DTU通訊模塊在無線智能計(jì)量鎖中的開發(fā)與應(yīng)用

區(qū)健華，梁世昌，葉發(fā)新，梁健文

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000；2.江門市大光明電力設(shè)備廠有限公司，廣東江門 529000）

0 引言

當(dāng)前，電力公司設(shè)備盜竊案件猖獗，竊電現(xiàn)象屢禁不止，財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。由于電力公司計(jì)量箱長期使用的機(jī)械統(tǒng)開鎖具存在明顯的缺陷，而且多年來對電力計(jì)量箱的管理也比較薄弱[1]。計(jì)量箱主要依靠一把鎖來看護(hù)，傳統(tǒng)鎖具防盜安全系數(shù)低、易被破壞。設(shè)備的損毀和防竊電工作依靠外勤人員的發(fā)現(xiàn)或用電檢查人員的巡查，工作量大，收效甚微。針對計(jì)量箱鎖管理存在的不足，國內(nèi)外已有部分公司相繼開展智能鎖的研究，其工作過程是由智能鑰匙從系統(tǒng)管理軟件中下載授權(quán)密鑰，檢查人員攜帶已授權(quán)的智能鑰匙到指定的計(jì)量箱進(jìn)行開啟計(jì)量鎖檢查相關(guān)的設(shè)備設(shè)施，其工作繁瑣，效率低。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文基于DTU通訊模塊，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種無線智能計(jì)量鎖的控制電路，針對計(jì)量箱的鎖具、門的開啟狀態(tài)進(jìn)行信息化管理及實(shí)時(shí)監(jiān)測。智能鎖在箱門正常鎖閉的狀態(tài)下，每隔一定的時(shí)間自動(dòng)通過DTU通訊模塊，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送一個(gè)自檢狀態(tài)信號(hào)。系統(tǒng)接受到該信號(hào)后，將根據(jù)信號(hào)判定該智能鎖是否處于正常狀態(tài)。當(dāng)有稽查任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)將對該任務(wù)執(zhí)行人員的智能鑰匙進(jìn)行授權(quán)。工作人員必須使用得到授權(quán)的智能鑰匙才能正確開啟任務(wù)涉及的智能鎖。當(dāng)存在工作人員使用無授權(quán)的鑰匙，或智能鎖沒有得到系統(tǒng)的授權(quán)，或智能鎖遭到非法開啟、計(jì)量箱門非法打開，或系統(tǒng)無法得到智能鎖發(fā)送的安全狀態(tài)信號(hào)等情況，系統(tǒng)將報(bào)警，并通知相應(yīng)管理人員進(jìn)行跟進(jìn)處理。

1.1 DTU簡介

DTU是無線數(shù)傳終端（Data Transfer Unit）的簡稱，可以把傳感器/流量計(jì)/PLC/單片機(jī)等串口（RS232/RS485/TTL）設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的服務(wù)器（數(shù)據(jù)采集平臺(tái)/數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)等），服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)可以進(jìn)行進(jìn)行分析、處理、顯示、保存等操作，同時(shí)也可以通過DTU發(fā)送一些信息給遠(yuǎn)端的串口設(shè)備，去執(zhí)行指定動(dòng)作。

DTU的功能就是讓用戶的串口設(shè)備通過DTU來以GPRS無線通訊的方式連接到用戶監(jiān)控電腦或服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程串口的改造。

GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)就是支持GPRS終端設(shè)備永久在線，因此典型的GPRSDTU在設(shè)計(jì)上都支持永久在線功能[2]，這就要求DTU包含上電自動(dòng)撥號(hào)、采用心跳包保持永久在線（當(dāng)長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)通信時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)關(guān)將斷開DTU與中心的連接，心跳包就是DTU與數(shù)據(jù)中心在連接被斷開之前發(fā)送一個(gè)小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開）、支持?jǐn)嗑€自動(dòng)重連、自動(dòng)重?fù)芴?hào)等特點(diǎn)。在交通、環(huán)境（保）監(jiān)控、氣象監(jiān)測、水、電、煤氣遠(yuǎn)程監(jiān)控或無線自動(dòng)抄表、輸油/氣管道、油/氣井/臺(tái)監(jiān)控、無線POS及其他遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)、管網(wǎng)監(jiān)控、金融、證券等行業(yè)部門，以及LED顯示屏信息傳輸?shù)葓龊隙加袕V泛應(yīng)用[3]。

1.2 GPRS DTU模塊方案

USR-GPRS232-7S2是一款串口轉(zhuǎn)GPRS無線模塊，它采用MTK工業(yè)級嵌入式處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，提供標(biāo)準(zhǔn)TTL數(shù)據(jù)接口，工作頻率GSM/GPRS850/900/1 800/1 900 MHz，四頻模塊全球通用，可以方便地連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。該模塊支持遠(yuǎn)程短信設(shè)置模塊參數(shù)（短信設(shè)置參數(shù)支持密碼驗(yàn)證，防止非法用戶設(shè)置參數(shù)及垃圾短信干擾），支持遠(yuǎn)程服務(wù)器端設(shè)置參數(shù)（網(wǎng)絡(luò)AT指令設(shè)置參數(shù)，可以開啟/關(guān)閉此功能）；支持多種工作模式，方便用戶靈活使用（數(shù)據(jù)透傳模式/AT指令模式/有人串口命令模式/HTTPD CLIENT“GET”模式/短信透傳模式等）。該模塊在智能鎖中可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理等目的。

