北斗短报文通信在抄表系统中的应用

公茂法，王中刚，肖弘扬，李美蓉，殷凡姣

（山东科技大学 电气与自动化工程学院，青岛266590）

智能电表作为高级量测体系 AMI（advanced metering infrastructure）的关键技术，对智能电网（smart grid）的发展有着重要意义，智能电表的发展在不断地改变着居民的生活和用电方式[1]。目前的远程抄表方式主要有RS485通信、电力载波通信和GPRS通信，但是在山地等偏远地区，面临传输距离远、GPRS信号无法覆盖的问题，现有抄表方式无法满足远程抄表的要求，这就需要采用人工抄表的方式，增加了人工成本[2]。为了解决这一问题，设计了一款利用北斗短报文通信的智能电表，不仅满足了多功能电表的基本要求，并且具有传输距离远，不受地域限制的优点。

1 系统整体设计

1.1 北斗短报文通信原理

“北斗卫星导航系统”是我国自主研发的卫星系统，拥有完全的自主知识产权，能够提供定位导航、授时和短报文通信3大功能。在智能电表抄表系统中，分为智能电表终端、北斗卫星和中心主站3部分。通信方案为智能电表采集电能等电量数据，并将电量数据转换成北斗短报文数据，利用北斗短报文板卡RD120-2W通过北斗卫星链路发送到中心主站；中心主站的北斗用户终端接收数据并传送到数据中心，数据中心将北斗短报文数据转换成电量数据，并进行统一管理[3-4]。通信原理如图1所示。

图1 通信原理图Fig.1 Principle diagram of communication

1.2 智能电表总体设计

智能电表结构图如图2所示。系统采用MSP430F149单片机为控制单元；三相电能计量芯片选用低功耗计量芯片MAXQ3180；以北斗通信板卡RD120-2W为核心的通信方式，由MSP430通过RS232控制；另外还有电源电路、存储单元、时钟芯片、键盘、液晶显示器等外设，构成一个能独立完成各项功能和显示的智能电表[5]。

图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram

2 智能电表的硬件设计

2.1 控制单元与电能计量芯片简介

智能电表的控制单元选用了MSP430F149单片机。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）开发的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（mixed signal processor）。MSP430系列单片机在电表的设计中具有应用广泛和资料丰富的优点，MSP430F149单片机丰富的片上外围模块及其低功耗的特点非常适合智能电表的设计。

电能计量芯片选择专用的电气测量芯片MAXQ3180。MAXQ3180内部集成8通道ADC，并利用DSP（数字信号处理器）对ADC采样进行处理，采集并计算多相负载的电压、电流、有功、无功、功率因数和谐波等多种计量参数。为了快速读取采集的电量参数，MAXQ3180设计了SPI总线。MSP430F149通过SPI总线监测及配置MAXQ3180工作状态，也可以通过SPI总线读取预存在特殊寄存器的数据。SPI接口设计电路如图2所示。

2.2 电源电路设计

电源电路图如图3所示。

图3 电源电路图Fig.3 Diagram of power supply circuit

系统采用了变压器加开关稳压器的电源电路。电网正常供电条件下，任意一相电压经过变压器，桥式整流电路，滤波电路将220 V的交流电压变为12 V的直流电压。其中滤波电路由100 μF/16 V的电解电容和0.1 μF的小电容构成。由于北斗通信板卡RD120-2W在发射时电流会达到1.8 A，选择最大输出电流为3 A的开关型降压稳压器LM2576-5 V，得到+5 V的输出电压供RD120-2W板卡使用。与线性稳压器相比较，开关稳压器LM2576以完全导通或关断的方式工作，具有功耗低，散热少，平均工作效率可达70%～90%的优点。但是开关稳压器会产生谐波，噪声的引入会降低电能计量芯片测量的精度。为了消除噪声的影响，在设计电路时，要对给计量芯片MAXQ3180供电的模拟电源和地线进行相应的滤波。经LM1117稳压输出的+3.3 V电压供计量芯片MAXQ3180和单片机MSP430及周围电路使用[6-7]。

