摘 要：利用GSM" title="GSM">GSM網絡覆蓋范圍廣、通信質量高和運行成本低等優勢，設計了一種基于GSM網絡的遠程自動抄表" title="自動抄表">自動抄表系統。介紹了該系統的結構框圖和工作原理，詳細介紹了系統中測控終端的軟、硬件設計，最后闡述了在Visual Basic環境下開發管理中心軟件的方法。
關鍵詞：GSM網絡 自動抄表系統  單片機

     隨著電力系統用戶環境的復雜化和管理要求的科學化，傳統的人工抄表收費方式入戶難、負擔重、費用高和勞動強度大等弊病越來越突出。遠程自動抄表系統綜合利用了計算機、通信、網絡和微電子技術，能有效解決以上問題，提高管理部門的工作效率。
　　本文設計了一種由測控終端、GSM網絡和管理中心三部分組成的多功能遠程自動抄表系統，著重介紹了測控終端和管理中心軟件的設計方法。該系統具有抄收速度快、計算精度高、管理數字化、運行成本低等突出的優點，具有廣闊的市場前景。
1 系統結構及工作原理
　　該系統主要由測控終端、傳輸網絡和管理中心三部分組成，其結構框圖如圖1所示。

    其中，智能電能表支持國家電力行業標準《多功能電能表通信規約》（DL/T645-1997）所規定的抄表協議，該協議將RS485接口規定為電能表標準的串行電氣接口；測控終端主要包括數據采集單元和發送單元，數據采集單元用于采集各計量點的實時用電量信息以及各種電參數數據，發送單元通過RS232接口與GSM MODEM相連，利用GSM網絡將數據傳輸到管理中心；數據經GSM MODEM接收后傳至計算機，進行數據統計、存儲顯示及綜合分析。
　　測控終端可以定時向管理中心發送用戶用電數據和電網運行數據，管理中心也可以通過抄表指令向測控終端發送“抄表短信息”，查詢各用戶的用電情況。通過測控終端的監控單元，管理中心可以發現各種用電異常和竊電現象，并支持遠程分合閘操作。
2  測控終端的設計
　　測控終端是整個系統中最重要的硬件設備，用于實現多功能電能表數據的采集和上傳、設置電表/終端參數、欠費及故障告警和控制斷路器分合閘等功能。
2.1 硬件電路設計
　　測控終端結構框圖^[1]如圖2所示。

2.1.1 單片機控制單元
　　根據功能要求，需要較大容量的RAM以存儲大量數據，同時還需要外接RS232和RS485兩個接口，可見用一片單片機難以滿足需要^[2]。因此設計中利用兩片單片機分別完成不同的任務，但關鍵在于兩片單片機如何進行數據交換和協調通信。兩個單片機均選用AT89C52，二者之間利用一片雙口RAM IDT7134 SA進行并行數據傳輸。
     兩片單片機進行分工協作，完成控制功能。其中，單片機1根據抄表指令或設定的自動抄表時間采集電能表的相關數據，并在數據前加入頭標志55H后將其存放在雙口RAM的第一塊區域。此外，該單片機還接收手持單元的控制命令，完成相應操作。單片機2通過GSM MODEM模塊時刻等待接收管理中心的命令，并在抄表指令前加入頭標志55H后將其存放在雙口RAM的第二塊區域。同時根據輸入的開關狀態量向管理中心或用戶報警。單片機1查詢雙口RAM的第二塊區域時，若發現開頭為55H的抄表命令，則調用抄表子程序執行該命令。若為新的分合閘指令，則將其轉存至RAM的第一塊區域。同理，單片機2查詢雙口RAM的第一塊區域時，若發現開頭為55H的電表數據，則將其上傳至管理中心；若為新的分合閘指令，則調用斷路器控制子程序。單片機處理完每條命令或數據后都會將其頭標志更改為0AAH，以免被重復讀取執行。為了避免在某一單片機寫/讀雙口RAM時另一單片機同時讀/寫該地址，造成讀寫錯誤，兩單片機之間通過兩根I/O口線進行握手聯絡。
2.1.2 通信單元
　　該單元包括向下和向上兩個通信單元：終端與智能電能表間的向下通信單元以及終端與GSM MODEM模塊間的向上通信單元。終端與智能電能表之間為RS485接口，采用MAX485芯片進行電平轉換，數據依據《多功能電能表通信規約》^[3]進行傳輸。
　　終端與GSM MODEM模塊之間為RS232接口，采用MAX232芯片進行電平轉換，該器件包含兩個驅動器、兩個接收器和一個電荷泵電壓轉換器。兩者按照《電力負荷管理系統數據傳輸規約——2004》^[4]規定的幀格式、數據編碼及傳輸規則進行通信^[5]。
2.1.3 監控單元
　　監控單元監測斷路器狀態、電壓缺相狀態、門禁狀態、電量控制和催費告警等開關量，經光電耦合器隔離保護后輸入74HC165進行并/串轉換，串行輸出的數據送至單片機2的P1.2引腳。當開關量發生變化時（如傳感器檢測到電能表柜門被非法打開時，門禁狀態會發生改變），自動向管理中心發送報警信號。預存電量剩余下限告警時，在向管理中心發送信息的同時主動向用電戶手機發送催費通知短信。
　　控制單元接收手持單元或管理中心的控制命令，完成斷路器本地或遠程分合閘操作。
2.1.4 手持單元
　　手持單元由3×8鍵盤陣列、16位數碼顯示管、兩片數碼管驅動及鍵盤控制芯片CH451組成。該單元通過扁平電纜與測控終端連接，即插即用，主要完成對測控終端的設置和調試。終端正常工作后，不必連接手持單元。
　　利用數字鍵和“編輯”、“確認”、“刪除”及“上/下頁”等按鍵可以根據系統要求、電能表功能和工作條件進行必要的設置，如設置終端時間、自動抄表日、中心和終端地址、行政區代碼、通信速率、電壓/電流互感器倍率、電表數量及通信地址、管理中心和用戶手機號碼等。通過“合/分閘”按鍵可以控制斷路器的關閉和打開。“測試”按鍵用于測試通信鏈路狀況。
　　顯示屏幕可以直觀實時顯示設置的參數以及終端工作情況。顯示屏幕分兩行，第一行為顯示內容對象及子項目序號，第二行為具體內容。
2.1.5 時鐘電路單元
　　該單元為終端提供時鐘信號，選用支持串行接口的高精度SD2300系列時鐘芯片。
2.2 軟件設計
　　軟件利用C51語言編程。單片機1的程序主要包括初始化、抄表讀數模塊、通信模塊和手持單元模塊，其流程圖如圖3所示。單片機2的程序主要包括初始化、發送信息模塊、報警模塊和分合閘操作模塊，其流程圖如圖4所示。

