應用GPRS通信方式的用電信息采集現(xiàn)場手持設備設計研究報告

應用GPRS通信方式的用電信息采集現(xiàn)場手持設備設計研究

王險峰曲直李蒙韓冬【Summary】為了簡化現(xiàn)場工作流程，提高工作效率，根據(jù)多年現(xiàn)場調試經(jīng)驗，設計出了一款具備GPRS通信能力的、采用分體式設計的“用電信息采集現(xiàn)場手持設備”，用于智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)相關產(chǎn)品的現(xiàn)場管理、遠程調試、故障診斷?！綤ey】GPRS376.1通信規(guī)約手持設備嵌入式系統(tǒng)ResearchonthedesignofthehandhelddeviceforelectricityinformationcollectionthatusestheapplicationofGPRScommunicationAbstract：Inordertosimplifyfieldworkprocessandimproveworkefficiency，basedonyearsoffielddebuggingexperience，wedevelopa"handhelddeviceforelectricityinformationcollection"thathastheGPRScommunicationabilityandusesthesplitdesignmethod.Itisdesignedforthefieldmanagement，remotedebuggingandfaultdiagnosisfortherelatedproductsofelectricityinformationcollectionsystemforSmartGrid.Keywords：GPRS；376.1communicationprotocol；handhelddevice；embeddedsystem近年來符合國網(wǎng)新標準的智能電表和采集終端已大量安裝使用，而且已基本實現(xiàn)自動抄表。但在實際應用中，每個臺區(qū)總會有少量電表不能自動采集數(shù)據(jù)，這就需要工程人員現(xiàn)場進行故障排查。作為必不可少的系統(tǒng)調試維護設備之一，傳統(tǒng)的采用手持機+連接線+抄控盒的方式，不便于現(xiàn)場實際應用和攜帶，且此套設備只能解決小部分問題，更多問題需要借助電腦以及專業(yè)軟件進行分析解決。此外，根據(jù)現(xiàn)場操作人員的需求調研：（1）北方地區(qū)冬天操作要戴手套，用按鍵操作較方便，同時要能單手操作；（2）屏幕不宜過大。因為該設備往往與螺絲刀等電工用品放在一起，容易被尖銳物品損壞；（3）抄表員年齡偏大，系統(tǒng)操作要求簡單容易理解；（4）電池待機時間要長，同時電池要為可拆卸模式；（5）掌機要能兼容其他載波廠家抄控器?？梢姡瑢嶋H操作中，對于便攜、簡單及續(xù)航要求較高，而界面的華麗、外觀的精巧反而要求不高。針對以上需求，本文開發(fā)設計了一款具備GPRS通信能力的、采用分體式設計的用電信息采集設備。該設備能夠充分利用移動GPRS網(wǎng)絡，把辦公地點延伸到工作現(xiàn)場，使得現(xiàn)場人員能夠隨時隨地的調取服務器、現(xiàn)場終端和電表數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場調試和維護提供現(xiàn)代化的手段。同時，該設備能夠用于實現(xiàn)現(xiàn)場故障表計排查、臺區(qū)故障定位、主站失敗表計統(tǒng)計、表桿GPS定位等功能。一、GPRS通信方式及其優(yōu)勢GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分組無線業(yè)務的簡稱[1]，是在現(xiàn)有的全球移動通信系統(tǒng)GSM（GlobalsystemforMobilecommunication）基礎上引入新的部件而構成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[2]。GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、頻帶、突發(fā)結構、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結構，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前的電路交換話音業(yè)務信道極其相似[3]。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（BBS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多用戶共享，資源被有效的利用。使用GPRS技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線并且數(shù)據(jù)按流量計費，迅速降低了服務成本[4]。GPRS用于電力系統(tǒng)遠程抄表具有多方面的優(yōu)勢[5]：（1）覆蓋范圍廣GPRS在現(xiàn)有的GSM基礎上進行升級，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡，可以使用戶數(shù)據(jù)終端方便、快速、低成本的遠程接入網(wǎng)絡；（2）永久在線提供實時在線功能?！皩崟r在線”或“永久在線”即用戶隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，終端還一直與網(wǎng)絡保持聯(lián)系，這將使訪問服務變得非常簡單、快速；（3）快捷登陸接入時間短，GPRS接入等待時間短、可快速建立連接、一般耗時為1到3秒；（4）高速傳輸同時使用8個時隙，數(shù)據(jù)傳輸速度最高理論值可達171.2kbps，是GSM網(wǎng)絡中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務速度的十幾倍，下一代GPRS業(yè)務的速度甚至可以達到384kbps，完全可以滿足應用需求；（5）按流量計費用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無線資源，計費方式是按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時，用戶即使在線，也不收費；（6）投入低廉隨著移動通信的快速發(fā)展，GPRS終端的價格在很短的時間內已經(jīng)降到了可以接受的水平，相對于鋪設有線監(jiān)控網(wǎng)絡，成本不高。通過GPRS通信方式，手持設備可以方便的連接主站采集系統(tǒng)，實時的與主站交互數(shù)據(jù)。