一种gprs电量采集系统的制作方法
【专利摘要】一种GPRS电量采集系统，涉及一种电量采集系统，所述系统数据传送采用GPRS模块无线传输或者RS-485模块总线方式两种模式；CPU模块双向与8个数字量输入2个数字量输出（8DI/2DO）模块、电量采集单元相连；通过一个串行口与485通讯接口模块相连，通过另一个串行口与GPRS模块相连；电量采集单元中电压电流以星形负载的方式接入，电流输入5A，采集A、B、C三相和零线的电流，经电流互感器进行电流变换；该系统采用先进的无线GPRS通讯技术，可充分利用现有移动通讯网络，进行无线通讯，对现场条件要求低，只需将设备安装到采集点即可，这即缩短项目建设周期，又降低了项目投资成本。
【专利说明】—种GPRS电量采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电量采集系统，特别是涉及一种GPRS电量采集系统。
【背景技术】
[0002]传统的电量采集设备安装需要大量的人力、物力进行现场施工，使用大量的电缆将个通讯设备与主机相连，个别地方由于现场条件不具备还不能实现与主机通讯。不论在恶劣的野外环境还是在市内，变电所分布广、数量多，采用人工抄表的方式不仅工作强度大，耗费人力资源多，也增加了很多危险因素以及人为的数据不准确因素。
[0003]现在也有一些较好的抄表，例如使用RS-232，RS-485规约进行的数据转发技术；手持式抄表仪等方式。对于市内环境还可以采用多使用人工的方式进行，但对于农村及工厂或煤矿等野外环境存在一定的困难。
[0004]研究一项可以针对以上问题进行有效改善的系统，增加数据采集的容易度、准确性，减少人力资源浪费是十分有必要的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种GPRS电量采集系统，该系统采用先进的无线GPRS通讯技术，可充分利用现有移动通讯网络，进行无线通讯，对现场条件要求低，只需将设备安装到采集点即可，这即缩短项目建设周期，又降低了项目投资成本。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种GPRS电量采集系统，包括系统的主要模块包括CPU单元、电量采集单元、数据存储单元、8个数字量输入2个数字量输出、电源模块、一个RS-485通讯接口和一个GPRS无线接口。数据的传送可以采用GPRS模块无线传输或者RS-485模块总线方式两种模式。
[0007]CPU采用AT91SAM7S256，其内部集成了丰富的外围接口，可以满足与各单元之间的接口要求，外扩数据存储单元(Data Flash)模块用来存储长期数据，外扩FRAM存储掉电数据。CPU模块双向与8个数字量输入2个数字量输出(8DI/2D0)模块，电量采集单元相连；通过一个串行口与485通讯接口模块相连，通过另一个串行口与GPRS模块相连。电源模块采用交流220V转5V为系统供电，再经DC/DC变换产生的3.3V为CPU模块等供电；产生的4V为GPRS模块供电；产生的12V为DI/D0模块供电；电量采集芯片由5V供电。电源监测模块用于5V电源掉电时，仍保持3.3V电源一定时间，令CPU保存数据到FRAM中，掉电保存时间彡10ms。DI/D0模块提供8路无源干结点开关量输入，2路继电器隔离输出。
[0008]电量采集单元中电压电流以星形负载的方式接入，电压输入100V，采用电压互感器进行变压。电流输入5A，采集A、B、C三相和零线的电流，经电流互感器进行电流变换。电压电流经变换后转成差分输入到专用电能芯片ATT7022B。ATT7022B内部集成了 7路ADC，能够测量各项以及和相的有功功率和无功功率、视在功率、有功能量及无功能量；还能够测量各相电压、电流有效值，功率因数和相角、频率等。ATT7022B提供SPI接口与CPU相连。由于ATT7022B为+5V逻辑，CPU为+3.3V逻辑，所以需要进行电平转换。ATT7022B提供4路脉冲CF1-CF4输出，可用于校表。
