（信号与信息处理专业论文）嵌入式无线抄表系统数据集中器的设计.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，家庭仪表大量地出现在人们的 生活中。这些仪表的抄录和收费工作也是城市生活的一个大问题，人工抄表的工 作量巨大，工作效率低，不仅给用户带来不便，而且会存在漏抄、误抄、估抄的 现象。电力企业部门也希望新技术的发展能够解决他们实际工作当中遇到的抄表 难、收费难、准确性和及时性得不到可靠的保障的问题，从而既方便用户，又提 高公用事业部门的工作效率、管理水平。 近年来，随着现代化电子技术的发展，通信技术和计算机技术也有了飞速发 展，而两者的结合又进一步演化出许多新的通信系统，为自动抄表系统的实现提 供了可能。由于在实际的自动抄表系统系统的中结构十分复杂，单独依靠某一种 通信方式不能满足实际要求，因此通信方式问题是a m r ( a u t o m a t i o nm e t e r r e a d i n gs y s t e m ) 系统的关键。本文正是基于这一背景，针对我们国家电力部门的 现有管理体制，对目前国内外的数据通信方式和结构进行了较为全面的分析比较， 特别是g s m 、扩频载波、光纤技术的通信特点。采用先讲成熟技术、成熟产品、 降低成本和风险的原则，在自动抄表系统的性能得到保证和系统设计的基础上， 结合我国居民用电的实际情况，本文提出了一种基于蓝牙技术和g s m 相结合的 综合无线通信方案进行远距离数据传送，从而实现真正意义上的“远程”抄表功 能。主要工作有以下几方面： 1 重点研究了典型自动抄表系统的构造和原理，综合分析了不同层面的数 据传输的方式和它们各自优缺点。 2 在分析总结了国内外自动抄表技术的发展及现状的基础上，针对目前我 们国家电力系统的结构和居民用电的实际情况，以及现在有线抄表系统 中布线难，维护难等问题，综合多种通信方案提出了一基于蓝牙技术和 g s m 相结合的综合无线通信方案的远程自动抄表系统。 3 完成无线抄表系统总体设计，包括对基于a r m 7 的嵌入式实时控制硬件 平台一集中器的硬件设计。即集中器硬件的核心电路和外围接口电路设计 和调试。 摘要 4 完成基于g c o s i i 的嵌入式软件平台的搭建，包括启动代码的编写和嵌 入式操作系统斗c o s - i i 的移植。 5 在实时操作系统肛c o s i i 下，完成对无线抄表系统软件设计，包括：s m s 短信的收发程序和蓝牙主从设备间的通信程序。 自动抄表系统作为解决电力系统的人工抄表的不便和提高信息化管理程度的 一个重要手段和组成部分，无线抄表系统以其技术先进、易于实现、传输速率高、 可靠性高、成本造价低、易于普及等特点，将成为未来发展的趋势，具有极高的 社会效益和经济效益，其研究应用具有十分重要的现实意义。 关键词：自动抄表；a r m ；蓝牙技术；s m s ；p c o s - i i n a b s t r a c t a b s t r a c t w i m 也ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dm ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sr i v i n g s t a n d a r d s ，m o r ea n dm o r ed o m 酬em c t c r s ，a r cw i d d ym e d 证d a i l yl i f e a tm es a m e t i m e , r e a d i n g l h em c t e r sa n d 妇g i n gt h eb i ui sab i gs o d a lp f o b l e mi n 壕d t yl i f c ，t l l e m a n u a lm e t e rr e a d i n gh a sb e c o m eam 勰sa n d 乜1 0 u b l e s o m ew o r k t h e ei sa l s oal o t p r o b l e m si nt h em a n u a lm e c 口r e a d m 舀s l l c h 嬲t h e 讹m a yb em i s s e dc o p y i n 舀 m i s t a k e n l yc o p i e de t c t r a d i d o n a lw a y sn ol o n g e fa d a p tt ot h ed c v e l o p m e n to f 刚e t y 锄ym o f c p c o p l ep a ym o r em dl a t t e n d o nt ol h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n d a p p f i e a d o ni np u b l i cu m i 锣c h a r g 铭a u t o m a t i o na n dd i s 仃i c ti n t e l l i g e n tm a n a g e m 饥l p o w 盯e n t e r p r i s 嚣a l s oh o p et h a t 