利用手持設備的GPRS模塊，現(xiàn)場人員能夠隨時隨地的調取采集主站、現(xiàn)場終端、以及電表的數(shù)據(jù)，進行遠程操控，打破工作地點固定的局限性，為現(xiàn)場的調試和維護提供了更加靈活便捷的方式。二、手持設備功能的實現(xiàn)為了實現(xiàn)手持設備的各項功能，對現(xiàn)有主流嵌入式開發(fā)平臺做了比較分析，最終選定利用高速ARM11做為主CPU，該芯片具有接口豐富，內存大，運行穩(wěn)定，開發(fā)簡單等特點，通過外圍電路的配合可達到預訂目標。嵌入式操作系統(tǒng)選用工業(yè)上應用較廣泛的WindowsCE，應用層采用嵌入式C#開發(fā)語言。2.1硬件部分選用三星S3C6410處理器，基于ARM11架構，該芯片大小為13x13mm，424管腳。S3C6410是一個16/32位RISC微處理器，旨在提供一個具有成本效益、功耗低、性能高的應用處理器解決方案。S3C6410采用了64/32位內部總線架構，該64/32位內部總線結構由AXI、AHB和APB總線組成。它還包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理、音頻處理、二維圖形、顯示操作和縮放。S3C6410有一個優(yōu)化的接口連線到外部存儲器。存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口、DRAM和FLASH/ROM/DRAM端口。DRAM的端口可以配置為支持移動DDR、DDR、移動SDRAM和SDRAM。FLASH/ROM/DRAM端口支持NOR-FLASH、NAND-FLASH、ONENAND、CF、ROM類型外部存儲器和移動DDR、DDR、移動SDRAM和SDRAM。為減少系統(tǒng)總成本和提高整體功能，S3C6410包括許多硬件外設，如一個相機接口，TFT24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器（電源管理等），4通道UART，32通道DMA，4通道定時器，通用的I/O端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設備，在高速（480MB/S）時USBOTG操作，SD主設備和高速多媒體卡接口、用于產(chǎn)生時鐘的PLL。2.2軟件部分WindowsCE是微軟公司推出的一個為多種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品而設計的緊湊、高效、可升級的嵌入式操縱系統(tǒng)。具有搶先式多任務功能、良好的實時性能、強大的通信能力、出色的圖形用戶界面。它還有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（Heap）等。其模塊化和可伸縮性設計使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者和應用程序開發(fā)者能夠根據(jù)多種不同產(chǎn)品進行定制。例如，用戶電子設備、專用工業(yè)控制器以及嵌入式通信設備等。WindowsCE已支持廣泛的微處理器體系結構，包括ARM、MIPS、SHx和x86四大系列CPU架構及超過200種品牌的CPU。C#是一種面向對象的編程語言，主要用于開發(fā)可以在.NET平臺上運行的應用程序，C#是從C和C++派生出來的一種簡單、現(xiàn)代、面向對象和類型安全的編程語言，其語言體系都構建在.NET框架上，并且能夠和.NET框架完美結合。C#具有以下突出的優(yōu)點：（1）語法簡單：不允許直接操作內存，去掉了指針操作；（2）徹底的面向對象設計：C#具有面向對象語言所應有的一切特征，即：封裝、繼承和多態(tài)；（3）強大的安全機制：可以消除軟件開發(fā)中的常見錯誤（如語法錯誤），提供的垃圾回收器能夠幫助開發(fā)者有效的管理內存資源；（4）完善的錯誤、異常處理機制：C#提供了完善的錯誤和異常處理機制，使程序在應用交互時能夠更加強壯。因此，本文手持設備嵌入式操作系統(tǒng)選用工業(yè)上應用較廣泛的WindowsCE，應用層采用嵌入式C#開發(fā)語言。3手持設備功能及技術特點針對現(xiàn)場的功能需求，設計的手持設備具有如下功能：（1）分離式設計：抄控器板與主板分離，便于能夠兼容其他載波廠家方案；（2）抄控器模塊：用于低壓電力線載波抄表；（3）GPRS模塊：用于進行數(shù)據(jù)上報、網(wǎng)絡連接；（4）GPS模塊：用于進行表桿、表計位置定位；（5）藍牙模塊：用于無線連接終端調試；RS232模塊：用于與集中器串口通信；（6）USB模塊：用于可插拔優(yōu)盤；（7）紅外模塊：用于紅外通信；（8）Micro-SD卡：用于數(shù)據(jù)存儲；（9）電源模塊：用于整個終端設備供電。手持設備整個系統(tǒng)架構的原理框圖如下：手持設備的技術特點如下：（1）電能表故障診斷，可現(xiàn)場通過紅外、RS485、載波等方式和電能表進行通信，快速診斷電能表故障。（2）GPRS通信故障診斷，可通過本機診斷GPRS通信模塊的常見故障。（3）數(shù)據(jù)交互功能，本機可通過WebService接口或中間數(shù)據(jù)庫和主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。（4）多載波一體化，各種載波方案抄控器模塊可直接插入本機，實現(xiàn)一機多用，載波接口為標準的單相智能電表載波模塊接口。（5）掃描功能，可選配Symbol激光掃描模塊，實現(xiàn)一維碼掃描。（6）定制功能，本機是一個開放WindowsCE平臺，具備常見的各種通信接口，以及豐富的內存（128MBytes）、FLASH空間（256MbytesNandFlash，2-32GSD卡）。四、總結隨著國網(wǎng)公司對采集質量的不斷提高，各局對后期維護的需求急劇增加，局里采集人員對應用簡單、界面友好的手持設備用以解決現(xiàn)場問題有著極大的需求。在此背景下，開發(fā)設計了一款應用GPRS通信方式的、采用分體式設計的用電信息采集現(xiàn)場手持設備。該設備能夠充分利用移動的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，把工作地點延伸到現(xiàn)場，使得現(xiàn)場維護人員能夠方便的獲取主站采集系統(tǒng)、現(xiàn)場終端、以及電表的數(shù)據(jù)，極大地簡化了后期維護的工作流程，提高了工作效率。并且該手持設備還能夠用于實現(xiàn)現(xiàn)場故障表計排查、臺區(qū)故障定位、主站失敗表計統(tǒng)計、表桿GPS定位等功能設計需求。參考文獻[1]R.J.BudBates.通用分組無線業(yè)務（GPRS）技術與應用.朱洪波等譯.北京：人民郵電出版社，2