DTU模块在无线抄表系统中的开发与应用*
摘 要:由于利用公网实现无线抄表的需要,从而设计并且开发了基于GPRS网络的DTU模块,实现了DTU模块在抄表系统中的应用。介绍了DTU模块终端的技术要求、GPRS模块及组网、DTU的硬件电路设计方案,以及PCB板的抗干扰/可靠性设计、通讯模块软件设计,并探讨DTU模块AT指令交互功能及DTU模块在无线抄表中的开发应用。 关键词:无线抄表;GPRS;DTU 中图分类号:TM764 文献标识码:A 文章编号: 1672-4801(2012)02-002-04 DTU (Data Transfer Unit)全称数据传输单元,是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过GPRS网络进行传送的无线终端设备。 GPRS通信网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线,因此典型的GPRS DTU在设计上都支持永久在线功能,这就要求DTU包含了上电自动拨号、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及其它远程无线数据采集、传输系统、管网监控、金融、证券等行业部门、LED显示屏信息传输等场合都有广泛应用。本文介绍DTU模块在无线抄表系统中的开发与应用。 1 DTU模块的终端技术要求 1) 供电电源 为了便于电能表的安装和接口电平需要,采用5V供电。可以用于绝大多数电能表以及其他工控设备。 2) 接口参数 作为无线数据终端,能支持RS485/TTL/ RS232接口电平,并且波特率能实现1200- 115200bps可调。为了满足无线抄表的需求,能支持奇偶校验。 3) TCP/IP协议 DTU内置TCP/IP协议,可以自动进行TCP/IP的数据转换,方便开发。 4) 支持点对点、一点对多点的数据传送 DTU模块可以实现对目标服务器进行点对点、一点对多点的数据传输。 5) AT指令测试功能 DTU提供超级终端的AT设置命令,可以设置GSM/GPRS的参数和功能。 6) 数据透传功能 DTU模块可以实现数据实时透传,可以代替传统的线缆通讯。 7) 睡眠功能 为了实现低功耗,低流量运行,模块在没有数据传输的时候会自动进入睡眠模式,仅保存握手保活信号。等到有数据传输需求的时候再进行唤醒。 2 GPRS模块方案 SIMCom公司最近推出一款新型无线模块:SIM900。它属于四频GSM/GPRS模块,完全采用SMT封装形式,同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器。性能稳定、外观小巧、性价比出众,能适应多种功能需求。其采用了工业标准接口,工作频率GSM/GPRS 850/900/1800/ 1900 MHz,可以低功耗实现语音、短信、数据和传真信息的传输,另外,SIM900的尺寸大小为24×24×3 mm,能适用于M2M应用中的各类设计需求。在电能表设计中可以达到紧凑型设计的目。 3 组网方案 采用域名解析(DNS)的方法获取上位机IP地址,从而与上位机进行数据通讯,其优点在于:不必拥有固定IP地址,而是通过域名解析服务商提供获取域名。DTU通过域名解析获得上位机
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3 地址,从而与上位机进行数据传输。通过DNS的网络拓扑结构如图1所示。
图1 通过DNS的网络拓扑 4 硬件设计方案 根据SIM900的接口设计以及基本参数,DTU的硬件电路设计框图如图2所示。
SIM900A SIM卡微处理器单元 存储单元编程接口 设备接口 图2 DTU硬件设计框图 供电电源由设备接口提供,设备接口通过RS485/RS232/TTL电平与微处理器单元连接,处理器发送设置命令给SIM900模块,模块返回参数给处理器,从而建立透传通道。 SIM900自带UART串口,可以直接连接单片机或者通过电平转换模块连接PC串口。
1) 电源的设计:SIM900A的供电电源推荐为4.0 V。模块的发射突发会导致电压跌落,并且最大电流瞬时会达到2 A。所以采用开关电源来供应模块的工作。电源设计电路如图3所示。 图3 电源电路 2) 模块与微处理器接口设计:由于单片机采 用了
5 V供电,工作时引脚电平电压为5 V。而SIM900引脚电平为0.15~0 V,所以要采用一个电平转换模块来转换电平。电平转换电路图如图4所示。 图4 电平转换电路
3) SIM卡接口电路:采用八脚抽屉式SIM卡槽。方便用户安装和更换。SIM卡槽电路设计图如图5所示。 图5 SIM卡槽电路 5 PCB板的抗干扰/可靠性设计 该DTU模块的PCB设计采用双面布局,双层布线工艺,考虑到尺寸需求,元件全部采用贴片封装,数字电路部分每个元件的电源、地线之间均使用了0.1μ的去耦电容,以保证数字电路的稳定工作。I /O口以及串行口部分使用了上拉电阻,以确保数字信号的稳定工作。各种电源线均优先布线,并且进行加粗设计。尽量减少过孔数量,地线采用全板双面覆铜,地线之间进行过孔相连,保证了地线布线联通率,同时增加GPRS模块的抗干扰性和稳定性。 6 DTU模块AT指令交互功能 SIM900A内置AT指令,方便工程技术人员使用和调试GPRS模块。模块开机后由单片机发送大写的“AT”来与模块进行波特率的同步,当模块响应后即同步完成,用户此时可以通过AT+IPR=X设置波特率并把参数保存。一旦配置好波特率,当模块再次开机时将会从串口收到字符“RDY”。
