小区电能表远程抄表系统的设计与实现

I 摘 要 小区电能表远程抄表系统是将现代的计算机电子技术 和通讯技术相结合，按照用户用电计费、管理部门检查、管理、 收费的工作流程设计完成的，可实现对小区用户电能计量表的远方自动抄录及综合管理 ,并对所采集的数据进行全面、准确、可靠、一致的管理和分析。本文实现的基于 络的电能表的远程抄表系统可以使本系统在小区、公寓的智能化管 理中发挥更大的作用，实现工作过程的计算机化，提高工作效率和工作质量。 为了实现电能表数据的自动抄报，运用系统化，模块 化设计思想，应用先进的计算机技术、无线通信技术、网络技术 、串口通讯技术与户用仪表计量技术，采用分层、分布、分散式结构，设计了电能表远程抄表系统。 论文综述了抄表技术、无线通信技术的发展与现状， 详细分析了抄表系统的工作原理。在此基础上，对系统的硬件结 构、软件功能进行了设计与实现。系统硬件主要由用户子系统、无线网络子系统 和管理子系统三部分组成。用户子系统主要由数据采集与显示单元，数据集中器，通信控制单元和 发器组成，实现电能数据自动采集与显示、多用户数据 集中、控制指令接收和电能数据发送等功能；无线网络子系统采用现有的 线网络，采用 络的短消息业务，将电能数据和控制指令以短消息的形式实现无线远程传输；管理子系统由 发器和计算机组成，完成对系统的协调管 理与电能表数据的处理。软件系统包括实现无线模块与 之间串行通信的动态链接库以及基于 问的电能数据库和在 境下创建的应用软件系统界面三部分。 电能表远程抄表管理系统是本文研究的重点，分为三 大模块。首先通过硬件握手协议实现对串口通信数据包的发送与 接收；在本地管理模块中实现对小区电能表用户的注册和存储，用户资料的修改 ，删除和查询，电能表及所属台区的查询；在数据上传模块中通过 后分别针对这三个模块给出系统的总体结构图，数据库关系图等。 经实际应用证明，该系统具有建设成本低、适应面广 、操作方便等特点，具有较好推广应用价值。 关键词： 远程抄控， 口通讯，硬件握手，数据包 is to to to It be to to an SM in in it to to In to we a of it is on s of of On is of SM SM SM on is of to to In to of of In CP to of in of is of 录 第一章 绪论 .发的意义与效益分析 .内发展状况 .究方法与主要内容 .章小结 .二章 字移动通信及 消息业务介绍 .字移动通信系统 . 什么是 字移动通信 . 数字移动通信的发展历程 . 数字移动通信的发展现状 . 统的组成 .消息业务 . 消息介绍 . 消息的传输流程 .章小结 .三章 电能表远程抄表系统硬件设计 .程抄表系统的分类 .络远程抄表系统结构 .络远程抄表系统的原理 .功能模块介绍 .能数据的传输 .章小结 .V 第四章 电能表远程抄表系统需求分析与开发工具 .统的需求分析 . 系统功能性需求分析 . 系统非功能性需求分析 .统建模 .统开发工具技术介绍 . 串口编程的基本观念 . 串口调试助手 . 件介绍 . 络编程技术简介 . 数据库连接 . 数据库 .章小结 .五章 电能表远程抄表系统的设计与实现 .统实现的软硬件环境 .统设计 . 数据库的设计 . 数据包的设计 . 串口实现的基本流程 . 件 接时序 .统实现 .章小结 .六章 系统测试 .试介绍 .件测试 .件测试 .章小结 .七章 总结与展望 .结 .来的工作 .谢 .考文献 .1 第一章 绪论 发的意义与效益分析 在过去，供电企业电能数据的传统抄表方式是每月安 排抄表业务人员到各个小区挨家挨户的进行手动抄表，并以此数 据作为收缴电费的依据。随着电力行业的蓬勃发展及 “每户一表 ”政策的不断推行， 传统的手工抄表方式暴露出越来越多的质量问题和效率问题。问题除了表现在抄 表环节方面，其更大的问题在于无法对计费、线损控制、用电分析、营销预测、 乃至宏观决策等方面提供更为及时准确的数据。虽然造成这些问题的根源在于抄 表业务量的急剧增长，但仍不可忽视手工抄表方式中估抄、漏抄、错抄这些固有 的因素的存在。