基于GSM模块的无线抄表终端设计

1、第31卷第4期2010年8月华 北 水 利 水 电 学 院 学 报Journa l o f N orth Ch i na Institute ofW ate r Conse rvancy and H ydro electr i c Pow er V o l 31N o 4A ug.2010 收稿日期:2010-05-30作者简介:张鸿博(1980 ,男,河南舞钢人,讲师,硕士,主要从事电力系统监控方面的研究.文章编号:1002-5634(201004-0080-03基于GS M 模块的无线抄表终端设计张鸿博1,张 洋1,赵慧光2,杜晓勇3(1.华北水利水电学院,河南郑州450011;2.河南省

2、新乡供电公司,河南新乡453002;3.河南省电力公司,河南郑州450002摘 要:为克服现有抄表方法的缺陷,以G S M 通信模块为核心开发了远程无线抄表终端系统,介绍了其软硬件构成和设计方法.抄表终端通过RS485总线读取电能表数据,并遵循我国电力行业通讯规约标准,然后通过G S M 网络与抄表中心进行数据、命令传输,最后实现无线远程抄表.该方案成本低、实时性好.关键词:G S M;无线抄表;终端设计中图分类号:TM 930.9 文献标志码:A目前国内用于抄表的方法有很多种,如人工抄表、RS485、红外和电力线载波等,这些方法都有一定的不足之处需要改进.GS M 网络在我国已经建成运行多年

3、,技术成熟,通讯稳定,覆盖率高,尤其是其SM S 短信息服务,成本低,时效性强.利用GS M 终端设备之间S M S 数据传输,将S M S 服务功能加入到抄表系统中,即可实现远程无线抄表.该方案相比其他方案有覆盖范围大、成本低、时效性强等优点.1 远程抄表系统组成系统包括GS M 无线远程集中抄表终端和抄表中心服务器两部分,如图1所示.无线远程抄表中心由工业级GS M 数传模块、GS M 抄表管理软件和中心数据服务器组成.抄表中心按地址编码对无线远程集中抄表终端进行访问,集中抄表终端接收抄表中心的指令后,按指令要求根据电能表地址依次读取多个电能表数据并以短信息的形式发送给抄表中心.限于篇幅,

4、文中只对抄表终端的设计进行介绍.2 系统的通讯规约本系统针对文献1通信规约中的三相电子式多功能电能表开发的.电能表提供RS485通信接口,集中抄表终端模块和电能表之间的通讯规约参考文献1,但这个规约不适合于抄表中心和终端模块的通讯.因为二者之间是通过S M S 通讯,而S M S 通讯速度慢,不能满足文献1通讯规约的时序要求,需要制定新的规约.考虑到文献1通讯规约的简单方便性,新的规约信息帧格式参考该文献,把超时时间适当延长即可,这样简化了规约的设计.需要注意的是,地址域对应的是抄表终端的地址而不是电能表的地址,抄表终端将把其所能抄到的所有电能表数据返回.图1 抄表系统基本构成原理图3 抄表终

5、端设计3.1 硬件设计终端的硬件可以概括为以下几个部分:处理器部分、通信部分、人机接口部分以及电源部分等.如图2所示 .图2 抄表终端硬件结构框图TC35I 是SI E MENS 公司推出的GS M 专用调制解调器2,它可在GS M 网中完成语音、数据、短消息以及传真的传送.TC35I 具有标准的工业接口和完整的SI M 卡阅读器,使用简单.将该模块和一片微处理控制单元(MCU 组成具有S M S 接收和发送功能的GS M 集中抄表终端,即可实现无线抄表.处理器模块所采用的CPU 是决定整个终端模块正常稳定运行的关键.对于此抄表终端,要求有2个串口,1个和TC35I 模块通讯,另一个构成RS4

6、85总线实现抄表.此外还要有足够的RAM 和EEP ROM 等.选用宏晶公司推出的8位处理器STC12C5A08P WM3,它提供了丰富的内置部件,包括8kB Flash,1280byte RAM,EEPRO M,I/O 端口,尤其是2通道UART,满足终端设计的需要.由于M C U 集成度高,外设丰富,内部RAM 多达1280by te ,简化了电路的设计,节约了成本.通信部分包括2个接口,一个RS485接口负责按照文献1规约与现场表计通信进行原始数据的采集,另外一个RS232接口与TC35I 相连,负责与远方抄表中心通信.3.2 软件设计抄表终端需要的任务比较多,为了简化程序设计过程,引入

7、Sm allRTOS 51操作系统4.该操作系统是为51系列单片机编写的,是完全免费的、源代码公开的多任务实时操作系统,可在无任何外部数据存储器的单片80C51系统上运行.Sm a llRTOS 可以简化复杂而且时间要求严格的软件设计工作,得到较好的系统实时性.为了实现系统功能,把整个系统划分为几个并行的任务,S m allRTOS 51按任务优先权高低进行调度.本系统任务按优先权从高到低依次为:新短信到来检测任务、读新短信任务、执行短信命令任务.另外分别开辟了两组串口发送和接收数据消息队列来实现两个串口的通讯.串口数据的发送和接收均采用中断方式进行.3.2.1 串口中断程序该中断服务程序负责