1.3 組網(wǎng)方案

在服務(wù)器端和DTU模塊之間建立TCP連接。TCP（Transmission Control Protocol傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793定義。在簡化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能。TCP是因特網(wǎng)中的傳輸層協(xié)議，使用三次握手協(xié)議建立連接，如圖1所示。當(dāng)主動(dòng)方發(fā)出SYN連接請求后，等待對方回答SYN+ACK，并最終對對方的SYN執(zhí)行ACK確認(rèn)。這種建立連接的方法可以防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的連接，保證通訊的安全可靠。

圖1 TCP三次握手協(xié)議

服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，并配置靜態(tài)公網(wǎng)IP，首先以TCPServer身份開始偵聽指定端口。DTU模塊（客戶端）以TCPClient身份向該IP端口發(fā)起連接請求，經(jīng)過三次握手協(xié)議后建立TCP連接。當(dāng)DTU模塊與服務(wù)器成功連接后，將定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送智能鎖自檢狀態(tài)信號(hào)。服務(wù)器根據(jù)接受到的信號(hào)可判斷智能鎖是否處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)智能鎖需要開啟時(shí)，由服務(wù)器端通過該TCP連接，向DTU模塊發(fā)送開鎖信號(hào)。DTU模塊接受到開鎖信號(hào)后，通過智能鎖控制電路，開啟智能鎖。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.4 硬件設(shè)計(jì)方案

控制電路組成如圖3所示。

單片機(jī)：智能鎖控制模塊的主控芯片。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

GPRSDTU模塊：該模塊為GPRS通訊模塊，主要用于接收與發(fā)送信號(hào)至后臺(tái)服務(wù)器。

圖3 控制電路組成

接近開關(guān)1：該開關(guān)安裝在計(jì)量箱門上，主要用于監(jiān)控箱門開啟與關(guān)閉狀態(tài)。

接近開關(guān)2：該開關(guān)安裝在智能鎖鎖體上，主要用于智能鎖的開啟與關(guān)閉狀態(tài)。

電磁鐵：電磁鐵主要用于控制智能鎖的開啟與閉合。當(dāng)主控芯片接收到后臺(tái)服務(wù)器的開啟信號(hào)后，使電磁鐵通電5秒鐘后斷開，從而使智能鎖開啟。

電源：控制模塊的供電部分包含三個(gè)子模塊：（1）供電模塊，主要將220 V交流電或100 V交流電轉(zhuǎn)換成控制模塊可使用的電源；（2）電池模塊，主要用于當(dāng)外接交流電停電時(shí)，用于保持控制模塊的電路供電；（3）外接電源，主要用于當(dāng)外接交流電停電，內(nèi)部電池電量耗盡時(shí)，通過充電接口，外接移動(dòng)電源進(jìn)行臨時(shí)供電。

2 DTU模塊電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，模塊11、12、13、14、16五個(gè)引腳為供電。其中，11、12引腳接地，用于信號(hào)地/供電源地/負(fù)極；13、14腳為5～18 V供電時(shí)的源正極。本設(shè)計(jì)采用15 V電源，13、14兩腳用于向模塊提供電源；16腳VCAP，供電時(shí)此腳需接一個(gè)旁路電容以穩(wěn)定模塊工作電壓。

3 內(nèi)嵌程序設(shè)計(jì)

3.1 工作流程設(shè)計(jì)

（1）開鎖流程

由后臺(tái)服務(wù)器根據(jù)開鎖任務(wù)授權(quán)情況，判斷智能鎖是否正確。如正確則直接向該智能鎖DTU模塊發(fā)送加密的開鎖信息。智能鎖接收到開鎖信息后，按照特定算法進(jìn)行解密。如解密信息正確，則打開智能鎖。外勤工作人員則可開啟計(jì)量箱門進(jìn)行外勤作業(yè)。完成外勤作業(yè)后關(guān)閉箱門，閉合智能鎖，則完成整個(gè)開鎖流程。開鎖流程如圖5所示。

圖4 DTU模塊電路設(shè)計(jì)

圖5 開鎖流程圖

（2）監(jiān)控流程

無線智能計(jì)量鎖每隔一定時(shí)間，自動(dòng)對電源、智能鎖、箱柜門狀態(tài)進(jìn)行自檢，并通過DTU模塊將自檢信息加密后發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器接受到信息后，對信息進(jìn)行解密。如發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)信息，則立即通知管理員進(jìn)行處理。后臺(tái)管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示所有智能鎖的狀態(tài)。監(jiān)控流程如圖6所示。

3.2 主要程序設(shè)計(jì)

（1）自檢信息發(fā)送的程序設(shè)計(jì)

自檢信息發(fā)送的設(shè)計(jì)，首先取得各部件的自檢狀態(tài)，包括鎖具的唯一ID編號(hào)、鎖具開啟狀態(tài)、箱門開啟狀態(tài)等。然后再將各部件的自檢狀態(tài)統(tǒng)一編碼后通過DTU的串口透傳功能發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器中。

圖6 監(jiān)控流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于DTU通訊模塊的無線智能計(jì)量鎖控制電路，DTU模塊專門負(fù)責(zé)通信功能。這樣處理的最大好處是提高了智能鎖內(nèi)部單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和工作效率。在實(shí)際應(yīng)用上，該控制電路能有效對計(jì)量箱的鎖具、門的開啟狀態(tài)等進(jìn)行信息化管理及實(shí)時(shí)監(jiān)測。有效防止和杜絕偷漏電現(xiàn)象的發(fā)生，提高用電檢查的效率，降低用電檢查工作人員的勞動(dòng)量，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

［1］姚亮.電力企業(yè)計(jì)量箱智能報(bào)警系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)通信，2011（08）：55-57.

［2］劉月新.世紀(jì)星：輕松串聯(lián)Internet巧妙實(shí)現(xiàn)無線傳輸［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010（08）：135-137.

［3］趙忠彪.DTU與DSC之間通信協(xié)議研究［J］.許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（02）：82-85.