也ed e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g yw i l l 1 v et h e i r p r o b l e m s c o u n t 删i nt 1 1 ea c t u a lm 就e rr e a d i n 岛6 h 舔，s e e u r i t yi s 册嚣，d i 伍e u l tt 0 r e a da n de h 盯g e , a c c u r a c y , r e l i a b i l i t ye t c t oi m p r o v et l l ee 伍c i e l l c yo fp u b l i cu d l i f i 髂 s e c t o ra n dm e i rm 锄a g e m e n tl e v e l t kn e w t e c h n o l o g yw i l la l s og i v e 舢u l t i e i sal o t c o n v e n i e n 眈 mr e c e n ty c a 培，m o d e me l e e t r o m et c c h n o l o g y , c 0 删m l i l i c a t i o n sa n dc o m p 咖 t e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y 锄dt h ef u r t h 盯i n t e g r a t i o no f t h et w o 触dm o r e 妊n d so f t e c h n o l o 酾h a v eb e e ne v o l v e d i n t 0m a n yn e wf b 衄so fc o n u n u n i 训o na n d e o m m u n i c a f i o ns y s t e m s w h i e l am a k ei tp o s s i b l et or e a l i z e 研m ea u t o m a t i cm 曲e f r e a d m gs y s t e m ni si m p o s s i b l et 0s a 缸s 6 ，t h ef i e l dr e q u e s ti fw eo i l l y 哪eo n e c o m m u n i 甜d o nm o d e b e c a u s eo f t h ev e r ye o m p l 懿a i v i rs y s t e m , w l l i c hh a sd i 伍。崩l t l e v d sa n dh a sd i f f e r e n tm o d e so f c o m m u n i c a t i a ld i f f e r e n tl e ! v e l s a n dw ec a nf i n da l l a p p r o p f i a t ce o m m u n i c a d o nm o d eb yi n t e f a t i n gd i f f e r e n te o m m u n i c a f i o nm e t h o d sa n d l e a r n t 1 1 e i r 。a d v a n t a g 舒，s ol h ee o m m u n i c a d o nm o d ei st h ek e yt 0t h ea m rs y s t e m hc o n s i d 硎o no ft h ee x i s t i n gm a n a g e m e n ts y s t e ma n di n f o r m a t i o n “= s o u “冶so f e l e e t r i 衄s u p p l y m p a n i 髓i nc h i n a , a l s of o rm cb e n e f i to ff i i t u r er e a r m 觚d d e v e l o p m e n t t l l i sd i 鹃a t a 曲nc a r r i e do l nac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s 如dc 0 加p a r i s o no f t h ed a t ac o m n i u n i c a t i o na 士h o m ea n da b r o a d , p a r t i c u l a r l ym 仃o d u c e dg s m , s p r e a d s p e c t r u mc a r r i e r , 锄do p f i e a l 矗b 盯c o i l l 吡l l n i c a t i o mb 喀c do n1 1 1 ep r i n c i p l eo f 砸i n g m m a t u r et e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t st ol o w e rc o s t sa n dr i s k s ，i no r d e rt