第25卷第7期2018年7月
仪器仪表用户
INSTRUMENTATION
Vol.25
2018 No.7
梁宏璞、戴明2，程奕凌3，王成超3
(1.青藏铁路集团公司，西宁816000; 2.南京恒星自动化股份有限公司，南京210042;
3.南京邮电大学自动化学院，南京210023)
摘要：针对电能信息采集远程传输的实际应用需求，本文设计开发了电能信息的多模式远程通信系统，实现了有 线以太网和无线GPRS两种远程通信方式。采集终端采集的电能信息通过无线传感网络传输给协调器，再经过多模 式远程通信系统，将电能信息传输到远娜务器；另一方面，也可以在远程终端通过多模式
远麵言系统麟对用 电设备的控制指令。
关键词：电能信息；远程通信；多模式通信；以太网；G P R S
D O1:10. 3969/j.i ssn. 1671 -1041.2018. 07. 009中图分类号：T M764 文献标志码：A文章编号：1671-1041 (2018)07-0031-03
Design and Implementation of M ulti-Mode Remote Communication
System for Electric Energy Information
Liang Hongpu1，Dai Ming2, Cheng Yiling，Wang Chengchao3
(1.Qinghai-Tibet Railway Group Corporation,Xining,816000, China;
2.Sun Nanjing Automatic Equipments Go.,Ltd.,Nanjing,210042, China;
3.College of Automation,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing,210023, China) Abstract：In view of the practical application demand of electric energy information collection and remote transmission,this paper designs and develops a multi-mode remote communication system for
electric energy information,and realizes two remote communication modes of wired Ethernet and wireless GPRS.The electric energy information is collected by the acquisition terminal and is transmitted to the coordinator through the wireless sensor network,and then through the multi—mode remote communication system,the electric energy information is transmitted to the remote server;on the other hand,the control instruction for the electrical equipment can be sent through the multi—mode remote communication system in the remote terminal.
K ey w ord s：electric energy information;remote communication;multi-mode communication;ethemet;GPRS
〇引言
随着智能电网技术的快速发展，智能用电及能效管理 已经成为当前的研究热点。通过综合多种计算机网络和电 器设备控制的先进技术，建立健全完善的电能信息管理系 统，实现电能信息的实时采集、传输与分析对智能电网用 户侧的能效管理具有非常重要的现实意义。
近些年，电力公司已经较好地完成了多种形式的智 能电表远程抄表系统，但对于用户级个性化、精细化的电 能信息采集、远程传输及用能管理尚处于起步阶段。为了更好地加强用户与电网的互动，解决不同协议传输信息的 有效接人，给出了一种电能信息多模式远程通信系统模块 的设计与实现方法。该模块
将有线以太网通信方式与无线 GPRS通信方式相结合，实现电能信息多种远程通信模式 的选择与转换，可方便地应用于多种场合的能效管理信息 传输。
1系统总体架构与硬件实现
电能信息多模式远程通信系统的整体结构如图1所示，其主要由电能信息采集模块、MCU协议转换模块、GPRS®
收稿日期：2018-04-16
基金项目：南京邮电大学国家级大学生创新训练计划项目（SZD G2017017) 〇作者简介：梁宏璞（1974—)，男，高级工程师，从事铁路电气化方面的研究。
32仪器仪表用户丨NSTRUMENTATION第25卷
服务器
以太网接口
图1系统总体结构
Fig.1 System architecture
服务器
块、以太网控制器等部分组成。