如果仍然继续按照传统手工抄表方式进行抄表，仅仅单纯的依靠大量 增加抄表人员的数量不仅不能从根本上解决这些问题，还将会导致整个营销业务成本的 上涨、效益的下滑，以及管理的复杂度增大。只有更新抄表技术，摈弃传统方式， 采用现代化的抄表技术和抄表手段，实现远程集中自动抄表才是唯 一出路和解决以上问题的根本途径1 远程抄表技术为 “每户一表 ”政策的实施提供了有力的技术支持， 这种新型的抄表方式能够使供电企业及时获知用户电能 表数据、电能表的异常故障，及时为用户排扰解难，并将节约大量的人力、物力 。那些原有的手工抄表人员可以集中更多的精力和时间为用户提供更为优质的服 务，以提升整个电力行业的业务水准和社会形象。 在效益方面，该远程抄表系统还可以控制电费电价， 尤其是在广大农村，可以避免许多人为和自然因素的影响，彻底 根治抄表不到位的现象，同时避免了抄表员跑错户、读错数、记错数、录入员输 错数的这些问题。有的地方因为抄表业务量过大，不得不实行单双月抄表，抄表 周期为二个月或一个季度，此种做法不能够做到及时回收电费。人工抄表方式难 免漏抄、估抄，而远程自动抄表系统能够自动搜索到每个用户的电表，直观的将 已经抄表的、尚未抄表的、暂停使用的等各种电表情况一一反馈出来，做到了直 观、准确、客观、及时。远程抄表系统使抄表工作变得轻松快速，抄表周期保持在一个月也非常容易做到。 相信随着电力行业的发展，技术标准的规范、管理水 平的提高，信息系统的推广应用，电能表远程抄表系统将会更为广泛地应用到千家万户中去。 2 内发展状况 国内传统抄表方式除了前面介绍的人工手动抄表外，还存在 线方式、利用红外抄表器方式和借助低压电力线载波方式等几种。下面简单对比一下几种抄表方式的不同。 线抄表方式有以下优点： 技术简单； 易于实现； 传输速率高。 但其缺点也是相当明显，由于是有线方式，无法避免较大的施工布线工作量，且线路容易被人为破坏，造成一定的损失。 以红外抄表器为代表的无线系统因需专人到现场抄表抄收数据，和人工手动抄表具有相同的不足之处，降低了系统整体的自动化程度。 低压电力线载波方式可以充分利用现有的电力线资源、减少了重复布线的费用浪费、且施工简单方便，易于实现；但其也存在许多不足，如应用范围较小，且抗干扰能力较差4 现在，基于 网平台的远程自动抄表系统已成为了抄表行业的主流。它不仅无需对 线网络进行重复建设，节省了资金投入；遍布各地的网络基站也消除了距离和空间的限制，实现了无缝连接；优良的网络信号保障提高了系统的稳定性，从根本上解决了上述抄表方法的不足和缺陷。 在国家相关政策的推动下，民用计量表智 能化已是大势所趋，相信随着该行业的不断发展壮大，计算机网络技术应用的不断成熟， 模块设备的不断升级，抄表系统将会迎来更为广阔的发展前景。 究方法与主要内容 本文中电能表远程抄表系统的研究主要分成两 大部分，采用了硬件和软件相结合的方法。文章研究了该系统的系统结构、工作原理、以及各部分的功能作用，为系统软硬件的设计奠定理论基础。利用 现有仪器设备测试硬件的性能，并通过软件编程实现抄表系统的管理应用，最后通过系统调试实现系统预定的功能。 本文中信息控制系统以 用 所要完成的功能是：采集各小区及特定用 户的电能表数据，即获取电能表相应时 3 段的用电量，该功能是通过串口通讯技术 ，利用硬件握手协议完成对数据包的发送与接收的；本地用户信息的管理，主要 是对小区电能表用户的注册和存贮，用户资料的修改、添加、删除和查询，电能 表及所属台区的查询等功能；对采集到的电能表数据进行上传，通过 将本地相应数据表中的信息以数据包的形式发送给服务器。 本论文研究的内容主要包括六大部分。第一部分为绪 论，介绍了本系统研究的意义、剖析了现阶段国内抄表系统的发展状况和本系统的研究方法及论文框架。 第二章内容为 字移动通信和 消息业务。由于本文研究的系统是基于 络的，因此对该部分知识做了简单介绍。前半部分章节中对 状以及结构组成进行了介绍。后半部分对短消息业务及 消息的传输流程进行相关介绍。 第三章内容介绍了电能表远程抄表系统的硬件设计部 分，涉及远程抄表系统的分类、结构等方面的 内容。