基于短消息的自动抄表系统分析

　　随着电子技术和通信的发展，自动抄表系统得以广泛应用，各类相关产品也层出不穷，人们对新产品也提出了更高的要求。
　　
　　目前的自动抄表系统一般分为两层结构：上层（管理中心与集中站之间）数据采集采用星形网络；底层（集中站和采集器或智能电能表之间）数据采集采用总线型结构，如485总线、仪表总线等。目前上层数据采集根据信道介质不同可分为光纤、电话线和无线等多种方式。
　　
　　其中无线方式，对于范围广、布局分散的集中站进行数据通信是一种较好的方式。现在开发的一些自动抄表系统采用的是数据电台或自行研制的无线通信系统。使用这种通信系统方式，安装调试方便；主要缺点是须申请频点使用权，另外自己须对通信网络进行维护，这种专网通信系统的可靠性也没有公网（如GSM网）的高。本节提出了一种基于短消息的自动抄表系统。该系统依托GSM网，采用短消息方式，通信质量可靠，成本低，同时还能对集中器进行远程监控，是一种理想的自动抄表解决方案。
　　
　　一、系统的构成和功能
　　
　　整个系统结构如图1 - 142所示。中心管理机利用GM360无线调制解调器，通过GSM无线通信网络与各集中站以P87LPC767单片机为核心的下位机构成星形结构网络，对各电力采集点实施电量采集和远程监控。集中站以P87LPC767单片机为核心的下位机模块通过GM360无线调制解调器利用短消息与管理中心进行通信。当中心发出采集指示后，P87LPC767单片机通过RS - 485总线按照三相电子式多功能电能表通信规范与所连接的电能表进行通信，采集电能表中存储的电力数据；然后，再通过短消息将数据发回管理中心。另外下位机和智能电能表还可配备以89C2051为核心的数据采集系统，对集中站和智能电能表周围的环境和电网情况进行数据采集，并将数据传送上位机。对于没有智能电能表的供电区域也可采用数据采集系统实施监测，但所采集的数据不能用作计量。当环境温度、湿度等以及电网的电压异常时，下位机即可通过短消息向管理中心或指定手机发回报警信息。管理中心经过权衡后，可决定是否切断该区域供电或派人维护。如须断电，则通过短消息向下位机发出指令，由下位机再传递给数据采集系统执行相应的操作控制供电回路。另外当用户欠费时，也可实施停电处理。

1.管理机

　　监控中心的管理机是由多媒体计算机、打印机、UPS电源等构成的系统，通过GM360利用短消息与分散在不同位置的抄表机相互联系。管理机采用VB编制的管理软件实现信息的提取、发送及分析处理、显示和声光报警等功能，包括口令认证，口令设置，时间及日期设置与显示，下位机编号与名称设置，报警电话设置，退出系统，提取下位机数据以及控制电路通断等功能。
　　
　　2．下位机
　　
　　下位机由P87LPC767、74HC245、MAX485、MAX202、24WC32、PCF8563和DC - DC电源模块等构成，通过RS - 485接口接入智能电能表，通过RS - 232接口接人GM360调制解调器；另外也可以通过RS - 485接口接人数据采集板，用于采集智能电能表周围环境，实施对智能电能表的相关监控。同时下位机具有电源监控模块，可用于下位机的电源监控及蓄电池的充电控制。由于本系统的CPU P87LPC767采用I2C总线外扩存储器和时钟芯片，因此本系统具有结构简单，成本低的特点。下位机硬件结构如图1  - 143所示，下位机程序框图见图1 - 144。