om e e tt h em e t r i c r e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cs y s t e mi nt h e a c t u a lc i r c u m s t a n c eo fd i f f e r e n tc l i e n t s 锄 i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o ns c l a e m ei sd e s i g n e do nt h eb a s eo f t h en e e do f t h ef i e l da n d t h ec o m p u t a t i o nt e c h n i q u e t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t s 龇i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n s c h e m eo fg s m - b a s e dt e c h n o l o g ya n db l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf o rr e m o t e t r a n s m i s s i o no f d a t a , i no r d e rt or e a l i z et h er e a l ”l o n g - d i s t a n c e ”m e t e r - r e a d i n gf u n c t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa 1 - ea sf o l l o w s ： 1 c a r e f u l l yr e s e a r c h e dt h et y p i c a la u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，a n a l y z e dt h e d i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o nm e t h o d so nt h ed i f f e r e n tl e v e l sa n dm e i rl e s p e c t i v e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s 2 s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fa u t o m a t i cm e t e r - r e a d i n gt e c h n o l o g y a n di t sd e v e l o p m e n ts t a t u sq u o b a s e do i lt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fo u l p o w e r s y s t e ma n dt h ec u s t o m e r sc o n s u m i n gs i t u a t i o n s t u d i e dt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e o f v a r i o u sc o m m u n i c a t i o np r o g r a m s f i n a l l y , p u tf o r w a r da ni n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n s c h e m eo fg s m - b a s e dt e c h n o l o g ya n db l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf o rr e m o t e a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 3 d e s i g n e dt h es y s t e ma n dt h e a r m 7 - b a s e de m b e d d e dr e a l - t i m eh a r d w a r e p l a t f o r m - t h ec o l l e c t o rh a r d w a r ec i r c u i t ，i n c l u d e dt h ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dp e r i p h e r a l c i r c u i t 4 c o m p l e t e d t h es o f t w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gc o d i n gt h es t a