特别介绍了基于 第四章内容为系统软件部分的需求分析、建模和开发工具部分。按照功能性及非功能性对需求分析进行了说明，并绘制了建模图以说明系统模型结构。后半部分是系统开发工具及技术介绍，主要有串口通信技术介绍、 件、 据库连接技术、 据库等内容 第五章是电能表远程抄表系统的详细设计与实现部分 ，是本文的重点。对系统数据库、数据库链接，数据表的创建及 数据包的组织进行设计，并用大量的图表实现了抄表系统软件部分的各项功能。 在软件的生命周期中所占比重最大的是系统的测试与 维护，因此在第六章对本系统软件部分进行了测试。 最后一章是对本文的总结以及对于以后工作的展望。 章小结 本章首先从开发的意义和效益上对传统手工抄表方式和新型远程自动抄表方式进行了简要说明，分析了传统手工抄 表存在的诸多问题和客观存在的弊端，利用新型远程抄表系统中的技术优势，解 决好传统手工抄表的问题。从长远效益考虑，远程抄表系统技术的研究和系统的开发具有非常大的必要性。 通过简要回顾国内抄表系统的发展状 况分析对比国内几种抄表的优缺点之 4 后，提出基于 解决传统抄表方式的缺点不足，利用 ，必然将会取代传统的几种抄表方式。 第三部分从本系统的研究方法、编程工具、数据库接 入技术方面对本论文的各章节结构进行简要介绍。 5 第二章 字移动通信及 消息业务介绍 字移动通信系统 么是 字移动通信 名为 文名为全球移动通讯系统，俗称 “全球通 ”，是第二代移动通信技术。在 20 世纪八十年代，欧洲一些主要的电信运营商与电信生产厂家联合起来成立了一个标准化委员会并提出了这一概念。该系统是基于时分复用（ 术实现的数字蜂窝系统。 如今 动通信系统已经遍及全世界。虽然 3G 时代已经来临，但是目前我国仍有约 8 亿的移动通信用户仍旧使用 络系统。 基于 络的远程抄表系统中，无线 络是该系统中间环节，也是一个非常重要组成部分，它完成电能表数据以及控制指令的无线传输功能。 字移动通信的发展历程 数字移动通信经过了一个多世纪的发展，总共经历了以下六个发展阶段： 第一阶段：从上世纪 20 年代至 40 年代早期，短波无线通信。 第二阶段：从 40 年代中期至 60 年代初期，移动无线通信开始问世。 第三阶段：从 60 年代中期至 70 年代中期，大区制移动电话。 第四阶段：从 70 年代中期至 80 年代中期，移动电话系统（ 美国贝尔实验室研制成功，建成了蜂窝状移动通信网。 第五阶段：从 80 年代中期开始，欧洲推出 系，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。 第六阶段：自本世纪初，世界各国进入第三代移动通信时代，即我们常说的3G 时代6。 字移动通信的发展现状 近些年来， 动通信网发展势头强劲，特别是在中国，根据工信部公布的最新移动用户数据显示，我国移动电话的用户总数已超过 8 亿，且中国的 移动用户仍以每年超过 7000 万用户的速度高速增长。随着中国移动、联通、电信等多家运行商的不断竞争以及通信技术的发展， 动用户数量必然会以更加迅猛的态势持续增加。尽管这几年，我国移动电话的使用发展迅猛，但我国 随着技术的进步，目前数字移动通信已经进入到了语音、数据、多媒体信息通信为一体的第三代（ 3G）网络时代。虽然 3欧美等发达国家的 3场对 3 但 3至都没有达到原来预期的发展程度7 从中国市场来看，由于中国大规模的 3010年上半年才开始，截止至 2010年底前，整个网络构架才初步覆盖到全国主要的一些市场区域，对于很多中小城市地区都没有覆盖到。而在 3案准备与业务推广阶段，活跃的用户量还很少。截至 2011年 1月底，中国移动用户总数超过 网 见在目前的中国市场，仍然绝大多数用户为 发展 34前世界各国都在研发 44谱更宽、性能更高、应用服务更广、费用更低的美好时代46 小区电能表远程抄表系统是在 下来便是对 统的组成 字通信系统主要偶以下几大部分组成： 络子系统与 作维护子系统、 站子系统 和 动站台。如下图所示： 7 图 2信系统结构图 1、网络子系统（ 由 六部分组成的。以下是对各组成部分功能的简要介绍。 