本系统中传感器子节点采集分布的电能信息并将这些 信息通过无线通信的方式汇聚到信息协调器上，协调器再 通过串口与STM32主控器相连，将电能信息存储到控制器 中并进行简单处理。同时，主控器一方面通过串口将信息 发送给GPRS模块，GPRS模块进一步将电能信息发送给远 程服务器；另一方面，STM32主控器通过SPI总线与以太网 控制器相连，将信息发送给以太网控制器，其进一步将电 能信息发送至服务器。系统还可以同样的方式将远程服务 器的指令与数据等信息发送至STM32主控器实现对用电
设备的有效管理和及时、准确控制。
1.1有线以太网通信模块
以太网控制器采用的是ENC28J60网口芯片，该芯片采 用3.3V供电（可5V短暂供电，提供大电流）。它有单独的 SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口）接口。另外，它包含IEEE 802.3协议的完整内容，还拥有了10 BASE-T物 理层，提供一整套的数据包筛选机制，对所要进行传输的 数据包进行筛
选选择。ENC28J60模块与STM32连接示意图 如图2所示。一方面，ENC28J6抱含一个内部D M A，这样 能够让数据的收发更加地迅速，而且也能够进行IP校验；另一方面，ENC28J60与本系统中的STM32控制芯片的通信 交流是通过SI>I以及两个中断引脚的。并且，ENS28J60上还 有两个特殊引脚用来与LED相连，LED用来表示此时网络状 态。此次建立的通信，有全双工模式和半双工模式两种。基于此，它能兼顾到大量数据需要发送的情况。ENC28J60 作为此次的以太网模块的控制器，其主导地位是不言而喻 的，并且同时它的外围电路也需要注意。
1.2无线GPRS通信模块
电能信息多模式远程通信系统中采用了 SIM900A模块 作为GPRS通信模块，其与STM32微控制器通过串口相连进 行通信，连接示意图如图3所示。内部包含SIM卡槽和音频 输入功能的GPRS模块的部分控制引脚和STM32的10引脚相 连，GPRS模块与控制器通过串口进行连接，且模块在电路 设计上具有一路LED用来指示是否连接GPRS网络，并且在 硬件上具有一个复位按键以便对模块进行重新启动，进一 步地，模块搭载天线以发射和接收信号，从而和远程服务
图2以太网模块与单片机的连接
Fig.2 The connection between the ethernet module and MCU
图3 GPRS模块与单片机的连接
Fig.3 The connection between the GPRS module and MCU
器进行通信〇SIM900A模块可以说是GPRS进行远程数据通 信的最优实例'其采用的是工业级专业标准数据接口，通过UART总线与微控制器通信ra。上电后SIM900A默认处 于开机状态，且一方面模块具有硬件开关来选择其工作状 态；另一方面，模块直接与单片机的10相连，受到单片机 的控制。综合考虑，本文的设计采用内嵌TCP/IP协议并且 支持 G PRS的S IM900A。
2系统测试及方案验证
2.1有线以太网通信测试
在确保系统硬件能够正常运行之后，通过在PC上调用 CMD窗口，运行“ping192.168.1.2”指令，判断系统是否与 PC端连接成功。系统已经与PC端建立连接后，通过串口1，选择9600的波特率并且在PC端打开串口调试助手，按照所 约定的协议进行电能信息的发送，单片机通过中断进行接 收，与以太网控制器通过SPI总线进行通信。数据传输在 远程服务器平台，通过网络调试助手可以发现，远程地址 为“
西宁招考信息网192.168丄101”的1400端口接收到了数据。
第7期梁宏璞•电能信息多模式远程通信系统的设计与实现33
图4系统运行流程框图
Fig.4 System running flow chart
2.2无线GPRS通信测试
GPRS模块发送AT指令请求连接，并且在PC端回显出 来，测试网络连接情况，一旦连接成功，便可以传输电能 信息。PC通过发送A T潘令“AT+CIPSTATUS”查看GPRS目前所处状态，测试结果显示连接成功，此时便能够成功接 入GPRS网络。
2.3联合调试
本多模式远程通信系统可以通过两种方式连接到远程 服务器，嵌人式主控模块会根据系统设定判断使用GPRS 还是TCP/IP方式与远程服务器通信。连接成功后，内部网 关将接收到的来自监控节点的数据打包后发送给远程服务 器；当远程服务器有控制命令下发时，内部网关接收并解 析后，再通过无线传感网络的协调器发送给相应的监控节 点，其主控芯片软件工作流程如图4所示。
采集器终端将采集到的电能信息通过无线网络传输给 协调器，协调器此时插在系统板上，打开PC端网络调试助 手，可以看到有电能信息显示。加上远程服务器，进行系 统联合调试。协调器前段通信已经测试成功，协调器通过UART1与STM32进行信息传输，嵌入式主控器通过UART1
中断接收电能信息，并通过SPI总线与以太网控制器建立通
信，通过有线以太网传输电能信息，或者通过UART2以无
线GPRS方式进行传输。
本部分进行系统功能的测试，包括有线以太网通信方
式与无线GPRS通信方式等系统部分测试，并将系统硬件和
软件进行了联合测试。
3结束语
本文通过综合多种计算机网络和电器设备控制的先进
技术，提出一种电能信息多模式远程通信系统模块的设计
与实现方案。本系统实现了对电能信息的实时、精确采集
以及用户对用电设备的及时、准确控制。本系统对于解决
现有电能采集系统无法适应多变、复杂的工作环境具有明
显的优势，这对电能的有效利用和充分管理具有非常重要
的现实意义。
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