DTU通讯模块在无线智能计量锁中的开发与应用

区健华，梁世昌，叶发新，梁健文

（1.广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000；2.江门市大光明电力设备厂有限公司，广东江门 529000）

0 引言

当前，电力公司设备盗窃案件猖獗，窃电现象屡禁不止，财产损失严重。由于电力公司计量箱长期使用的机械统开锁具存在明显的缺陷，而且多年来对电力计量箱的管理也比较薄弱[1]。计量箱主要依靠一把锁来看护，传统锁具防盗安全系数低、易被破坏。设备的损毁和防窃电工作依靠外勤人员的发现或用电检查人员的巡查，工作量大，收效甚微。针对计量箱锁管理存在的不足，国内外已有部分公司相继开展智能锁的研究，其工作过程是由智能钥匙从系统管理软件中下载授权密钥，检查人员携带已授权的智能钥匙到指定的计量箱进行开启计量锁检查相关的设备设施，其工作繁琐，效率低。

1 总体方案设计

本文基于DTU通讯模块，设计并开发了一种无线智能计量锁的控制电路，针对计量箱的锁具、门的开启状态进行信息化管理及实时监测。智能锁在箱门正常锁闭的状态下，每隔一定的时间自动通过DTU通讯模块，经过GPRS网络向后台服务器发送一个自检状态信号。系统接受到该信号后，将根据信号判定该智能锁是否处于正常状态。当有稽查任务时，系统将对该任务执行人员的智能钥匙进行授权。工作人员必须使用得到授权的智能钥匙才能正确开启任务涉及的智能锁。当存在工作人员使用无授权的钥匙，或智能锁没有得到系统的授权，或智能锁遭到非法开启、计量箱门非法打开，或系统无法得到智能锁发送的安全状态信号等情况，系统将报警，并通知相应管理人员进行跟进处理。

1.1 DTU简介

DTU是无线数传终端（Data Transfer Unit）的简称，可以把传感器/流量计/PLC/单片机等串口（RS232/RS485/TTL）设备采集的数据，通过GPRS通讯网络将数据发送到指定的服务器（数据采集平台/数据监控平台等），服务器接收到数据可以进行进行分析、处理、显示、保存等操作，同时也可以通过DTU发送一些信息给远端的串口设备，去执行指定动作。

DTU的功能就是让用户的串口设备通过DTU来以GPRS无线通讯的方式连接到用户监控电脑或服务器上，实现远程串口的改造。

GPRS无线通信网络的优点就是支持GPRS终端设备永久在线，因此典型的GPRSDTU在设计上都支持永久在线功能[2]，这就要求DTU包含上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线（当长时间没有数据通信时，移动网关将断开DTU与中心的连接，心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包，以保持连接不被断开）、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。在交通、环境（保）监控、气象监测、水、电、煤气远程监控或无线自动抄表、输油/气管道、油/气井/台监控、无线POS及其他远程无线数据采集、传输系统、管网监控、金融、证券等行业部门，以及LED显示屏信息传输等场合都有广泛应用[3]。

1.2 GPRS DTU模块方案

USR-GPRS232-7S2是一款串口转GPRS无线模块，它采用MTK工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈，提供标准TTL数据接口，工作频率GSM/GPRS850/900/1 800/1 900 MHz，四频模块全球通用，可以方便地连接设备，实现数据的全透明传输。该模块支持远程短信设置模块参数（短信设置参数支持密码验证，防止非法用户设置参数及垃圾短信干扰），支持远程服务器端设置参数（网络AT指令设置参数，可以开启/关闭此功能）；支持多种工作模式，方便用户灵活使用（数据透传模式/AT指令模式/有人串口命令模式/HTTPD CLIENT“GET”模式/短信透传模式等）。该模块在智能锁中可以达到实时监控、远程管理等目的。

1.3 组网方案

在服务器端和DTU模块之间建立TCP连接。TCP（Transmission Control Protocol传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接，如图1所示。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的SYN执行ACK确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，保证通讯的安全可靠。