[0009]GPRS模块采用SIM300C，该模块内嵌TCP/IP协议栈。简化了系统软件的设计。SIM300C带有标准异步串行口，可采用AT命令集进行控制。在实际应用中，当需要通过串口与模块进行通讯时，可以只用三个引脚，即RXD、TXD、GND，其他引脚悬空；但当需要通过模块上网时，应该尽量使用全部的串口信号引脚。本设计中由于AT91SAM7S256内部串口 I支持调制解调器功能，具有与I/O复用的全部串口信号，因此，将二者一一对应相连。由于GPRS模块为2.8V逻辑电平，与CPU连接时需要进行电平转换。同时，采用SM300C自带RTC作为系统实时时钟。
[0010]采集系统软件由定时器模块、通讯管理模块、系统运行管理模块、GPRS通讯模块、基于RS-485接口 MODBUS协议的通讯、数据采集、数据分析统计计算，数据存储管理模块。
[0011]将原有单片机程序移植到NUCLEUS操作系统，在保持原有各功能完整的前提下，使软件运行得更加流畅；在系统内需要实现系统的初始化、数据的定时采集，定时计算，定时存储；通讯部分系统需要实现定时将数据通过GPRS或MODBUS协议发送到服务器、并接受服务器的主动召唤信息；系统管理部分则要求能接受系统参数的设定，对Flash进行的存储管理，系统灾难的恢复，掉电处理的功能。
[0012]GPRS通讯模块中模块初始化即对对GPRS通讯模块进行通讯参数的设定，当有数据发送时，首先建立连接，并成功登录。通讯数据接收时在各网络通讯任务中，接收指定连接的数据，并将数据解包并解析。通讯数据发送时将打包完成的数据通过GPRS模块发送到远程服务器。能够实现对通讯数据的封包或解封。当在通讯的过程中网络异常情况下的处理预案。当远程服务器拨打采集端的号码时对号码进行判断，如果号码正确则采集端断开接通，并准备与服务器建立连接。否则什么都不做。将接收到短消息如果是有设置许可功能的号码，则解析数据并进行参数设置以及删除短信。否则什么也不做。
[0013]RS-485 MODBUS模块中完成MODBUS相关的初始化工作，接受来自主服务器的数据请求要求。通过MODBUS协议将数据发送给远程服务器。将要发送的数据按照MODBUS协议格式进行打包将要接收的数据按照MODBUS协议解包。
[0014]通讯管理模块可以识别通讯方式即对系统在使用的过程中可能连接了RS-485modbus设备并且同时还连接了 GPRS设备。通讯管理模块用来识别采用哪种方式进行通讯。当系统参数出现修改时，将参数传给系统管理模块，使其将系统参数更新。
[0015]系统运行管理模块在启动的时候从flash中读取系统的环境参数进行设置。接收来自通讯模块的参数设置信息，并将当前环境配置为当前传递进来的参数并调用存储管理的接口存储系统的配置参数。
[0016]数据存储管理模块存储24小时数据即对每小时数据采集设备都将调用该管理模块以存储刚刚过去的一个小时的每小时数据。支持数据存储分区。能够存储每日的统计数据。如果日统计数据超过95天，删除最早那天的数据。数据读取功能即接收数据的时间，返回相关的全部数据。
[0017]定时器模块可以周期性对数据进行采样。I分钟调用统计计算模块以计算实时数据。当到I小时时，采集一次数据，并调用存储管理模块将小时数据存储起来。每当到I日的数据采集完成之后，调用统计模块统计全天数据，并调用存储管理模块存储。
[0018]数据分析统计计算模块求得实时数据和一日数据的统计值。分析采集到的数据是否是超限，或最大值变更，或者是停送电数据。如果是需要记录的事件则调用存储管理模块进行数据保存。
[0019]数据采集模块采集现场的电量数据通过SPI接口接收，将采集到的数据进行预加工，保证之后使用的通用性。
[0020]本发明的工作原理是:电源模块接通电源，为其他各模块供电。电量采集单元中采用三相四线制/三项三线制电压电流检测到的信号，经过电压变换和电流变换后转成差分输入到专用电能芯片ATT7022B对数据进行初步计算，ATT7022B提供SPI接口通过电平转换后输入给CPU存储到数据存储Data Flash存储模块内。系统在使用的过程中可能连接了RS-485modbus设备并且同时还连接了 GPRS设备。CPU通讯管理模块来识别采用哪种方式进行通讯。CPU定时的或者根据请求，将保存的数据通过RS-485发送，或者打开SM300C，将数据经电平转换后经过SM300C由SM卡发送出去。ATT7022B提供4路脉冲CF1-CF4输出，可用于校表。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的硬件系统模块结构示意图；