1) 高压或者低压自动关机 模块会持续监测VBAT上的电压,如果电压低于3.3 V,模块的串口会自动发送以下字符串: UNDER-VOLTAGE
WARNNING
4 如果电压高于4.7 V,模块的串口会自动发送以下字符串: OVER-VOLTAGE WARNNING 受限的电压范围是3.2~4.8V。如果电压大于4.8 V 或者小于3.2 V,模块就会自动关机。这之后将不再响应AT命令,关机模式仅RTC处于激活状态。 2) 高温或者低温自动关机 模块带有温度监测功能,如果温度大于80℃,模块串口会发送以下字符串: +CMTE:1 如果环境温度小于-30℃,模块会发送以下字符串: +CMTE:-1 模块工作温度范围是从-40~+85℃,如果温度超过这个范围,模块会立即自动关机。 在AT命令可执行前,可以使用“AT+CMTE”来测试模块温度。 3) 建立TCP连接 由单片机发送字符串: AT+CIPSTART=”TCP”,” 27.151.9.151”,8001 //设置IP地址以及端口 OK //模块返回值 CONNECT OK //TCP建立连接成功 AT+CIPSEND >00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F //发送电能表地址 SEND OK //远端收到数据 4) 建立UPD连接 发送字符串: AT+CIPSTART=”UDP”,”27.151.9.151”,8000 //设置模块IP地址以及端口 OK //模块返回值 CONNECT OK //建立连接成功 AT+CIPSEND >00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F SEND OK AT+CIPCLOSE //关闭UDP 5) 建立透传模式 发送字符串: AT+CIPMODE=1 //开启透传模式 OK AT+CIPSTART=”TCP”,” 27.151.9.151”,8001 OK CINNECT //连接成功,进入透传模式 OK //通过DTR或者+++退出透传模式 ATO //通过ATO回到透传模式 CONNECT CLOSED //退出透传模式
查询目录服务器 是否连接? 获取上位机连接信息 向上位机发起连接 连接超时? 数据传输连接保
活 结束连接&保活停止 否 是 是 否 图6 通讯流程图 7 通讯模块软件设计 DTU模块的运行是由GSM模块通过目录服务器的连接进行数据采集的。GPRS
终端在完成
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5 连接后会主动与目录服务器进行网络连接,并且不断查询目录服务器是否有来自上位机的连接请求。如果有请求,则通过来自目录服务器发送的数据包获取通讯机的IP地址和端口号,然后向上位机发起连接。如果成果则自动启动与通信机的保活程序,同时开始准备数据传输。反之超时后进行重连。数据传输结束后,自动断开连接并停止保活程序。 8 DTU模块在无线抄表中的应用 按照设计原理,DTU模块与上位机配合,使得原有的485抄表系统的硬件、软件保持不变。DTU模块的抄表系统结构如图7所示。
图7 GPRS无线抄表系统结构 作为DTU模块,要考虑到系统的可扩展性、易用性,在和电表对接的时候提供RS232/RS485/ TLL等接口形式,使得DTU模块能与电能表终端进行相连。不用再对电能表进行二次开发,方便了设备的接入。DTU的设置选项包括服务器IP、服务器断开、接口速率、设置延迟、与服务器进行握手保活等功能。内置了《DL/T645-2007多功能电能表通信规约》,并通过串口与上位机连接,因此上位机软件也可以不进行修改就可以与
电能表通讯。 远程GPRS数据传输终端,功能是通过无线的方式接收上位机发送的电能表的协议指令,通过原来的485等接口进行透传,将数据传输给对应的电能表,然后电能表返回对应的响应数据给DTU模块,DTU模块通过
GPRS将数据传送给通讯机,通讯机通过软件处理收到的数据,通过RS485/RS232传给数据中心。通讯机与目录服务器相连,目录服务器提供目录服务和数据库服务,使得通讯机与DTU建立连接并且保持在线通讯。在抄表的时候,通讯机通过目录服务器获取DTU终端信息,通过串口接收数据中心的电报指令,然后通过目录服务器向DTU发送连接请求,DTU获得请求后和通信机建立透传,这样通讯机把指令发送给相应的DTU模块,等待DTU数据回传,从而完成一次抄表。 9 结语 DTU模块系统设计合理、工作温度范围大、组网方便,并且可以方便实现网络化管理。同时考虑了电能表设计中的可扩展性和易用性,配置了多种接口,使得DTU模块的设置以及使用非常简单。内置《DL/T645-2007多功能电能表通信规约》,并且可以通过串口与上位机相连进行设置和数据传输,简化了软件设计。尽管DTU模块的优点众多,但是由于现阶段GPRS网络的本身问题,会导致模块响应速度较慢,登陆时间不一致等问题,从而影响到抄表的实时性。但是不大影响抄表系统的正常使用,因此
DTU模块抄表系统可以作为现有抄表方案的补充,或者替代现有的抄表系统