图1 TCP三次握手协议

服务器接入互联网，并配置静态公网IP，首先以TCPServer身份开始侦听指定端口。DTU模块（客户端）以TCPClient身份向该IP端口发起连接请求，经过三次握手协议后建立TCP连接。当DTU模块与服务器成功连接后，将定时向服务器发送智能锁自检状态信号。服务器根据接受到的信号可判断智能锁是否处于正常工作状态。当智能锁需要开启时，由服务器端通过该TCP连接，向DTU模块发送开锁信号。DTU模块接受到开锁信号后，通过智能锁控制电路，开启智能锁。系统网络结构图如图2所示。

1.4 硬件设计方案

控制电路组成如图3所示。

单片机：智能锁控制模块的主控芯片。

图2 系统网络结构图

GPRSDTU模块：该模块为GPRS通讯模块，主要用于接收与发送信号至后台服务器。

图3 控制电路组成

接近开关1：该开关安装在计量箱门上，主要用于监控箱门开启与关闭状态。

接近开关2：该开关安装在智能锁锁体上，主要用于智能锁的开启与关闭状态。

电磁铁：电磁铁主要用于控制智能锁的开启与闭合。当主控芯片接收到后台服务器的开启信号后，使电磁铁通电5秒钟后断开，从而使智能锁开启。

电源：控制模块的供电部分包含三个子模块：（1）供电模块，主要将220 V交流电或100 V交流电转换成控制模块可使用的电源；（2）电池模块，主要用于当外接交流电停电时，用于保持控制模块的电路供电；（3）外接电源，主要用于当外接交流电停电，内部电池电量耗尽时，通过充电接口，外接移动电源进行临时供电。

2 DTU模块电路设计

如图4所示，模块11、12、13、14、16五个引脚为供电。其中，11、12引脚接地，用于信号地/供电源地/负极；13、14脚为5～18 V供电时的源正极。本设计采用15 V电源，13、14两脚用于向模块提供电源；16脚VCAP，供电时此脚需接一个旁路电容以稳定模块工作电压。

3 内嵌程序设计

3.1 工作流程设计

（1）开锁流程

由后台服务器根据开锁任务授权情况，判断智能锁是否正确。如正确则直接向该智能锁DTU模块发送加密的开锁信息。智能锁接收到开锁信息后，按照特定算法进行解密。如解密信息正确，则打开智能锁。外勤工作人员则可开启计量箱门进行外勤作业。完成外勤作业后关闭箱门，闭合智能锁，则完成整个开锁流程。开锁流程如图5所示。

图4 DTU模块电路设计

图5 开锁流程图

（2）监控流程

无线智能计量锁每隔一定时间，自动对电源、智能锁、箱柜门状态进行自检，并通过DTU模块将自检信息加密后发送至后台服务器。后台服务器接受到信息后，对信息进行解密。如发现异常状态信息，则立即通知管理员进行处理。后台管理系统可实时显示所有智能锁的状态。监控流程如图6所示。

3.2 主要程序设计

（1）自检信息发送的程序设计

自检信息发送的设计，首先取得各部件的自检状态，包括锁具的唯一ID编号、锁具开启状态、箱门开启状态等。然后再将各部件的自检状态统一编码后通过DTU的串口透传功能发送至后台服务器中。

图6 监控流程图

4 结束语

本文设计了基于DTU通讯模块的无线智能计量锁控制电路，DTU模块专门负责通信功能。这样处理的最大好处是提高了智能锁内部单片机的数据处理能力和工作效率。在实际应用上，该控制电路能有效对计量箱的锁具、门的开启状态等进行信息化管理及实时监测。有效防止和杜绝偷漏电现象的发生，提高用电检查的效率，降低用电检查工作人员的劳动量，提高设备运行的安全性、经济性。

［1］姚亮.电力企业计量箱智能报警系统［J］.电力系统通信，2011（08）：55-57.

［2］刘月新.世纪星：轻松串联Internet巧妙实现无线传输［J］.自动化技术与应用，2010（08）：135-137.

［3］赵忠彪.DTU与DSC之间通信协议研究［J］.许昌学院学报，2014（02）：82-85.