r t u pc o d ea n dp o r t i n g t h ee m b e d d e do sj a 2 o s - lt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m 5 d e s i g n e dt h ea m rc o m m u n i c a t i o np r o g r a mu n d e rt h e e m b e d d e do s i - c o s i l a sas o l u t i o nt ot h ei n c o n v e n i e n c eo f m a n u a lm e t e rr e a d i n ga n dt h ep o w e rs y s t e m i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl e v e l ，t h er e s e a r c ho f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e ma n di t s a p p l i c a t i o na l eo fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n g m r ) ；a r m ；b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ；, s m s ：i t c o $ - i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：鲞：鱼盗日期：仞仍淬年月；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主逸鱼盗导师签名：竺f 兰 日期：似略铀伽 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 现代生活中，水表、电表和煤气表的抄录和收费，是城市生活的一个大问题。 人工入室抄表，扰民不说，还可能给居民带来不安全因素。近年来，信息化社会 在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对一些传统的理念提出了挑战。 随着自动化和测量技术的飞速发展，小区智能化【韧的提高，人们在工作、生活、 家居条件的智能化水平越来越高，将室内计量仪表中数据自动抄收己逐渐成为人 们追求的目标。 传统抄表方式需要一家一户的上门抄写用电数据，然后计算用电负荷及用电 费用。人工操作虽然容易实现和管理，但是不可避免地也会遇到很多问题，如效 率低下，工作人员数量需求大，工作量多，完成的任务却有限；错误率高，人工 操作往往存在很多漏洞，使用户或电力公司遭受巨大的损失；难以监控，对偷电、 漏电现象，很难采取有效的方法进行监控、取证；显然，上述弊端使得人工抄表 管理模式不能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费 等先进管理模式的推行。特别是在我国信息化技术的普及之后，人工抄表的方式 显得日益落伍 6 2 1 。同时，对于电力企业部门，也希望新技术的发展能够解决他们 实际工作当中遇到的抄表难、收费难、准确性和及时性得不到可靠的保障的问题， 实现电力企业的减员增效，降低用电成本，缓解抄表人员的劳动强度，降低人为 因素造成的抄表误差，从而实现既方便用户，又提高公用事业部门的工作效率、 管理水平，对于加强用电管理，防止国家电力资源的流失等现象都具有积极的意 义【6 1 1 。自动抄表技术就是在技术与管理两方面亟待进步、改革的迫切下需求应运 而生的，伴随信息化技术的发展而发展，日益受到关注。 自动抄表，简称a m r ( a u t o m a t i cm e t e rr c a a i n g ) ，是利用电子技术、传感器 技术、自动控制技术、计算机及通讯等技术，通过专用设备对表计进行读取及数 据处理的过程。自动抄表系统( a m r s ) 是不需要人员到现场，就能完成抄读用户电 能数据并分析、统计的智能化管理系统【5 引。 电子科技大学硕士学位论文 目前世界各国都在对传统的电力行业管理模式进行改革，使垄断的电力行业 向开放式的商业化运营和管理方向发展，在发达国家( 像英国、美国、澳大利亚 等国) ，电力市场降低了电网运营的费用。随着全球范围内电力经营市场化的发展， 电力等公共事业企业自动抄表技术( a m r ) 的应用愈加广泛。 根据建设部的要求和设计标准，建设智能化住宅小区必须具备水、电、煤气 三表远程自动计量系统。从1 9 9 9 年开始，国际电工委员会陆续发布了i e c6 2 0 5 6 抄表，费率和负荷控制的数据交换标准系列。其中“抄表，费率和负荷控制 的数据交换”其概念与我国习用的“自动抄表系统”相当，对我国自动抄表系 统的标准制定具有一定的指导意义。i e c6 2 0 5 6 是一个标准系列，包含应用管 理和低层通信两方面内容的标准和技术报告，自动抄表系统标准体系框架，明 确了自动抄表系统系统的整体结构以及各标准之间的协调关系。自动抄表系 统国家标准体系主要包括4 部分内容嘲。 