3  管理中心軟件的設計
　　管理中心軟件包括通信軟件和管理軟件，均采用面向對象的編程技術，用可視化編程軟件VB設計^[6]。管理中心軟件結構示意圖^[7]如圖5所示。

3.1 通信軟件設計
　　通信軟件是管理中心通過GSM網絡與測控終端實現數據交換的模塊。串口通信采用MSCOMM控件來實現，該控件在部件選項中為MICROSOFT COMM CONTROL 6.0標識。通過控件SETTING屬性進行串口通信設置，并設置好串口緩沖區大小及通信事件處理值。下行通信時，通過設置MSCOMM的OUTPUT屬性來發送數據；上行通信時，數據通過串口進入數據緩沖區，通過MSCOMM INPUT接收數據。
3.2 管理軟件設計
　　管理軟件主要包括用戶帳戶管理、基本操作設置和數據處理三個模塊。在“用戶帳戶管理”模塊中，可進行增加、刪除用戶和修改密碼等操作。“基本操作設置”模塊包括控制中心操作、配電柜操作和電表操作，其中，控制中心操作包括數據信道測試、添加配電柜和屬性設置；配電柜操作包括讀取相關參數、遙控分合閘、催費繳費、保電投入/解除、添加電表和屬性設置；電表操作包括讀取電表參數、設置正/反向電能、讀取正/反向最大需量、讀取三相電有功功率/無功功率/功率因數和屬性設置。“數據處理”模塊包括數據查詢、數據統計分析和數據備份與恢復。
　　本文設計的遠程自動抄表系統符合《低壓電力用戶集中抄表系統技術條件》[8]的要求，具有遠程抄表、遠程負控和防竊電功能。該系統充分利用了GSM網絡的優勢，與低壓電力線載波、有線電纜方式等形式的抄表系統相比，具有成本低、傳輸質量高、實時性強和功能強大等優點，解決了長期困擾用電用戶和電力部門的諸多難題，具有良好的應用前景。利用本文的設計方案和實現方法，改裝后的系統還可以應用于遠程抄水表/氣表、遠程數據采集、設備遠程測控等場合。
參考文獻
[1]  高輝忠，馬維華．基于GSM短消息的多功能遠程抄表終端的設計與實現[J]．中國儀器儀表，2005，24(8)：60-63.
[2]  余國河，趙富海，秦楠．基于GSM網絡的居民用電遠程集中抄表系統[J]．電力設備，2005，6（7）：110-111．
[3]  電力工業部電測量標準化技術委員會．多功能電能表通信規約[S]（DL/T645-1997），1998.
[4]  國家電網公司．電力負荷管理系統數據傳輸規約——2004[S]，2004.
[5]  Siemens Co.．AT Command Set for Siemens Cellular Engines (Version 03.00) [S]，2001.
[6]  BALENA F． Programming with microsoft visual basic 6.0[M]．USA：Microsoft Press，1999.
[7]  劉雪厚．基于GSM數據傳輸的遠程抄表計費系統[D]．大連：大連理工大學，2003.
[8]  電力工業部電測量標準化技術委員會．低壓電力用戶集中抄表系統技術條件[S] (DL/T698-1999).1999.