移动交换中心，主要完成提供交换功能以及系统内其他功能的连接 ,是 络的核心。 访问位置寄存器相当于一个临时的动态数据库，当此用户离开其控制范围后，其信息也将随之丢失。 原籍位置寄存器相当于一个永久的静态数据库，它控制整个移动交换区用户的信息。 鉴权中心，它是用于防止一些没有被授权的用户对系统进行非法操作的，起到了保护信息的屏障的作用。 设备标识存储器，它用于存储国际移动设备识别码 (起到保障网络运行安全的功能。 2、基站子系统（ 称 由基站收发台（ 称 基站控制器（ 称 部分组成的。 统与移动站台直接相连，完成数据的无线收发。除此以外，还与移动业务交换中心 (互，实现用户之间或用户与固网之间的通信。 3、移动站台（ 动通信网中与用户直接接触的部分。它一般由两类组成，第一类是移动终端，包括手持设备（手机） 、 具有无线接口 8 的设备，主要用于完成对语音的编码、加密、调制解调与信息的发射、接收等功能。第二类是客户识别模块，主要代表为 ，它包含了用户的身份信息和某些无线接口的信息。使用 准的移动终端都需要配合 的共同作用。没有安装 的移动终端只能进行紧急呼叫，无 法完成对于其他功能的使用9 消息业务 消息介绍 消息（ 应用最早普及率最高的短消息业务。它主要是一些词语、数 字和字母的组合，长度也被限定在 140 字节之内。 信属于 一阶段的标准，在内容和应用方面存在技术标准 的限制53但目前 经被集成到例如 多种无线移动网络中，使得 为一种非常普及的移动数据业务14 目前，伴随着 不断飞速发展，基于 开发的应用系统已越来越多，且与我们的日常生活密切相关 。如利用短信息查询考试成绩，歌曲点播，查询车次、航班和票价等。 消息的传输流程 般分为两种类型，点对点型和点对多点型两种短消息。 其中点对点类应用广泛， 按照传输路径的方向不同可以概括为以下两个部分： 1、从消息源端到服务中心传输，即 源 户发送的短消息内容中包含目的地址的识别符和消息的服务中心号码，然后请求传递。移动台和 间建立了信令连接，利用专用的消息传递协议（ 短消息从发送方路由发送至短消息服务中心，然后再由路由发送至目的地址。无论消 息发送的成功与否，均会返回给 0。 2、从消息服务中心到消息目的端传输 ,即 当短消息服务中心 短消息需要发送给目的 户时，它会建立一条 文，该报文包含消息内容，发送者号码、身份信息及 收到此报文的时间标记。 用 查询功能确定目 9 的用户的实际路由，将短消息 传送到与服务中心相连的 关，网关再根据 询到的信息通过 信令传送到目的用户所在网络的由该 送至目的用户所在的基站，最终到达目的用户。当目的 S 端暂未做出响应时， 会保存这个短消息一段时间进行再次发送，无论发送成功或失败， 会得到一个来自目的 反馈通知14 一次完整的短消息发送过程都 是由以上两个过程来完成的。 章小结 本章主要介绍了 字移动通信的组成原理和 消息的业务流程，这一部分基本上是概念性、理论性的内容，是本系统对于硬件部分研究的理论基础。 前半部分对 字移动通信的概念、产生背景、发展历程、发展现状以及基本特点进行了介绍，按照功能着重对 统的组成框架进行了描述。后半部分是对短消息业务以及短消息传输流程进行的相关介绍。 10 第三章 电能表远程抄表系统硬件设计 电能表远程抄表系统是完成电度计量信息采集、信息远程传输、后台软件处理和数据分析三部分任务，它通过传输媒介实现对电能表数据的采集和传输。 远程抄表系统综合计量技术、串口技术、现代通信技术和计算机网络技术于一身，具有易操作性、快速性，实时性和计量精度高等突出优点，可以通过网络和供电企业的营业收费系统互联，实现抄表与收费的一体化。 程抄表系统的分类 远程抄表系统按照各个环节功能的不同，可分为现场抄表和远程抄表。现场环节的数据通信主要是数据采集器和数据集中器之间的通信，远程环节的数据通信主要是数据集中器与管理中心之间的通信。 图 3程抄表系统分类 线式抄表系统接口接线简单，维护方便，可以实现点对点的通信方式，因此适用于集中器和采集器之间的通信。广泛应用在居民小区及单位内的抄表计费系统中16。 