8、串口的发送和接收,通过R I 判断是发送中断还是接收中断.如果是发送中断则继续从发送队列中取字符发送直至发送缓冲区空;如果是接收中断则把接收到的字符放入接收队列中.由于STC12C5A08P WM 有两个串口,因此串口中断也对应两个.3.2.2 新短信到来检测任务读取TC35I 短信息采用新短信提醒的方式,这样比查询法实时性好,也节省系统开销.这需要用到AT+C NM I 指令,常用的格式如下:AT+C NM I=2,1它表示TC35I 收到短信息后要通过串口向MC U 发送信息,比如:+C MTI ME !,8这表示新信息被保存在ME 内存中,序号为8,接下来M C U 通过AT+C MGR

9、=8读取该信息即可.该任务就是检测来自TC35I 串口发来的字符,判断是否是 +C MTI !,据此判断是否有新短信到来,有则读取新短信的序号,并利用OSQPost 函数把序号插入新短信序号队列QN e wSMS I ndex 中.3.2.3 读新短信任务该任务利用OSQPend 函数从QN e wS M SIndex 队列中得到新短信序号,并通过AT 指令中的CGMR 读取短信息内容,并把短信息内容通过OSQPost 函数插入QCo mm andD ata 命令数据队列中.3.2.4 执行短信命令任务该任务利用OSQPend 函数从QC o mm andData 命令数据队列中读取命令,根据

10、命令按文献1规约读取电能表的相关数据并把数据插入TC35串口发送队列中启动发送.该任务需要实现文献1规约的解析,分析文献1规约帧结构,将其分为2个部分,帧信息头由68H,A0,A1,A2,A3,A4,A5,68H,C ,L 共10个字节,是固定的,数据域的内容为可变的.每个帧接收起始于收到68H,接着进入固定信息头的接收阶段,然后进入可变数据以及帧校验码CS 和帧结束符16H 的接收阶段.将帧信息的接收分为4个阶段,则各个阶段间的转换关系如图3所示.阶段0为初始阶段,表示接收刚开始,尚未接收到唤醒字符.当接收到第一个唤醒字符0XFE 后转换为阶段1.由于唤醒字符可能为14个,因此阶段1仍然可能

11、再次接收到0XFE ,但这不应改变阶段1的状态,只有接收到起始字符0X68后才从阶段181第31卷第4期张鸿博,等: 基于GS M 模块的无线抄表终端设计转换为阶段2,之后开始接收帧信息中固定的前10个字符.当接收完这10个字符后进入阶段3,此时已经可以算出帧信息的总长度为10+Rev Buf9+2,即10+L+2.以后开始接收数据域和CS 及结束字符,当接收到的总数据个数R evCount =10+RevBuf9+2时(2为校验和结束字符,表示1帧信息接收结束,重新返回阶段0 .图3 文献1规约解析状态转换图文献1规约规定了响应延时20m s Td 500m s ,通过Sm all RTOS

12、 51中的OS W ait 函数可以很方便地实现这样的延时.3.2.5 TC35短信息模式选择目前常用的短信息是基于AT 命令的PDU 模式和Text 模式5,其中Text 模式是纯文本方式,可用于发送英文和数字信息,PDU 模式则可以发送任何字符集,但PDU 模式的编码和解码比较复杂.由于本抄表终端和抄表中心的通讯规约是修改的文献1规约,短信息的内容只是一些数字字符,故本设计采用Tex t 短信息模式.基于Text 模式的短信息的发送和接收方法比较简单,可以参考其他文献,在此不再详述.4 结 语采用GS M 模块的无线远程抄表终端,遵循文献1规约,通过引入Sm a llRTOS51嵌入式操作

13、系统,简化了复杂而且时间要求严格的软件设计工作,得到较好的系统实时性.参 考 文 献1中国电力出版社编辑部.DL /T 645-2007三相电子式多功能电度表通信规约S .北京:中国电力出版社,2008.2秦实宏,卢亚玲,胡胜,等.基于G S M 无线远程集中抄表电量管理系统J.华中科技大学学报:自然科学版,2007,35(12:53-55.3宏晶科技.STC12C5A08P WM D a tasheetEB /O L .2010-01-08htt p :/www.m cu -m e m ory .com /datasheet/stc /STC -AD -PDF /STC12C5A 60S2.

14、pd,f 2009.4陈明计,周立功.嵌入式实时操作系统S m a ll RTOS51原理及应用M .北京:北京航空航天大学出版社,2004.5孙志行,宋玉炎.多功能无线自动抄表系统的开发与设计J.电测与仪表,2001,38(7:7,15-18.D esign ofW irelessE lectrical m eter reading Ter m ina lBased on GS M M oduleZ HANG H ong bo 1,Z HANG Yang 1,Z HAO H ui guang 2,DU X iao yong3(1.N orth Ch i na Instit ute o fW

15、ater Conservancy and H ydroe l ec tric P o w er ,Zhengzhou 450011,Chi na ;2.X i nx iang Power G r i d Co rpo ra tion ,X i nx iang 453002,China ;3.E lectr i c Powe r Corporati on of H enan ,Zhengzhou 450002,Ch i naAbstrac t :The re m ote and w ireless electr i ca l m ete r readi ng te r m ina l based on G S M m odule is i ntroduced ,the structure and des i gn m ethods o f the ter m i na l #s hardwa re and so ft w are a re deta iled l y d i scri bed too ,the ter m i nal reads the electrica lm e ter by R S485bus in accordance w it h DL /T 645co mmun ica ti on pro toco ,l then trans m