基于SIM900的GPRS电能表远程预付费采集模块设计与应用

刘丹

安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：针对国网GPRS三相智能电能表远程抄表的应用，使用SIM900A并配合Coretex-M3 ARM处理器设计了GPRS远程数据采集模块，以实现GPRS远程抄控。远程采集模块内嵌了RTX实时操作系统，并设计了完整的数据采集、存储策略，以及远程控制和异常事件预警等功能；同时，采集模块实现了Q/GDW1376.1协议的上行通信通道和支持DL/T645-2007协议的下行采集通道，能够实现与远程主站的通信和现场电能表的抄控。经过软件协议的一致性测试，远程采集模块实现了1376.1协议的一类实时数据64项、二类冻结数据69项和三类报警事件数据2项，具备了国网采集终端设备的必要功能。

关键词:SIM900A；Coretex-M3；采集模块；Q/GDW1376.1；电能表

随着计算机系统应用的普及，国内电能计量抄表领域，已经逐步进入自动抄表时代。电力公司对于居民用户的电能抄表，更多使用采集主站-智能集中器/采集终端-远程电能表的部署结构，但对于高等学校、大型工矿等企事业单位，能够使用带远程费控功能的GPRS三相智能电能表，并直接对联采集主站，其结构和成本更加*。针对电力公司GPRS三相智能电能表的应用，设计了采用SIM900A并配合ARM Coretex-M3处理器的远程数据采集模块。采集模块集成了Q/GDW1376.1-2013主站上行协议和电能表DL/T645-2007下行协议，能够对接采集主站并抄收电能表数据。采集模块实现了完整的电能表数据采集、远程费控、异常预警，以及相关的数据存储、协议处理，具备了国网采集终端的必要功能。

GPRS电能表远程采集模块由SIM900A通信子模块、STM32F103RC处理器及其RTX实时操作系统组成。远程采集模块的总体结构如图1所示。上行通道为一路支持1376.1的GPRS链路；维护通道为38KHz的红外接口；下行通道具备一路本地UART抄表接口和一路扩展的RS485抄表接口，其中本地基表的测量点定义为pn0，扩展抄表接口的测量点定义为pn1-15，即远程采集模块具备抄收16个测量点的能力。

图1 系统总体结构

STM32F103RC的运行频率72MHz，并具备90DMIPS的处理性能，其集成SPI、I2C、UART等高性能工业标准接口，内嵌了可使用外部独立32.768KHz晶体振荡器的日历RTC，以及包括多达7个定时器、2个12位ADC模数转换器和支持ISO7816串行接口等标准外设，可以满足多种工业仪表的应用。

图2 STM32F103RC核心板原理图

采集模块的核心板主要由STM32F103RC和32Mbit的支持高速存储操作的SPI接口DataFlash AT45DB321D构成，并使用了STM32内嵌的RTC日历时钟，其中RTC由独立的32.768KHz晶振提供时基，且由锂电池提供备用供电。SIM900A通信子模块的GSM/GPRS工作频率为850/900/1800/1900MHz，它采用工业标准接口，可以低功耗地实现语音、数据和SMS的传输。SIM900A内嵌了TCP/IP协议，并可以使用UART异步串口与STM32主机MCU通信，这使得GPRS子模块和STM32主MPU之间的互联十分简单。图3所示的是SIM900A的原理图设计，为保证SIM900A的器件安全，设计上对SIM卡座接口配备了独立的ESDA6V1W5，以实现静电防护。图3 SIM900A GPRS通信模块原理图(参见右栏)根据电网远程电能表规范，三相无线电能表作为GPRS采集模块的基表，向远程采集模块提供供电电源。基表所提供的模拟部分供电电压为13.5V±1.5V。考虑STM32F103的内核电压为3.3V，SIM900A通信子模块供电电压4.1V，以及考虑到GPRS模块的发射电流峰值高达2A，因此，为保证SIM900A、STM32F103 MCU的正常工作，设计使用了3A的TPS54331 DC-DC降压芯片。图4所示的是12V至4.1V的DC-DC电源电路。

图3 SIM900A GPRS通信模块原理图

图4 TPS54331 DC-DC降压电路

因为TLV1117LV33 LDO能够在1A电流下实现仅455mV的超低压差损失，所以STM32处理器的3.3V供电电源，可以直接使用该超低压差LDO，由4.1V直接LDO降压至3.3V。此外，为了保证电能表掉电后，远程采集模块的RTC日历仍能够正常计时，同时也为了确保在远程采集模块掉电的瞬间，GPRS仍能够向远端后台主站发送掉电事件及报警等必要的交互信息，远程采集模块采用了可充电的锂电池作为系统的后备电源。GPRS远程采集模块外接了一个3.7V充电锂电池，作为系统掉电后的备用电池。后备锂电池直接使用4.1V进行限流充电；同时，为防止锂电池的过充电，STM32F103处理器通过ADC通道实时地监视锂电池的端电压，以便在电池端电压低于3.6V时开启充电，并在端电压达到4.1V时关闭充电开关。图5所示的是3.3V电源的LDO电路，图6所示的是锂电池的充电和监视电路，锂电池的充电电源开关由PMOS管SI2301承担。