总则 典型抄表系统 应用层数据交换( c o s e m ) 低层通信协议 1 2 典型的远程自动抄表的系统构成和特点 典型的远程电力自动抄表系统通常由前端采集子系统，通信子系统以及中心 处理子系统三部分组成，采集终端将电表的数据打包后通过底层的通信网络传送 到集中器，集中器将多个采集终端送上来的数据打包后通过上层通信网络传送到 中心计算机，中心计算机通过网络可以和供电局的收费系统相连实现抄表收费一 体化。系统结构图如图1 1 所示【5 司 1 2 1 系统介绍 前端采集子系统主要由采集终端和集中器组成 采集终端：采集终端由电表和采集器组成( 如果是智能数字式电表则不需要 采集器) ，除了完成电表的数据采集外，还将采集到的数据打包通过底层的发送到 数据集中器。 2 第一章绪论 集中器：集中器主要起一个路由功能，有着两方面的作用，第一是作为数据 采集终端的控制器，将中心计算机的控制指令发到各个数据采集器。第二是作为 数据传输通道，通过通信网络和抄表计算机通信，将数据采集器所采集的电能数 据集中并传送到中心计算机中，完成远程抄表的功能。 图1 1 典型自动抄表系统结构 通信系统 采集终端与集中器，以及采集终端与采集终端之间的通信链路组成了我们自 动抄表系统的主要部分，通信问题也是本论文所关注的焦点。采集终端与集中器 可以看成一个小型局域网络，它们之闻彼此都需要互相通信，传输用电数据，这 就需要各个节点之间能够保证一条良好的物理链路，使数据能够正常到达目的节 点。因此，通信系统分为上层的通信系统和底层的通信系统。为了适应不同的环 境及系统成本的要求，通信子系统的构成有多种方案，可以针对各个方案的利弊 并结合实际要求进行选择。应该采取一种什么样的技术，来实现电表与电表，电 表和集中器之间的通信物理链路，使数据传输达到最佳的结果，不仅实时性好， 延迟少，误码率低，而且具有很强的安全性，保证用户和电力系统的利益。接下 来就从不同层面上介绍一下可以应用在自动抄表技术中的几种通信方式。 上层的通信系统 上层是星形网络结构是以中心计算机为中心，以发散的方式通过通信网络以 3 电子科技大学硕士学位论文 一对n 的连接，有两个特点：一是系统的覆盖面很广，具有分散性；二是用户数量 多，信息数据量较大。这些特点对系统所采用的通讯方式提出了较高的要求：一方 面能将数据及时准确地传送，确保数据的实时性和安全性；另一方面又要求成本不 能太高，而且还要有较强的抗干扰能力。 随着电子技术、网络通讯技术的快速发展，已经出现了多种通讯方式可供选 择。各种方式的性能、特点、成本也各不相同，针对不同的要求和不同的客观条 件，远程自动抄表系统的设计也可以选用不同的通讯方式。下面对常见的远程通 讯方式进行分析【2 4 】。 光纤通信 光纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点，适 合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高，故很少在自动抄表系统 中使用【2 3 1 。 电话线传输 电话线传输是利用现成的电话网络，只需在数据的发出和接收端分别加装调 制解调器( m o d e m ) ，不必再另外投资建网，只要两地能通电话即可完成抄表和监 控，节省系统建设的成本。电话抄表的技术也已经比较成熟，信号的传输比较稳 定，抄收成功率高，传输误码率低。 无线网络 无线网络适用于用户分散并且范围大，目前我国已经建成的覆盖全国的g s m 网络，所谓g s m 网络是全球无线通信网络的简称，任何一个无线网都无法和g s m 网相比拟。在任何一处o s m 网覆盖的范围内( 即有手机的地方) ，我们就可以用 g s m 模块来建立数据传输通道。 底层的通信系统 底层的通信系统由于节点多，传输速率要求不高，距离较短，所以一般用于 底层的电能数据的传输。底层近距离数据传输方案不断地吸收通讯领域和现场总 线技术的通讯方式，并将这些技术运用到自动抄表上。在这些技术中，应用比较 广泛，技术比较成熟的主要有r s - 4 8 5 总线、电力载波、短距离r f 无线等。根据 各种通信方式的不同特点和应用场合要求的不同，可以灵活地选择使用【捌。 r s 一4 8 5 总线网络 4 第一章绪论 4 8 5 总线方式的抄表系统主要是将采集终端和集中器以4 8 5 总线网络进行连 接，完成数据的发送和接收。r s - 4 8 5 总线的传输介质采用双绞线，技术成熟、简 单，在通信信道正常的情况下通信稳定、可靠，可是实现实时通信。但是在实际 应用中需要布线，不但施工不方便，而且信道容易被大面积损坏，恢复困难，维 护量大 6 2 1 。 图1 - 2r s - 4 8 5 网络通信示意图 电力载波通信 电力载波通信的原理是把电表的数据通过采集终端设备将采集数据调制，通 过电力线传送，在接收端解调还原成数据信号，并将数据传送到中心计算机在同 一台配电变压供电范围的内的用户统一编址，有采集器巡回读写( 铜。 图1 - 3 低压电力载波通信基本原理 电力载波的重要优点是利用电力线传输，节省资源。但是我国的电网在传输 数据过程中，经常会受到无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数 据错码、丢码的情况比较多。所以要解决我国的电网的纯净度，就需要相当大的 投资，并且解决许多关键性技术，如抗干扰接收和信号处理问题。