基于TC45模块的GPRS无线抄表系统

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基于TC45模块的GPRS无线抄表系统

摘要：论述了基于SIEMENS TC45无线模块设计的一个无线电力抄表系统的技术方案。TC45模块是可以利用J2ME编程技术进行程序开发的终端模块，在抄表系统中与电表端相连构成抄表及智能控制终端部分，而系统的服务器端则利用vc++6.0进行开发，两者之间通过GPRS网络实现基于TCP/IP协议的无线远程电力抄表智能控制系统。    关键词：电力抄表 GPRS J2ME TC45
传统的上门抄表计费方式由于费时费力，已经逐渐被自动抄表计费方式替代。在北欧一些发达国家，移动运营商已经将(Machine to Machine)无线通信服务技术应用在自动抄表系统中。由于无线通信技术的发展，完全可以利用GPRS移动网络系统中提供的无线IP，在GPRS服务网络平台上构建远程无线抄表系统。其优点在于实时性强、能及时采集数据、可以远程控制，由于是利用GPRS公网的平台，因而只需用户安装终端模块，无需专门布线即可实现，投资小、收益大、抄表范围广，并且系统传输容量大、速率高、费用低。
1 系统概述
这里提出一种基于SIEMENS公司TC45无线模块的无线抄表系统（如图1所示）。该系统通过TC45模块建立了GPRS无线通信链路，进行基于TCP/IP的数据传输，实现IP地址设定、电表数据无线抄读和定时存储、远程I/O端口控制、报警通知、充电管理、停电数据保护、自动重启、三相供电、实时时钟等功能。系统中所有数据传输均严格遵循多功能电表通信规约，即645标准，具有良好的可移值性和可扩展性。

    系统由多功能电表、TC45模块扩展板和服务器端组成。TC45模块的串口经光电隔离接口RS485与电表连接，实现抄读数据通信和对电表的智能控制。模块接收服务器端通过GPRS送数据和信息，经过校验分析，将相关的查询指令通过串口传输给电表，电表接收到查询命令，返回相关信息，经过分析校验及相应的处理后，回送到服务器端。模块的通用I/O接口通过外围扩展电路实现继电器拉闸和报警等智能化处理。一旦有断电、超温等报警事件发生，TC45端将作出相应的事件记录，然后向服务器发出相应的报警信息。
2 系统硬件介绍
系统硬件组成框图如图2所示。三相供电电源提供的直流电压经DC/DC变换后提供给充电电路，对锂电池进行充电。而锂电池则向TC45模块提供工作电源，同时也使TC45模块在断电时有充足的电能进行断电保护和数据保存。TC45模块是西门子公司设计的一款基于GSM/GPRS引擎的无线通信模块，可工作于900MHz和1800MHz两种频率。带有九个通用接口、两个串口以及语音模块。该模块内周期TCP/IP协议，通过J2ME平台，用户可以直接对TC45模块进行软件开发，大大降低了网络编程的复杂度，同时支持OTAP(空中下载配置)现场升级功能，可以实现远程下载程序进行系统升级维护。此外它具有内嵌FLASH、RAM和通用接口，可以免去外接MCU、FLASH等器件，降低了系统的复杂度，提高了可靠性。
IGT(Ignition)电路对电池电压及代电电压进行判断，当电池电压达到模块工作要求时，该电路向TC45模块发出启动信号，启动模块进行正常工作。LDO（Low Dropout Regulators）电路提供外围电路的工作电压。当供电电压低于设定值时，电源监视电路便向TC45模块发出断电报警信号。当输入开关信号发生变化时，遥信电路向TC45模块发出事件报警信号。当外界是温度超出设定范围时，温度开关电路关断DC/DC电源并向TC45模块发出超温报警信号。485转换接口电路用于将TC45模块RS232串口信号与485通信信号进行转换，分别与TC45模块和多功能电能表相连，进行抄表设置等数据通信。遥控电路用于继电器、信号灯等开关信号的开合控制。RTC电池用于向TC45模块的实时时钟电路提供电源。
3 系统软件
整个系统的软件部分由服务器端（SERVER）软件和TC45模块扩展板软件两个部分组成（如图3所示）。SERVER端可以向TC45模块发送各种控制命令，如实时数据抄读请求、定时数据抄读请求、远程控制命令等。在TC45模块端，有每个控制命令的相应处理部分，此外还含有异常事件记录报警部分。

