS通信任務執行從1376.1協議幀的臨時緩沖區中讀取待發送的1376.1協議幀的報文，通過UART1實現數據發送。
圖10 SIM900A TCP/IP模式下的數據發送
4 實驗驗證
GPRS遠程采集模塊的測試基表為森暉研發部A22網絡電能表，其下行協議支持電能表DL/T645-2007；硬件測試設備為脈沖群EFT發生器、靜電發生器；測試主站使用國網采集終端1376.1協議一致性測試軟件。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時的功耗為1.4W，與公網進行交換數據時的功耗為2W。協議一致性測試：按照國電網1376.1上行協議規范，使用國網采集終端協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據64項，二類歷史凍結數據69項，三類報警事件數據2項，其中所召測的一類實時數據63項、二類歷史凍結數據69項，三類報警事件數據數據2項，均能夠在10秒內成功返回。召測數據項的具體統計情況如表1所示。綜上，經硬件試驗和1376.1協議幀的一致性測試，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測試數據項及響應的統計表
注：一類實時數據第F27項的電能表日歷時鐘及電能表狀態信息，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安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
5.1 系統方案
系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，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，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。
5.2 系統功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
本系統適用于一些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，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：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，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，并比對充值次數，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、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關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 產品選型
6結束語
得益于SIM900A的穩定性和完備的TCP/IP協議棧，以及Coretex-M3處理器STM32F103RC的性能，內嵌了RTX實時操作系統的GPRS電能表遠程采集模塊，實現了國網采集終端基本的一類數據、二類數據的采集/存儲功能，并實現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GPRS采集終端的必要功能。
【參考文獻】
【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】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06
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