2.3 RD120-2W电路设计

RD120-2W型板卡为北京东方联星科技有限公司推出的一款支持北斗RDSS的结构模块，模块内部集成了 LNA、PA、变频单元（RFIC）、基带处理单元（BBIC）、RS232串口和蓝牙模块，可完整实现RDSS定位、北斗短报文功能。此板卡具有集成度高、功耗低、可靠性高的优点，可以快速地应用于各类北斗RDSS终端，缩短开发时间。

北斗短报文一次通信最大容量为120个汉字；板卡提供RS232串行输入输出接口，需要电平转换才能与MSP430串口相连，默认波特率为115200b/s；板卡内置LNA，接收信号频率为S波段，实现对天线接收到的信号进行低噪声放大，采用北斗无源收发天线即可；板卡提供了SIM卡接口，需要外接SIM卡卡座[8]。硬件电路如图4所示。

图4 RD120-2W硬件电路图Fig.4 Hardware circuit diagram of RD120-2W

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

软件与硬件相配合，主要完成电能、功率、电压、电流、功率因数的测量与显示；通过按键可以读取和显示当前和历史电量数据；通过北斗通信板卡RD120-2W实现远程抄表。软件设计采用模块化的设计方案，主要包括：主程序、北斗通信子程序、电量计量子程序、数据存储子程序、按键子程序和液晶显示子程序的设计。除了中断服务程序，其它子程序都是通过主程序调用的。主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Flow chart of main program

3.2 北斗短报文通讯模块设计

智能电表要将测得的电量数据通过北斗卫星发送到中心主站的北斗用户终端前，必须先将电量数据转换成北斗短信格式。北斗终端发送数据指令格式为：$TTCA，发信方ID，收信方地址，保密要求，回执标志，电文长度，电文内容，校验和。电文内容中的数字与字符用ASCII码表示，汉字用GB2312码表示，为保证信息的正确发送，电文内容的长度不超过100个字节[9]。

系统上电时，首先要检测IC卡是否已安装，板卡RD120-2W首次捕获时间为2s，选择延时5 s发送一条确认短信；由于民用北斗卫星SIM卡最快发送频率为30 s，在信息发送失败时，延时2 min重新发送，再次失败后将数据存入存储器；由于发射功率达到2 W，为了降低功耗，采用每24 h主动发送和有申请时被动发送的模式。北斗通信程序流程图如图6所示。

图6 北斗通信流程图Fig.6 Flow chart of Beidou communication

4 结语

本文论述了基于北斗短报文通讯的智能电表的硬件和软件设计，通过《东方联星北斗通信板卡测试软件-民用协议V1.24版》测试，实现了电量数据的发送与接受。通过利用北斗短报文通讯的功能，设计的智能电表能够稳定、安全可靠地传输信息，具有不受距离、地域限制的优点，特别适合偏远等普通信号无法覆盖地区的远程抄表。

[1]静恩波.智能电网AMI中的智能电表系统设计[J].电测与仪表，2010，47（7A）：36-39.

[2]金金，张文飞，周婷.基于北斗卫星系统集抄数据传输技术的应用[J].青海电力，2013，32（4）：65-66.

[3]王磊，宋蕾.利用北斗短信功能实现海上测量信息的回传[J].海洋测绘，2011，31（3）：25-27.

[4]胡彦华，章新川，马孝魁，等.北斗卫星在陕南雨量监测系统中的应用[J].西北水力发电，2004，20（1）：66-69.

[5]洛宁.基于北斗和GSM的通信系统的研究与设计[D].兰州：兰州大学，2014.

[6]张晓明，公茂法，吕晨，等.基于C8051F360+TC35i+ATT7022B的变压器综合监控报警系统设计[J].电力自动化设备，2011，31（9）：139-143.

[7] 王晶.基于MAXQ3180多功能电表的设计及其GPRS抄表方式的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[8] 北京东方联星科技有限公司.RD120-2W北斗RDSS短报文通信板卡产品说明[Z]，2012.

[9]黄颖，唐小明，黄水生，等.林业野外巡护采集信息北斗短报文编码设计及应用[J].中南林业科技大学学报，2014，34（8）：106-110.