    3.1 服务器端软件
服务器端软件使用Visual C++软件开发。工作时，服务器端首先向TC45模块以GSM短消息方式发送带有服务器IP地址的短消息，然后等待TC45模块端发起的与服务器的连接，这样做的目的是确保终端部分在需要的时候及时连接到服务器。当服务器端与终端通信连接成功以后，便可以向终端模块发送查询实时数据、读取定时抄读文件以及远程I/O控制等命令，并且对从模块端传来的反馈信息进行校验，作相应的处理与显示。此外，服务器也含有连接保持查询功能，以确保与模块端的通信连接畅通，一旦发生通信连接断开的现象，可以及时报警，并发起第二次连接。
服务器端界面含有三个显示栏（收到数据栏、数据含义栏和发送命令栏）和五个功能按钮（建立连接按钮、实时数据抄读按钮、定时数据抄读按钮、引脚控制按钮和sim卡号码按钮）。
下面举例进行介绍。当按下实时数据抄读按钮后，发送命令栏中显示发送的命令字，然后在收到数据栏中将显示从终端模块那里发送的实时抄表数据，经过校验解码后，便在数据含义栏中显示这个数据的意义，即2.8千瓦/小时。服务器接收到数据的截图如图4所示。
3.2 终端软件
TC45模块端程序分为下面几个功能部分。
初始化及通信连接部分：该部分在模块端程序运行时首先执行，对整个终端模块进行初始化操作，包括对GPRS网络进行配置、对模块引脚进行电平初始化等。然后进入等待服务器端的IP短消息阶段。在此阶段中，一旦收到含有服务器端IP地址的短消息，该程序便立即从消息中提取出IP地址，然后向服务器端发起TCP/IP的连接，待连接成功后，程序进入待机状态，随时对服务器端发送来的命令进行响应。如果连接失败，则会重新进入等待状态，等待服务器发出的再次连接短消息。

    数据分析、处理、收发部分：在连接建立成功之后，通信及处理。当接收到服务器端的控制、查询等命令时，先对命令数据进行校验，校验成功以后分析该指令，跳转到相应的操作函数模块部分。如果校验数据出错，则丢弃该数据。该部分也对电表端提供的信息进行分析处理，对电表数据进行校验，提取有用的信息，转换成发送给服务器的数据模式，发送给服务器端。
外围电路控制部分：该部分对各种操作命令进行响应，执行相应的功能。例如，远程控制命令需要执行时，就通过TC45的通用接口，控制相应LED数码管和继电器等外围电路。该部分也对外围电路的报警信号（断电、超温、开关等报警信号）作出响应和处理，并且在记录相应数据后，向服务器端发送报警信号。
定时抄读部分：该部分是针对电表抄表这个特殊的服务对象建立的一个部分。可以定时对电表进行抄读，然后将数据以文件形式保存在FLASH中，以便服务器端在需要的进修读取定时的抄读数据，然后对采样的数据进行分析，绘制图表。

    连接保持查询部分：定时地接收服务器端的连接查询命令，以确保链路的正常工作。一旦发生连接断开，则让程序重新进入等待服务器端的IP短消息状态，以便再次进行连接。
文中给出的基于TC45模块的GPRS无线抄表系统，实现了电表无线抄读以及智能控制。此外，一个模块可以同时连接多个电表，这样使降低无线抄表系统成本，让无线自动抄表系统成为电力抄表的主力成为可能。该系统的后续开发空间很大，在今后的设计中，可以完成功能更为复杂完善的抄表控制功能。