低压电力线载波抄表系统中采用扩频通信技术，可有效降低干扰对传输的影响，降低传输误码率，提高数据传输速率51电力线载波通信因不需额外敷设电缆，因此线路不易被破坏、维护方便，但抗干扰能力较差，比较适用于短距离 11 通信，因为该技术采用了纯数字通信，准确率较高，适用于居民集中抄表17 电话网有线抄表系统主要是借助专用电话 线路，实现远程抄表。电话网抄表方式虽无需重新敷设线路、投资费用少、 抗干扰能力强、但需专用电话线，组网较为繁琐，工程造价高19。 无线抄表系统主要是基于 络通信的无线通讯技术，能够将电能表数据实时可靠的采集回来，通过应用智能化的系统软件，提供实时性好、稳定性高的数据和事件记录。无线抄表系统采用无线收发设备传输数据，不需专门架线，运行成本低，性能可靠，自动化程度高，节省了人力物力55 本文正是研究利用 络中的 行传输数据的无线自动抄表系统。 络远程抄表系统结构 基于 络的电能表远程抄表系统按照功能作用的不同包括： 用户端； 管理端； 络。 电能表、数据采集器、数据集中器、通讯控制模块、用户端 发器共同组成了用户端，如图 3示。电表数据采集点位于居民小区，采集器将用户用电数据转化为电脉冲进行累计或直接读取智能表数据，并将累计电量、数据等传送给集中器，集中器负责进行收集、存储和管理电能表数据，并与通信控制模块相连，通过传送给 发器后借助 络将电能表数据传送至管理中心20 管理中心部分通过 发器向通信控制模块发送相应的控制指令以及接收通信控制模块上传的电表数据， 管理计算机应用管理软件对电表数据进行整理、存储、检索、分析处理等工作。 络为我国现用的无线通信网络，其特 点是覆盖范围广、技术成熟、安全、可靠，无需另行投入维护成本，节省了费用。 12 图 3络的远程抄表系统结构图 络远程抄表系统的原理 本系统的硬件设计中，通信控制模块是整个抄表系统中最关键的模块之一，它具有存储量大，集成度高的特点，可以在 字网中完成对于数据、语音及短消息的传送。由通信控制模块构成的远程抄表系统由管理端和用户端两部分组成，管理端由 发器，通信控制模块和管理计算机三部分组成；用户端由电能表、数据采集模块、集中模块、通信控制模块及 发器等 5 部分组成。其中管理端计算机用于对系统监视与控制，它的主控程序通过通信控制模块对受控设备发出短信息。用户端的通信控制模块在接收到短信息后，通过串行口信息经由数据集中器传递给数据采集器，采集器根据接收到的短信息进行处理，从中提取控制命令，再通过串行口 用户端电能表进行相应的操作控制。电能表的每月用电量信息也是以短信息的形式通过用户端通信控制模块经由 字网发送给短信息服务中心，再由短信息服务中心发送给管理端端通信控制模块，最后通过串行口 送给管理计算机。计算机在接收到短信 13 息后，根据短信息的内容可发回短信息进行控制；或者将短信息进行处理，把相应的抄表数据存入到管理信息系统的数据库中13。 功能模块介绍 1、电子式电能表 电能计量是计量工作的一个重要组成部分，是电力抄表系统中的基础环节，电能表发展的技术水平反应了抄表系统的发展水平和速度，其准确、可靠的计量关系到供电企业和广大百姓用户的利益。 电子脉冲式电能表用来计量用户用电量的多少，每输出 100 个脉冲代表使用了 1 度电。近年来，电子式电能表在国内外得到了迅速的推广。常用的电能表如国外的 国产的 50。本系统使用的是 电能表，其特点是： （ 1）线性度好，一点校准误差可以保证误差小于 动态工作范围大于500： 1； （ 2） 高频输出脉冲适于计算机数据处理， 低频输出脉冲能直接驱动脉冲电机； （ 3）电流通道增益可调，在电流通道输入端可以使用小的电阻值锰铜； （ 4）具有真正的反窃电功能逻辑输出 于监测负功率，能够精确测量正负两个方向的有功功率，且以同一个方向累计电能； （ 5）具有防潜动功能； （ 6）可靠性高； （ 7） +5V 单电源工作，功耗低； （ 8）具有电源监控电路掉电状况，同时具有参考电压输出； （ 9）无跳变的 出使调表更快捷、更准确； （ 10）具有完全的自主知识产权，具有四项专利； （ 11）完全兼容 4。 2、数据采集器 电能表数据采集器是参与自动组网并提供载波 /无线信道，