基于GPRS无线模块的数据集中器设计

黄海燕

（惠州中城电子科技有限公司，惠州 516006）

基于GPRS无线模块的数据集中器设计

黄海燕

（惠州中城电子科技有限公司，惠州 516006）

随着3G/4G网络的大面积覆盖和无线技术的日益成熟，国家对智能电网的大力推进可以利用现有的GPRS网络技术，基于GPRS网络的无线抄表方式已逐步成为智能电网中对电表数据采集传输的主要发展趋势。基于对智能电表的无线传输和自动抄表技术的研究，简单介绍GPRS无线数据传输的特点，阐述集中器的电路模块设计，简单介绍集中器所采用的通信模块和GPRS通信芯片的结构，详细介绍GPRS通信流程以及整个通信网络的物理层结构。实践证明，基于GPRS无线模块的数据集中器设计是可行的，它具有一站到基站，通信链路单一，无需重新组建网络，通讯速度较快，且免于维护等优点。

GPRS无线模块；集中器；无线抄表

0 引言

集中器的主要作用是连接下行电表终端或采集器进行数据采集，并将数据经过GPRS网络传输给主站，或将主站下发的命令转发给下行电表。集中器的GPRS模块经过与GPRS网络进行握手、认证、协商后，得到一个IP地址，集中器将采集到的数据进行提取、处理后，封装到UDP或TCP数据包的数据域中，然后将UDP或TCP数据包嵌入到PPP中，最终在PPP链路上进行仪表数据传输。随着3G/4G技术的日渐成熟和5G技术的到来，GPRS网络几乎已经覆盖到全国各地，智能电网上无线抄表技术可直接使用现有的GPRS网络，节约了大量搭建网络所需的人力物力。因此，本项目在我司现有智能电表的基础上设计一种GPRS通信模块，不仅可依托现成的GPRS网络，构建物联网、互联网络，无需因地域的不同而进行改造，使得安装施工比较简易。且具备高效的传输速率，经多次试验，可提供高达200kBit的抄表传输速率。该产品的GPRS通信模块遵守国网要求的《电力用户用电信息采集系统通信协议》中的第三部分--Q/GDW 376.3—2013《采集终端远程通信模块接口协议》，该协议规定了电力用户用电信息采集终端远程通信模块的接口、功能要求，以及AT命令集。

1 系统设计

系统基于GPRS无线通信技术，主控芯片选型性能稳定可靠的STM32芯片,满足对复杂环境下传输速率的要求。主要电路包括MCU控制电路、485通信电路、USB电路，红外通信电路，计量电路，存储电路，液晶显示电路，电源电路和GPRS通信电路。通过485通信电路将下行电表或采集器的数据抄读回来，然后将数据进行处理打包通过GPRS模块电路将数据发送给绑定有固定IP地址和端口的主站。

2 GPRS电路工作原理及数据传输流程

2.1 芯片结构

GPRS模块上的主芯片采用DP83848K，该芯片性能稳定，体积小，可嵌入到对体积要求较高的电路板上，它的宽温度工作范围也使该芯片在恶劣环境下也能正常工作，适合工业应用。具体内部结构图如图2。

2.2 GGPPRRSS通信原理

电表使用GPRS透明数据传输终端，通过移动的GPRS网络与配电中心相连。集中器首先要与GPRS网络进行握手通信，ol双方先要进行LCP配置协商，协商成功后进行PAP/CHAP认证，认证通过后最后进行IPCP配置选项协商，协商通过后最终连接成功，GPRS终端获得一个IP地址，GPRS终端使用该IP地址将数据包封装好后通过PPP链路与主站进行通信。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，因此监测中心计算机需要一个固定的IP地址或固定的域名，GPRS网络锁定主站的IP地址有两种方式：1.通过动态域名，即时刷新检测主机的动态IP得到当前时刻主机的IP地址，从而通过PPP链路进行通信；2.端口映射，通过查找主站系统局域网内连接外界ISP网络的服务器IP地址，和主站系统所在电脑在内部局域网内对应的端口号来锁定主站系统的电脑，最后通过PPP链路进行通信。抄表中一般是集中器读取485串口数据，然后集中器MCU有另一个串口（通常是232）与GPRS模块相连，MCU向232串口发送AT指令，指令中包含想用来做服务器的IP和端口，实质是通过移动中转。服务器端必须有固定IP，使用TCP协议，SOCKET侦听连接。电表集中器采集的数据经GPRS网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到监控中心IP地址。