图2为本发明软件系统中各模块间的基本逻辑关系以及与外部其他软件的接口示意图。
【具体实施方式】
[0022]实施例:
下面结合实施例图1、图2对本发明作进一步详细说明。
[0023]一种GPRS电量采集系统，包括系统的主要模块包括CPU单元10、电量采集单元60、数据存储单元30、8个数字量输入2个数字量输出40、电源模块201、一个RS-485通讯接口 50和一个GPRS模块70。数据的传送可以采用GPRS模块70无线传输或者RS-485模块50总线方式两种模式。
[0024]CPUlO采用AT91SAM7S256，其内部集成了丰富的外围接口，可以满足与各单元之间的接口要求，外扩数据存储单元(Data Flash301)模块用来存储长期数据，外扩FRAM302存储掉电数据。CPU模块10双向与8个数字量输入2个数字量输出(8DI/2D0M0模块，电量采集单元60相连；通过一个串行口与485通讯接口模块50相连，通过另一个串行口与GPRS模块70相连。电源模块201采用交流220V转5V为系统供电，再经DC/DC变换产生的3.3V为CPU模块10等供电；产生的4V为GPRS模块70供电；产生的12V为DI/D0模块40供电；电量采集芯片603由5V供电。电源监测模块202用于5V电源掉电时，仍保持3.3V电源一定时间，令CPU保存数据到FRAM302中，掉电保存时间彡10ms。DI/D0模块40提供8路无源干结点开关量输入，2路继电器隔离输出。
[0025]电量采集单元60中电压电流以星形负载的方式接入，电压输入100V，采用电压互感器601进行变压。电流输入5A，采集A、B、C三相和零线的电流，经电流互感器602进行电流变换。电压电流经变换后转成差分输入到专用电能芯片ATT7022B 6030 ATT7022B 603内部集成了 7路ADC，能够测量各项以及和相的有功功率和无功功率、视在功率、有功能量及无功能量；还能够测量各相电压、电流有效值，功率因数和相角、频率等。ATT7022B 603提供SPI接口 605与CPUlO相连。由于ATT7022B 603为+5V逻辑，CPUlO为+3.3V逻辑，所以需要进行电平转换606。ATT7022B 603提供4路脉冲CF1-CF4 604输出，可用于校表。
[0026]GPRS模块70采用SIM300C 701，该模块内嵌TCP/IP协议栈。简化了系统软件的设计。SIM300C 701带有标准异步串行口，可采用AT命令集进行控制。在实际应用中，当需要通过串口与模块进行通讯时，可以只用三个引脚，即RXD、TXD、GND，其他引脚悬空；但当需要通过模块上网时，应该尽量使用全部的串口信号引脚。本设计中由于AT91SAM7S256CPU10内部串口 I支持调制解调器功能，具有与I/O复用的全部串口信号，因此，将二者一一对应相连。由于GPRS模块70为2.8V逻辑电平，与CPUlO连接时需要进行电平转换702。同时，采用SM300C 701自带RTC作为系统实时时钟。
[0027]图2采集系统软件由定时器模块、通讯管理模块、系统运行管理模块、GPRS通讯模块、基于RS-485接口 MODBUS协议的通讯、数据采集、数据分析统计计算，数据存储管理模块。
[0028]将原有单片机程序移植到NUCLEUS操作系统，在保持原有各功能完整的前提下，使软件运行得更加流畅；在系统内需要实现系统的初始化、数据的定时采集，定时计算，定时存储；通讯部分系统需要实现定时将数据通过GPRS或MODBUS协议发送到服务器、并接受服务器的主动召唤信息；系统管理部分则要求能接受系统参数的设定，对Flash进行的存储管理，系统灾难的恢复，掉电处理的功能。
[0029]GPRS通讯模块中模块初始化即对对GPRS通讯模块进行通讯参数的设定，当有数据发送时，首先建立连接，并成功登录。通讯数据接收时在各网络通讯任务中，接收指定连接的数据，并将数据解包并解析。通讯数据发送时将打包完成的数据通过GPRS模块发送到远程服务器。能够实现对通讯数据的封包或解封。当在通讯的过程中网络异常情况下的处理预案。当远程服务器拨打采集端的号码时对号码进行判断，如果号码正确则采集端断开接通，并准备与服务器建立连接。否则什么都不做。将接收到短消息如果是有设置许可功能的号码，则解析数据并进行参数设置以及删除短信。否则什么也不做。