图5 TLV1117LV33 3.3V LDO电路

图6 锂电池充电与电压监视电路

为保证GPRS远程采集模块与基表接口5V TTL电平的匹配，国网远程电能表型式规范明确了基表亦需要向远程模块提供电压为5V±5％的数字部分电源，并与模拟电源共地，用以提供电平匹配与隔离器件的+5V供电。由于STM32F103处理器的UART1、UART3和UART4引脚，都可以兼容5V的TTL电平，所以采集模块与电能表通信接口的电平匹配电路比较简单。图7所示的是远程采集模块与基表的采集串口/外部RS485扩展串口的电平匹配电路图。隔离缓冲器74HC09使用+5V供电，直接实现采集模块与基表接口的+5V TTL电平的匹配，而74HC09与MCU的接口的电平匹配，则由处理器STM32F103兼容5V TTL电平的特性进行保证。

图7 电能采集串口的+5V TTL电平匹配

由于STM32F103RC核心板、SIM900A子模块和SIM卡座的面积均较大，受限于国网GPRS三相电能表右模块盒的尺寸，将MCU核心板布置于PCB的一面，SIM900A和SIM卡座布置于另一面，采用双面元件布局的PCB设计如图8所示。图8 远程采集模块的PCB布局（SIM900A面）。

GPRS远程采集模块的嵌入式软件，使用了STM32处理器keil开发平台所集成的RTX实时操作系统。根据远程采集模块的功能要求，设计了电能表DL/T645通信收发任务(优先级1)、GPRS Q/GDW1376.1通信任务(优先级2)、自动抄表机制与轮询任务(优先级3)、38KHz红外串口收发任务 (优先级4)、1376.1协议解析与组帧任务(优先级5)、服务器/客户机心跳任务(优先级6)和STM32 RTC日历(优先级7)，共7个任务。GPRS远程采集模块的主程序运行流程如图9所示。

图8 远程采集模块的PCB布局

图9 STM32主程序运行图

main( )主程序首先执行MCU内核时钟的配置，其中MCU内核运行于72MHz，低速外设总线运行于36MHz，接着配置GPIO端口、中断向量、RTC日历、ADC、SPI、UART和PWM串口等外设，并初始化采集模块的数据存储，调用RTX任务调度模块，将MCU系统资源交由实时操作系统控制，进入多任务调度/运行状态。图10所示的是GPRS通信任务中，SIM900A在TCP/IP模式下的数据发送流程。图10SIM900A TCP/IP模式下的数据发送远程采集模块的SIM900A工作于TCP/IP模式，当数据需要远传发送时，1376.1协议解析与组帧任务(优先级5)通过设置GPRS发送任务信号量，在RTX实时操作系统的调度下，抢占式地实时触发了GPRS通信任务(优先级2)的运行，并由GPRS通信任务执行从1376.1协议帧的临时缓冲区中读取待发送的1376.1协议帧的报文，通过UART1实现数据发送。

图10 SIM900A TCP/IP模式下的数据发送

GPRS远程采集模块的测试基表为森晖研发部A22网络电能表，其下行协议支持电能表DL/T645-2007；硬件测试设备为脉冲群EFT发生器、静电发生器；测试主站使用国网采集终端1376.1协议一致性测试软件。硬件实验：4KV快速脉冲群抗干扰度试验时，A22基表液晶屏幕微微抖动，出现逆相序符号，GPRS远程采集模块工作正常；15KV空气放电抗干扰度试验时，A22基表会复位，但A22基表和GPRS远程采集模块均可以在复位后自行恢复并正常工作；此外，GPRS远程采集模块在线状态时的功耗为1.4W，与公网进行交换数据时的功耗为2W。协议一致性测试：按照国电网1376.1上行协议规范，使用国网采集终端协议一致性测试软件共向GPRS远程采集模块召测了一类实时数据64项，二类历史冻结数据69项，三类报警事件数据2项，其中所召测的一类实时数据63项、二类历史冻结数据69项，三类报警事件数据数据2项，均能够在10秒内成功返回。召测数据项的具体统计情况如表1所示。综上，经硬件试验和1376.1协议帧的一致性测试，远程采集模块的设计，满足了GPRS三相智能电能表远程采集、存储和通信的设计需求。

表1 Q/GDW1376.1测试数据项及响应的统计表

注：一类实时数据第F27项的电能表日历时钟及电能表状态信息，因GPRS远程采集模块需要多次实时访问A22基表并由GPRS采集模块合并、组帧和上报，耗费了额外时间，需15秒才能应答返回

5.1 系统方案

系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。

5.2 系统功能

AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。

本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。

远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。

水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。

远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数，方便快捷。

能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。

在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。

短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。

远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。

5.3 产品选型

得益于SIM900A的稳定性和完备的TCP/IP协议栈，以及Coretex-M3处理器STM32F103RC的性能，内嵌了RTX实时操作系统的GPRS电能表远程采集模块，实现了国网采集终端基本的一类数据、二类数据的采集/存储功能，并实现了三类异常事件的预警和掉电保护措施，以及必要的远程控制能力。远程采集模块具备了国网GPRS采集终端的必要功能。

【1】甘振华.基于SIM900A的GPRS电能表远程采集模块设计

【2】徐昊,刘友安. 电能计量与远程抄表应用研究[J]. 华中电力,2010,23(4):72-75.

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06