还有我国电力 线上的电磁干扰和负载变化产生干扰是电力载波抄表系统的难题。电力线上的各 种干扰的幅度很大，数据信号完全有可能淹没在噪声中【5 5 1 。 电子科技大学硕士学位论文 蓝牙近距离无线通信 蓝牙技术是一种采用2 4 gh zi m s i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l 频谱的短 程无线技术，目的是以无线的方式取代有线的接口。其优势在于移植性强、硬件 继承简单、功耗低、使用扩频跳频技术，抗干扰能力强。支持一点对多点的通信， 可以利用蓝牙技术的这个特点，拓展成不同的网络结构。主要用来打破理论上一 般以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2 0 0 0 年做到使移动电话等设备 与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆 线或红外接口就可进行数据交换 4 9 1 。这给我们以新的启发：能否将蓝牙技术用于 自动抄表? 有人想到，对那些利用现有自动抄表技术很难抄到的所谓“死角”处 的电度表，利用蓝牙技术可能再好不过了；据有关专业人士预计，再过大约两年， 凡有移动电话的地方就将会有蓝牙。蓝牙技术到底能否在自动抄表方面获得应用 无需争论，但作为从事微机化测量技术与仪器仪表研发的工程技术人员，应该在 每一项新的计算机、网络、通讯和微电子技术诞生之后就立即着手考虑，它能否 给自己所从事的科研带来革新性的发展和变化。 1 3 国内外自动抄表的发展现状及设计方案提出 1 3 1 国外自动抄表现状 目前，在美国、加拿大、西欧和日本等一些发达国家，许多地区都广泛采用 自动抄表系统代替原来的水表、电表、煤气表的人工抄表。特别是煤气抄表已经 有几十年的发展历史，技术已经相当成熟。在美国，自动抄表的技术和设备己经 形成一种新兴的产业，有着诱人的市场，欧美一些发达国家最早在7 0 至8 0 年 代即己开始对远距离电能表数据的采集进行研究。而日本当时已经开始试用电力 载波于远程抄表；美国的配电线路载波远程抄表系统己投入试运行。抄表技术的 快速发展得益于8 0 年代计算机技术、超大规模集成电路l s i ) 和通讯技术的高速 发展，美国在a m r 技术的开发和应用上也取得了长足的进步，a m r 系统在向着 智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步，9 0 年代 中后期，自动抄表技术已经达到可以大规模推广的实用性阶段。美国电世界 1 9 9 4 年1 0 月号摘要介绍了c h a r t w e l l 公司对北美( 美国和加拿大) 2 2 个电力公司和 3 1 个产品供应商的调查结果，在1 9 9 4 年初，该地区装设了3 1 4 0 6 3 块具有自动抄 6 第一章绪论 表功能的电能表，年底计划发展到1 0 4 8 0 0 0 块。其中g e 0 嚼a 电力公司在1 9 9 3 年 内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电自动抄表单元，b o s u n e d i s o n 公司已经装设了 1 7 0 0 0 个固定式和车载无线自动抄表单元，加拿大的q u e b c c 水电局也己经安装了 6 4 0 0 0 个自动抄表单元1 5 s 1 。到了9 0 年代以后，埃及开发出双模式民用电能监视 抄表系统，英国开发出的低压电力线载波通讯系统p o w e r n e t 具有自动抄表功能， 还有利用电力载波通讯与无线通讯结合所组成的系统，以及根据情况自动选择通 信方式的系统。 另外，美国几十家著名的厂商已于1 9 8 6 年建立了自动抄表研究协会a m r a ( a u t o m a t i cm 断r e a d m ga s c i a t i o l l ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次年 会都有专题报道，旨在进一步发展和推广a m r 技术。近年来欧洲自动抄表技术 协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表技术协会o a m r a ) 也相继成立。通过不断的 交流合作，各种新的a m r 技术不断推陈出新，推动着整个自动抄表技术行业的 发展。 1 3 2 国内自动抄表现状 我国远程自动抄表系统研制的起步比国外晚，进入9 0 年代以后，国内许多研 究机构和企业纷纷投入对自动抄表技术的研究，并有多种自动抄表系统陆续问世， 这标志着我国自动抄表技术应用的起步。总体上来看我国国内大量使用的仍然是 传统的人工抄表方式，所以其市场潜力巨大，尤其是近年来，国内远程自动抄表 技术发展迅速，国内数十家公司有相应的自动抄表产品推出，部分地区己经开始 了远程抄表的试点。 ， 作为建设国际大都市形象的综合目标，上海在发展高科技产业和城市信息化 建设方面，也成为市政府近年来各项主要工作目标之一。市政公用事业是社会管 理职能的重要组成部分，对资源的有效使用和控制，是现代社会文明的体现。诸 如按规划实现小区的“三表出户”、信息港工程的建设、城市数字电视和数字网络 的试点、有线宽带( i - i f c ) 的改造、智能化抄表等等，都与人们的生活息息相关。 