　　(1) P87LPC767结构和性能
　　
　　P87LPC767是PHILIPS半导体公司推出的51PLC系列OTP(-次编程)单片机的一种。它在基本结构、汇编指令等方面与80C51系列兼容；然而，它采用80C51加速处理器结构，时钟频率可高达20 MHz。20 MHz下其吞吐能力相当于40 MHz的传统C51。虽然只有20个引脚，但I/O口的功能丰富，有两个模拟比较器、Watchdog、IzC总线、4路8位A/D;使用片内上电复位时，无须外接元件；温度范围为- 40～85℃（工业级）；内部有4K OTP程序存储器，串行的EPROM允许在线编程。
　　
　　(2) RS - 485接口
　　
　　RS - 485接口采用MAX485，用于与智能电能表和数据采集系统通信。通过数据采集系统，可完成对环境及电网的监控。RS - 485接口，距离可以超过1 km。每个下位机最多可带128个智能电能表和数据采集系统。
　　
　　(3)掉电报警
　　
　　下位机具有掉电报警功能，电源控制电路主要实现开关电源与蓄电池供电的切换、蓄电池的充电以及交流电断电与上电检测等功能。可以在交流掉电时，将掉电日期、时间以及保存在24WC32 E2PROM中的下位机编号、名称等数据报告给中心管理机或指定的手机。报警电话号码也存储在24WC32 E2PROM中。
　　
　　(4)存储电路和时钟电路
　　
　　存储电路采用CATALYST公司生产的基于I2C总线的24WC32 E2PROM芯片。它具有1. 6~6.0 V的全电压范围和100万次重写及擦除周期，可存储4 KB数据；时钟电路采用基于IIC总线的PCF8563时钟芯片，也是由CATALYST公司所生产；具有低工作电流，典型值为0. 25 μA，宽工作电压范围：1.0～5.5 V;同时，PCF8563还具有世纪标志。
　　
　　3．数据采集系统硬件结构
　　
　　数据采集系统以89C2051单片机为核心，与8路A/D转换器TLC0838 -起构成数据采集系统，完成对非智能设备的监控。硬件结构框图如图1 - 145所示。每个数据采集系统有g路模拟量输入，加上电量传感器，可采集电网电压、电流等数据。另外还有两路开关量输入、两路开关量输出接口，适合对一部智能电能表的监控；同时数据采集系统也可以实施温度及电网的监控。每个数据采集系统均采用RS - 485接口与下位机相连。

　　为降低硬件成本，数据采集系统不设看门狗电路和单独电源，数据采集系统复位信号和电源由下位机提供。另外由于数据采集系统所须处理的数据量较小，因此也不再单独外扩存储器。当数据采集系统程序跑飞时，下位机不能与数据采集系统正确交换数据，此时，由下位机对数据采集系统实施复位。数据采集系统程序框图如图1 - 146所示。
　　
　　(1)模拟量采集
　　
　　多路数据采集电路采用TLC0838完成A/D转换。TLC0838为8路A/D转换，前端接有运放LM324组成的缓冲电路。由于LM324运放输入电压为0～4 V，所以电路之前加有两个分压电阻，用来扩展测量范围，具体输入范围由用户现场来确定。多路数据采集电路可以根据电网电压数据来监测电网电压是否异常；同时，还可以通过温度传感器和其他传感器对电力采集点环境因素进行监测。根据实际的电力采集点情况选取温度的测量范围为-10~-+50℃，选用AD590作为传感器。
　　
　　(2)开关量的输入／输出
　　
　　开关量输出电路可驱动继电器完成对设备电源、供电回路的开关控制；开关量输入电路可用于对设备电源、供电回路等的开关状态的监测。
　　
　　二、通信问题
　　
　　1．通信方式
　　
　　监控中心的管理机和监控机通过GM360接人GSM网，利用短信息业务传递信息。该方式优点是通信利用公网，免于维护，通信质量有保证，价格比较低廉，目前每条短信息费用为0. 15元；缺点是实时性稍差，每条短信息有效载荷仅为140字节，对业务量大的应用不太适合。另外，短信息利用GSM网络的控制信道而不是语音信道进行数据的传递，用户发出的短信息首先被发送到短信息中心的服务器中，然后短信中心的服务器对所收到的短信息进行排队处理，按顺序再发送给相应的接收用户终端。如果接收用户关机或超出服务区不能正常通信，则该条短信息进行一定的延时后重新发送，这样有可能造成后发的短信息先到的情况。此外短信息中心服务器为每个用户开设的缓存区一般有限，约15～25条。当接收缓存区存满而接收用户还不能正常通信时，将不再接收新的短信息，即发生短信息拥塞，造成短信息丢失。
　　
　　另外，短信息在短信息中心服务器中保留的时间也有一定的期限，一般为一天左右。为了保证下位机与中心管理机的数据交换，一定要使接收机可靠地与网络处于通信状态。GM360模块所接收的短信息被保存在SIM卡中，普通SIM卡一般能存储25条短消息。因此，在使用过程中应及时删除已处理过的短信息，以免造成短信息的丢失。在该系统中采用多点轮询的通信方式，即中心管理机按下位机地址呼叫，下位机接收后，将所需采集的数据送至中心管理机。当遇到下位机掉电时，还可由下位机利用蓄电池供电向管理中心或指定的手机进行三次报警。
　　
　　2．GM360调制解调器
　　
　　(1)主要特点
　　
　　●体积小，质量轻，几何尺寸为：131.5 mm×52.3 mm×13.6 mm;
　　
　　●自带专用天线；
　　
　　●支持标准RS - 232串行接口；
　　
　　●内含SIM卡读卡器；
　　
　　●模拟语音输入／输出；
　　
　　●数字语音输入／输出；
　　
　　●透明模式与非透明模式最高传输速率为9 600 b/s;
　　
　　●短信息服务( SMS)，支持PDU模式，符合GSM07. 05标准；
　　
　　●AT命令集，符合GSM07. 07、GSM07. 05和V25标准；
　　
　　●工作电压：5. 6～10 V，标称值为6 V;
　　
　　●工作电流：待机70 mA，工作时平均450 mA;
　　
　　●操作温度：-20～+70℃；
　　
　　●储存温度：- 40～+85℃。