图1 集中器结构图

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2.3 基于GGPPRRSS无线通信的数据传输流程

电表数据采集点：电表数据采集点位于居民小区的信息中心，居民用户的用电数据由付费率电表首先通过RS-485接口通过双绞线连接到位于小区信息中心的电能表集中器，电表集中器再通过RS-232接口与GPRS无线通信模块相连。GPRS无线通信模块先与GPRS网络经过LCP、PAP/CHAP、IPCP三阶段的协商建立PPP连接，获取IP地址，再将TCP/IP数据包嵌入到PPP包中通过GPRS网络访问Internet，通过Internet网将数据传给主站，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接，数据集中器可对电表参数进行采集、存储、预处理或将采集到的电表数据实时传送到配电中心；同时，数据集中器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表控制模块，对电表进行控制操作。

图2 GPRS通信芯片结构图

图3 GPRS通信流程图

图4 基于GPRS无线通信抄表的物理层组成图

基于GPRS无线模块的数据集中器由惠州中城电子科技有限公司研发制造，已经供应给河北电力局一万台安装在河北省各个地区进行使用，目前反馈集中器对电表数据采集和GPRS无线传输效果非常理想,一是性能稳定，存储量大，一台集中器对于处理下行一千多台电表的电量、事件等数据仍能可靠运行，二是升级方便，该系统可以在4G网络覆盖区很方便地进行远程升级，无需人工到现场升级，甚至后期可随网络性能发展进一步升级更新，三是传输信号稳定，该集中器自2014年安装运行到现在，通过GPRS无线传输的数据稳定性不会受到环境的影响。

3 结语

本文所设计的集中器可根据当地智能电表的通讯方式进行通讯模块的拓展。现在国内许多地区，为简化通信线路，大多采用载波通信的方式通过电力线传输信号，一些办公区域采用ZigBee无线进行数据传输，为适应不同地区的多种通信方式，可以对集中器拓展增加载波通信，ZigBee无线通信等功能,应用前景十分广泛。

[1]陈文荣.基于GPRS的仪表数据采集与监控系统[D].浙江大学学报，2005（2）：18-20.[2].

[2]李明.GPRS无线网络技术在电力行业中的应用[R].电力行业信息化年会会议，2006.

Design of Data Concentrator Based on GPRS Wireless Module

HUANG Hai-yan
（Huizhou Midtown Electronic Technology Co.,Ltd.，Huizhou 516006）

With the development of wireless communication technology and computer network technology,especially the national strategy of smart grid,automatic meter reading based on wireless transmission has gradually become the main trend of meter reading of electronic energy me⁃ter.Based on the study of wireless transmission for smart meter and automatic meter reading technology,introduces the characteristics of GPRS wireless data transmission module,describes the circuit design of concentrator,introduces the structure of communication module and GPRS chip of the concentrator,introduces in detail the GPRS communication process and the structure of physical layer of communica⁃tion network.Practice has proved that the design of data concentrator based on GPRS wireless module is feasible.It has the advantages of one station to base station,single communication link,no need to re-organize network,fast communication,and easy to maintain.

1007-1423（2017）23-0072-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.017

黄海燕（1969-），女，广东惠州人，大专，董事长，研究方向电能表行业的仪器仪表软件、硬件开发

2017-07-20

2017-08-10

GPRS Wireless Module;Concentrator;GPRS