[0030]RS-485 MODBUS模块中完成MODBUS相关的初始化工作，接受来自主服务器的数据请求要求。通过MODBUS协议将数据发送给远程服务器。将要发送的数据按照MODBUS协议格式进行打包将要接收的数据按照MODBUS协议解包。
[0031]通讯管理模块可以识别通讯方式即对系统在使用的过程中可能连接了RS-485modbus设备并且同时还连接了 GPRS设备。通讯管理模块用来识别采用哪种方式进行通讯。当系统参数出现修改时，将参数传给系统管理模块，使其将系统参数更新。
[0032]系统运行管理模块在启动的时候从flash中读取系统的环境参数进行设置。接收来自通讯模块的参数设置信息，并将当前环境配置为当前传递进来的参数并调用存储管理的接口存储系统的配置参数。
[0033]数据存储管理模块存储24小时数据即对每小时数据采集设备都将调用该管理模块以存储刚刚过去的一个小时的每小时数据。支持数据存储分区。能够存储每日的统计数据。如果日统计数据超过95天，删除最早那天的数据。数据读取功能即接收数据的时间，返回相关的全部数据。
[0034]定时器模块可以周期性对数据进行采样。I分钟调用统计计算模块以计算实时数据。当到I小时时，采集一次数据，并调用存储管理模块将小时数据存储起来。每当到I日的数据采集完成之后，调用统计模块统计全天数据，并调用存储管理模块存储。
[0035]数据分析统计计算模块求得实时数据和一日数据的统计值。分析采集到的数据是否是超限，或最大值变更，或者是停送电数据。如果是需要记录的事件则调用存储管理模块进行数据保存。
[0036]数据采集模块采集现场的电量数据通过SPI接口接收，将采集到的数据进行预加工，保证之后使用的通用性。
【权利要求】
1.一种GPRS电量采集系统，其特征在于，所述系统包括CPU单元、电量采集单元、数据存储单元、数字量输入、数字量输出、电源模块、RS-485通讯接口和GPRS无线接口 ；数据传送采用GPRS模块无线传输或者RS-485模块总线方式两种模式；CPU模块双向与8个数字量输入2个数字量输出(8DI/2D0)模块、电量采集单元相连；通过一个串行口与485通讯接口模块相连，通过另一个串行口与GPRS模块相连；电量采集单元中电压电流以星形负载的方式接入，电流输入5A，采集A、B、C三相和零线的电流，经电流互感器进行电流变换；电压电流经变换后转成差分输入到专用电能芯片ATT7022B ；ATT7022B内部集成了 7路ADC，ATT7022B提供SPI接口与CPU相连；GPRS模块采用SM300C，该模块内嵌TCP/IP协议栈；采集系统软件由定时器模块、通讯管理模块、系统运行管理模块、GPRS通讯模块、基于RS-485接口 MODBUS协议的通讯、数据采集、数据分析统计计算，数据存储管理模块；RS_485MODBUS模块中完成MODBUS相关的初始化工作，接受来自主服务器的数据请求要求；通讯管理模块识别通讯方式，即连接了 RS-485modbus设备还连接了 GPRS设备；系统运行管理模块在启动的时候从flash中读取系统的环境参数进行设置；数据采集模块采集现场的电量数据通过SPI接口接收，将采集到的数据进行预加工，保证之后使用的通用性。
2.根据权利要求1所述的一种GPRS电量采集系统，其特征在于，所述电源模块采用交流220V转5V为系统供电，再经DC/DC变换产生的3.3V为CPU模块供电；产生的4V为GPRS模块供电；产生的12V为DI/D0模块供电；电量采集芯片由5V供电。
3.根据权利要求1所述的一种GPRS电量采集系统，其特征在于，所述GPRS通讯模块中模块初始化即对对GPRS通讯模块进行通讯参数的设定。
【文档编号】G01R22/10GK104483541SQ201410711035
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】武刚, 韩晓微, 谢英红 申请人:沈阳大学