　　(2)工作原理
　　
　　GM360是一个标准的GSM移动终端模块，市场价格目前在1 000左右。如果配上液晶显示、键盘、话筒等外围设备也可成为普通手机。该模块提供了标准RS - 232接口，采用直流6V供电，采用AT贺氏指令，符合ETSI标准GSM07. 07和GSM07. 05，内置微处理器和GSM模块并将其结合到一起，具有定时轮询和远端控制功能。在GM360中插入SIM卡、连接天线，即可通过RS - 232接口与数据终端设备DTE相连并利用GSM网络和中心进行通信。GM360仅支持异步通信模式，支持的通信速率分别为2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s。10位字结构，1位起始位、8位数据位和1位停止位。GM360采用协议数据单元(PDU)，可对短信息进行发送、接收和存储。PDU相当于一个数据包，构成短信息的信息组成。作为一种数据单元，它必须包括源／目的地址、保护时间、数据格式、协议类型和正文。PDU的结构根据短信息是由终端发起的或以终端为目的的而不同。由终端发起时PDU的格式如下（以字节为单位）：

　　
　　以终端为目的时，PDU的格式如下（以字节为单位）：

　　
　　其中SMSC为短信息业务中心地址，DA/OA为源／目的地址，PID为协议识别，DCS为数据编码，UDL为用户数据长度，VP为数据有效时间，MR为指明发出信息，SCTS指短信息到达业务中心的时间。PDU结构中的数据必须以十六进制发送且必须为大写。用户数据UD即有效载荷，有8位方式和7位方式两种，选用何种方式可由DCS中的设置决定。GM360采用AT指令完成短信息的发送(AT+CMGS)、接收(AT+CMGR)、查询(AT+CPMS?)和删除(AT+CMGD)等操作，具体操作可查询GM360用户手册。
　　
　　本节所介绍的系统成本低，维护简便，功能全，可对电力采集点实施电量采集和远程监控，极大地提高了服务质量，减轻了工作人员的工作强度。该系统在实际应用中获得了成功。从实际应用效果来看，系统运行稳定、可靠，达到了预期的效果。