基于ARM9和GPRS的实时电力负控管理系统

0 引言

在当今电能源紧张的工业社会中，及时准确地获取用户的用电负荷信息，并据此做出及时的控制调度对于提高能耗利用率具有重要的现实意义。传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据的，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处，应用基于单片机、ARM 7平台的自动抄表终端已成趋势。但由于单片机的数据处理速率低、ARM7缺乏存储管理单元，难以满足电力系统对负荷控制的精细化要求。

本文根据重庆电力部门的需求，在现有的电力负控管理系统的研究与发展基础上，提出了一种基于ARM9和GPRS的电力负控管理系统的设计方案。该系统利用ARM9微处理器的高采集速率和较强的处理能力提高了系统的精确度；利用具有抢占内核机制的Linux2．6操作系统提高了系统的实时响应速度；利用宽带GPRS网络实现了用电信息的无线传输和实时监测等功能。

1 负控管理系统的总体框架及其工作原理

负控管理系统实质就是利用先进的测控、通信以及计算机技术，将电能表数据整合到一起的通信系统。本文设计的系统由安装在用户端的电能表、用户小区的负控管理终端和电力部门的远程管理主站组成。其拓扑图如图1所示。

用户电能表与负控管理终端通过RS 485总线通信，负控管理终端通过RS 485总线读取用户电能表数据，将数据交给相应的模块封装成IP包发送给GPRS网络，GPRS网络和Internet网络实现无缝连接，主站通过Internet接收到终端通过RS 485接口采集回来的电能表数据，然后显示、分析、存储这些电能表数据，然后根据分析结果向负控管理终端下发送远程控制命令(硬件复位、设置各种通信参数、断线检测、超载报警等功能)。以此实现远程监控负控管理终端，并通过负控管理终端监控电能表。

2 负控管理终端的设计

2．1 硬件设计

负控管理终端的硬件主要由通信电路、存储电路和人机交互电路组成。通信电路包括RS 485接口电路、GPRS通信电路、遥信控制电路、红外接口；存储电路包括SDRAM和NAND FLASH存储模块；人机交互电路包括LCD显示模块、按键管理、电源和复位电路。其总体的硬件框架如图2所示。

下面主要分析一下下层通信电路RS 485接口电路和上层通信电路GPRS接口电路。

2．1．1 RS 485接口电路

负控管理终端的主要功能之一就是对电能表数据的采集和处理。考虑到负控管理终端与所连接的多功能电表通信时，由于两者相距比较远，周围环境会对传输信号产生比较大的干扰，系统又要求负控管理终端所挂接电能表数量尽量多，最后选用了RS 485的底层通信模式。

本负控管理终端的2路RS 485接口是由S3C2440A的RS 232串口2和串口3转换过来的，要把RS 232信号转成RS 485信号，必须先通过RS 232收发器将信号发送出去，再通过RS 485收发器接收信号，MAX202ECPE是RS 232收发器，选用MAX485驱动芯片用于RS485通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，可以直接挂接128个电能表，实现最高2．5 Mb／s的传输速率。RS 485接口的共模电压大于+12 V或小于-7 V时，接收器就无法正常工作了，可考虑选用带光电隔离的光电耦合器，将强电电路与弱电电路在物理上隔离，电路中的光耦PS4 21将高压执行电路与MCU控制电路隔离。

2．1．2 GPRS通信模块

GPRS网络是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供广域无线IP连接。用GPRS进行数据传输具有："永远在线"、"按流量计费"、"快捷登录"、"高速传输"、"自如切换"等优点。

在负控管理终端的数据传输中，优先采用了GPRS无线网络传输的方式。GPRS模块是负控管理终端接入GSM／GPRS网络的关键设备，通过GPRS模块来完成与Internet的交互。本终端的GPRS通信模块采用的是中兴的ME3000，该模块具有体积小、通信可靠稳定、价格适中的优点，它的波特率300～115 200 b／s；支持短消息业务；内嵌TCP／IP协议和标准的AT命令，通过AT命令来进行语音和数据通信；提供标准的UART接口，只需用串口线就能与CPU连接；输入电压3．3～4．25 V；SIM接口支持机卡分离，办理一张SIM卡就可以实现通信。

在GPRS通信电路中设计晶振为芯片提供工作频率，它是构成芯片的最小系统必不可少的元器件，一般与它串联2个电容，是固定接法，一个是输入电容，一个是输出电容，根据Datasheet确定电容的大小为30pF。

2．2 软件设计

2．2．1 负控管理终端的软件设计

在负控管理终端的整体流程是终端上电后，初始化串口，启动拨号，建立TCP连接成功后，主站向负控管理终端发送登陆帧，负控管理终端监听到登陆帧后(主站和负控管理终端建立通信前，主站要知道负控管理终端中GPRS模块的SIM卡号)，发出确认帧，主站与负