上海市自来水市北有限公司实施的h f c 远程抄表系统方案，是国内首家利用h f c 有线宽带双向网络资源实施远程抄表和管理的可贵尝试，系统构建完成之后，将 基本上弥补了传统抄表方式的不足，实时控制抄表过程，为公司调度、规划、建 模提供数据，为用户用水情况( 高峰、时差等) 分析、取样、用水量曲线图的绘制 7 电子科技大学硕士学位论文 创造条件，实现从传统技术向高科技领域的转变田】。 况且中建部已经正式推出了相应的三表远传标准，标志着国内抄表行业正走 向规范，但是技术还不是很成熟，因此在国家相关政策的推动下，国家对抄表设 备监管力度、市场引导等不断加强，远程自动抄表系统必将得到不断的改进和完 善，并将会大规模普及应用【2 l l 。 1 3 3 抄表应用的方案综合与比较 上面介绍了通用的自动抄表系统在不同层面上的通信方式，在列举的几种通 信方式来看：光纤容量大，但是价格高；电话线价格低廉，使用广泛，但是容量小， 不能适应自动抄表的发展；电力线载波的方式理论上性能优秀，价格低廉，但国 内电网负载复杂，不够稳定，时通时断是其最大的弱点，而且除了电力抄表，其 他水表、气表并非特别渴望通过电力线载波进行自动抄表。现有的一些自动抄表 方案中，底层的通信网络大多是采用的总线结构，传输的介质则是双绞线，容易 引起线路的老化，存在短路，断线的危险，如果距离过长或者屏蔽不好，都会造 成失真，数据不准。况且小区一旦建成，再去布线的工程量比较大，系统维护和 系统检修比较困难。所以当g s m 网络建成后，采用无线的通信来传送数据便迅 速得到了应用。在自动抄表技术应用到的所有通信模式中，各种方案都存在着不 同程度的缺陷，亦即任何一种采用单一技术的通信方案均很难完全满足客户的多 重要求。即使在很大程度上达到了要求，但须付出的代价却难以承受，为解决这 类矛盾，复合通信方案被提出。 所谓复合通信方案，即是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式， 组成实现电能自动抄表用复合通信网络。对于数据传输量不太大。传输距离较近 的底层数据采集阶段( 电度表到采集器，采集器到集中器) 可以使用如红外、低 压电力线载波甚至无线传输等技术；而对于由集中器到中央处理站段，则可采用 电缆、电话线或无线通信等。选择什么样的方式相互配合，需根据实际情况统筹 考虑。 第一种分散的点对点的通信 第一章绪论 图1 - 4 点对点系统组成示意图 上面这种方案的特点就是实现点对点的通信，在通信的数据质量保证的情况 下，较之现在的集总是的抄表方案而言，终端的硬件成本较高，这个主要集中在 g p r s 通信模块上面。 第二种就是集总式的通信 图卜4 集总式系统组成示意图 上面已经提到，现在投入使用的自动抄表系统中，底层的通信多采用r s 4 8 5 现场总线结构。但是在实际应用中需要布线，不但施工不方便，而且信道容易被 大面积损坏，恢复困难，维护量大。 并且我国的居民住在基本上是成片的多层或者高层为主，而国外多以分散的 别墅为主，综合权衡各种利弊，应该具有我国应用特点的自动抄表系统，底层采 用蓝牙技术，上层采用g s m 通信的集中抄表系统。 1 4 课题研究的目的和意义 9 电子科技大学硕士学位论文 远程智能抄表计量工作，关系着公用事业行业、能源供给企业的经营、管理 效益。就目前的状况而言，抄表难、收费难是公用事业部门面临的普遍问题，抄 表收费工人工作条件差、效率低、劳动强度大、不可控现象等等，都说明了采用 传统的人上抄表方式已不能适应现代社会和企业发展。自动抄表系统作为解决上 述问题的一个重要手段和组成部分，其研究应用具有十分重要的现实意义。目前 实际应用的自动抄表系统的通信介质都采用总线方式的，尤其是国内目前比较流 行的r s 4 8 5 总线，其复杂的布线会对用户家中的装修造成很大的破坏，这在很大 程度上影响了自动抄表系统的推广应用，所以迫切需要寻求一种无线的解决方案。 本文提出一种基于蓝牙技术和g s m 的无线抄表系统方案，不仅满足远程自动抄 表系统的迫切需要，促进抄表系统自动化的发展，而且还在科研上提出了一种新 的设计思想：采用蓝牙通信和g s m 通信相结合的方式。因此本课题不仅具有实践 意义而且为未来抄表系统的开发提供了许多可借鉴的宝贵经验。 1 5 本论文所完成的工作 整个抄表系统的涉及面较广，本文首先介绍了目前典型的自动抄表系统，从 不同层面介绍数据传输的方式分析它们各自的特点，然后重点介绍了基于蓝牙技 术和g s m 无线远程自动抄表系统及抄表集中器的设计与实现。论文将按下面的 内容安排： 第一章简要介绍论文研究背景和国内外自动抄表技术的发展历史和现状，以 及研究的内容和意义。 第二章主要介绍了远程自动抄表系统的组成和结构，分析了工作机制，对其 通信协议进行了详细的介绍。 第三章基于a r m 7 的嵌入式实时控制硬件平台集中器的硬件设计。介绍了 嵌入式系统的开发流程，l p c 2 2 1 4 处理器的特点，集中器硬件的核心电路设计。 第四章主要介绍启动代码的编写和嵌入式操作系统i u c o s i i 的移植，这一 章完成软件平台的搭建。 第五章在实时操作系统i _ t c o s i i 下，抄表系统软件设计。 第六章分析了以无线抄表系统的性能，对以后自动抄表系统的发展趋势也 作了阐述。 