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    基于SIM900的GPRS電能表遠程預付費采集模塊設計與應用
  1. 發布日期:2021-12-14      瀏覽次數:48
    • 劉細鳳
      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,其結構和成本更加優越。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??紤]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
       
      作者簡介:劉細鳳,女,現任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事宿舍安全用電研究發展。


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