1 0 第二章基于蓝牙和g s m 的无线抄表的总体方案设计 第二章基于蓝牙和g s m 的无线抄表的总体方案设计 从绪论部分我们对于自动抄表系统有了一个大体的认识，本章将介绍远程无 线抄表系统的设计原则、总体框架、方案设计及关键技术。 2 1 系统结构 2 1 1 设计思想与原则 系统的建设既考虑了国家电力部门的现有管理体制、信息资源，也为了今后 的改革和发展着想。因此，在系统的建设过程中要对建设部门目前需要解决的关 键问题进行系统的规范和抽象，以便建立完备的企业管理模型和具体的功能操作 流程。自动抄表系统作为一个工程实用系统，必须根据系统结构形式满足( 或达 到) 以下性能： ( 1 )系统整体功耗经济性是系统运行效率的重要标志，也是系统是否经济合 理，切实可行的关键。这一关键技术主要体现在系统的数据采集存储和 识别单元中，其硬件结构必须采用最先进的、低功耗微电子器件和电路 组成，保证系统运行功耗最低。 ( 2 )系统数据采集存储性能，为了保证系统在停电时能对各种能耗量继续保 持正常的数据采集存储功能，系统的工作电源应不受停电的影响。这一 关键技术主要体现在数据采集存储单元中。因此，所设计的系统数据采 集识别单元中应具备不间断电源，其持续供电时间应能满足一般停电时 间内数据采集存储单元正常运行的要求，一般情况下可通过附加后备电 源电路来实现。 ( 3 )数据通讯网络的有效性和可靠性主要表现在系统的检测精度、误码率和 运行稳定性是否符合相关标准。因此，要求采用完善可靠的硬、软件结 构进行系统通讯网络设计，以保障系统运行时数据通讯的有效性和可靠 性。 电子科技大学硕士学位论文 ( 4 )通信技术应用的迅速普及，已使得通信安全不容忽视。自动抄表系统由 于涉及到电力经济运营，它关联着电力用户与电力部门两者的经济利益， 因此自动抄表全过程中的通信安全也显得尤为重要。由于面对的是用户 的关键数据，因此必须重视安全问题，系统需在合适阶段集成防火墙、 增加用户权限管理、定期备份数据等，数据在传送过程中需使用软件加 密算法。 ( 5 1系统数据管理功能系统应用数据库是体现系统管理功能的标志，建立的 数据库应能充分满足各项管理要求，能向用户提供集数据、文字、图像、 声音为一体的直观、操作方便的人机界面，并提供外部数据通讯接口。 在系统设计时始终坚持界面清晰、接口标准、技术先进、“结构化、标准化、 模块化”的设计原则，做到界面安全稳定和有效集成。既要看到当前现状，又要 想到长远，对系统进行合理的、全面的功能设计，尽量考虑系统的今后发展，为 系统的扩充留有充分的接口，尽量延长系统的生命周期。 在技术上立足于长远发展，坚持选用开放性系统。采用先进的体系结构和技 术发展的主流产品，保证整个系统持续、高效运行。采用先讲成熟技术、成熟产 品、降低成本和风险的原则，基于以上对于自动抄表的性能的要求和系统设计的 原则，结合我国居民用电的实际情况，提出了基于蓝牙技术和g s m 相结合的远 程无线抄表系统，系统的总体设计框图如图2 - 1 所示。 2 1 2 系统介绍 系统一般由管理中心计算机、数据集中器、数据采集器、计量表4 级构成： ( 1 )电表可用传统的机械式表，但需加装传感器。目前市场上已有带脉冲输 出的内置c p u 的智能电表。在我国经过大规模的电网改造之后，居民大部 分已经改用数字式智能电度表，现在新建的智能小区按照规定统一使用新 型的数字式智能电表。 ( 2 )数据采集器对基表( 用户表) 脉冲进行记数和处理并存储结果，同时将 数据传至传输控制器并接收传输控制器发来的各种操作命令。通常可做成 1 种表专用或3 种表共用。对于多层住宅，采集器集中设在首层。高层住 宅可将其分层或隔层设在竖井内，采集器需提供2 2 0 v 电源，可根据基表 第二章基于蓝牙和g s g 的无线抄表的总体方案设计 数量来确定采集器的数量一 图2 1 系统组成 ( 3 )数据集中器的功能类似于路由器，本系统的数据集中器采用基于a r m 的 嵌入式系统设计，系统中移植了嵌入式操作系统i t c o s - n , 完成多个任务的 控制，主控芯片为l p c 2 2 1 4 ，定时或实时抄录采集器内基表的数据，并将 数据存贮在存贮器内，进行处理、打包后通过g s m 模块以短信息的形式向 管理中心传输或供计算机随时调用，同时将计算机的指令传输给采集器， 控制器可设在小区管理中心。在外扩的数据存储器里为每个用户分配了一 个数据单元，随着脉冲的增加可不断更新其数据内容，在掉电情况下可保 持数据1 0 年不丢失。根据采集器的数量来确定集中器的个数，集中器与采 集器的通信采用蓝牙无线通信方式，集中器和采集器组成一个蓝牙微微网， 在这个微网中，集中器作为主控蓝牙设备，采集器作为从蓝牙设备，通常 债况下，一个主蓝牙设备可以同时连接7 个活动的从蓝牙设备，因此一个 电子科技大学硕士学位论文 集中器可以处理多个采集器的信息。 ( 4 )管理中心计算机调管理中心计算机不但为系统软件提供运行的硬件环 境和软件环境，而且是整个系统的控制中心和数据分析中心。通过g s m 通 讯模块将数据从远程采集终端传输到管理中心，存储到数据库服务器中。 它同时具有信息管理、计费、分析决策、报表统计等服务功能。 2 1 2 1 系统通信网络 通信方式的选择是抄表系统研制工作的首要任务，它直接影响到数据传输的 可靠性，也直接决定着系统成本的高低。确定具体的通信方式需要考虑