（控制理论与控制工程专业论文）无线技术在户用仪表总线中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 户用仪表总线技术是随着网络通信技术和智能仪表技术的发展而兴起的一 种通信技术，广泛地应用于自动抄表系统等楼宇自动化领域中。近些年能源供应 日益紧张，自动抄表系统作为管理能源消耗管理的手段，越来越受到人们关注。 但是自动抄表系统中的总线布线复杂繁琐，对其推广应用造成了一定的影响。 本文对自动抄表系统做了深入的研究，对自动抄表系统通信子系统提出了无 线改造的方案，对改造时的节点设计、协议兼容等问题提出了相应的解决方案， 并对自动抄表系统管理中心予系统的管理软件进行了详细地分析、设计。 本文的主要内容如下： 1 、概述了户用仪表总线技术，介绍了几种常用的仪表总线，引出了仪表总 线技术的研究热点一自动抄表系统，并对研究现状、组成结构、工作机制、通信 协议等，做了简要的分析介绍。 2 、对无线通信技术进行了简述，对无线近距离通信中的几个热门技术进行 了比较。对于自动抄表系统目前的热门研究技术一无线抄表系统作了深入的讨 论，提出了将有线和无线通信技术相融合的自动抄表系统设计方案，对其系统的 拓扑结构选择、网络参数设置、节点设计、通信机制实现提出了相应的解决方案， 并给出了一个简单的应用实例设计方案。 3 、以无线水表自动抄表系统为例，对无线抄表管理软件进行详细地分析、 建模，采用p e 仃i 网进行对其通信模块进行建模，采用结构化分析的方法对其数 据库进行建模设计，并给出了软件运行效果图。 文章最后对全文进行了概括性的总结，并指出了下一步的研究方向和内容。 关键词：仪表总线；自动抄表；z i g b e e 协议；户用仪表；协议兼容 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o m em e t e rb i l si sak i do fc o m m u n i c a t i o nt e d m i q u e sd e v e l o p e dd u et om ea d v a n c e i nn e t w o r kc o m m _ 1 1 1 1 i c a t i o na i l di n t e l l i g e n ti 1 1 s t r 哪e n t st e c l l n o l o g y ，w t l i c hi sw i d e l y u s e di nb u i l d i n ga u t o m a t i o n 丘e l d ，i n c l u d i g 卸t o r n a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r s ) ， e t c a m r sb e c o m e sah o tr e s e 盯c ht o p i cd u et om es h 咖g eo f e n e r g yr e s o u r c e s t h i sp a p e rd o e sd e 印s t u d i e si n t oa m r s ，w 址c hf o c u so nt h es e e r - e n ds u b s y s t e i l l a n dt h ec o m m 砸c a t i o ns u b s y s t e mo fa m r s f o rm ec o m m u 埘c a l i o ns u b s y s t e m ，a n e wk i n do fa r c h i t e c n 玎ei s 萄v e nw h i e hc o m b 证e st h ew i r e da n dw i r e l e s st e c h n i q u e s ， a n dm ep o t e n t i a lp r o b l e ms o l u t i o n sa r ea l s o 百v e n ，i n c l u d i l l gd e v i c ed e s i g ne t c f o r t 1 1 es e r v e r e r l ds u b s p t c m ，ad e t a i l e dd e s i g no f 血ea 出1 1 i i l i s 缸a t i v es o 竹w a r ei s 萄v c n t h cm a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri s1 i s t e da sb e l o w ： 1 1 1 1 i sp a p e r 百v e sab r i e fi n 仃o d u c t i o no fh o m em e t e r b u st e c 岫q u e ，孤d 血e n 舀v e s s o m ed e t a i le x a m p l e so f h o m em e t e rb u s t h ea u t o m a t i cm e t e i r e a d m gs y s t c m ( a m r ) i si n t r o d u c e da sah o tt o p i co f h o m em e t e rb l l s t h ec u r r e n tr e s e a r c hd e v e l o p m e n t ，l e c o m p o n e n t ，n l eo p e r a 6 0 nm e c 僦s ma n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so fa m ri s i n 仃o d u c e d 粕da n a l y z e d 2 1 1 1 eb a s i ck n o w l e d g eo fw 讹l e s sc o m m l l i l i c a t i 叫i sa d d r e s s e da n ds o m ep o p u l a r w i r e l e s st e c l l l l i q u e sa r ec o m p a r e d an e wk i i l do fa m ra r c l l i t e c t i l r ei sa d d r e s s e d w h i c hc o m b i n e sz i g b e et e c h n i q u ea 1 1 dh o m em e t e rb u st e c h n i q u e t h et o p o l o g ) r s e l e c t i 衄，m ed e s i 印o f t l l ed e v i c e ，a n d 也e 叩e r a t i o nm e c h a i l i s ma r ea l s o 百v c n 3 1 1 1 em a j o rp a no fm es e r v 昏e ds u b s y s t e mi sm ea d r n i n i s t r a t i o ns o r w a r e ，w t l i c h c o 血b i n c ss e r i a lp o r tc 跚l i n _ u n i c a t i o nt e c 蛳q u ea n dd a _ 曲a s et 池l i q u e 。ad e s 峥o fa w i r c l c s sa u t o m a t i cw a t e rm e t e rr e a d i n gs o n w a r ei s “l d r c s s e d t h ec o m 删c a t i o n p m c e s si sm o d e l e du s i n gp e 仃in e tm e t h o d ，a l l dt l l ed a t a _ b a s ep a r ti sm o d e l e du s i n g s t m c m r c da n a l y s i s 【e t h o d f 证a l l y ，ac o i l c l u s i o n 讧m a d e ，a n d t h e 如t i l r ef e s e 疵hd i r e o n sa r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：m e t e rb u s ，a u t o m a t i c m e t c rr c a d i n g ( a m r ) ，z i g b e ep r o t o c o l ，h o m e m e l e r s ，p r o t o c o li m e r o p e r a b i l i t y i i 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 摘要：本章简要地介绍了目前流行的几种户用仪表总线技术，引出了其热门研究 问题自动抄表系统，并简要介绍了自动抄表系统的分类、研究现状等，提出 研究无线自动抄表系统这一课题的目的和意义。 引言 近十年来，仪表行业得到迅猛发展，尤其是户用仪表领域，其智能化、网络 化程度不断提高，仪表之间需要进行相互通信，这导致了总线技术的出现。 1 1 总线 总线是一种传输信号路径或通道，是连接于一个或多个仪表的电气连线，总 线上连接的所有仪表设备可在同一时间收到所有的传输内容。总线技术不仅指信 道的物理实现，还包括数据传输的规范。总线技术在户用仪表领域有着十分广泛 的应用。目前在户用仪表领域应用比较广泛的总线技术有r s 4 8 5 ，仪表总线 m - b i l s ，l o i l w o r k s 总线等。【】 1 1 1r s 4 8 5 总线 r s 一4 8 5 即t i a e n - 4 8 5 a 标准，是c c i t t 标准化v 1 1 2 7 兼容的平衡式 电气特性标准。该标准采用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号， 在接收端用差分接收器进行信号判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此 抗干扰性能很好，信号发送频率最高可达1 0 m h z 。在使用双绞线为传输介质， 其传输速率小于l o o k b p s 时，最大传输距离可达1 2 0 0 米。r s 一4 8 5 支持半双工、 全双工通信，支持一点对多点、多点之间的相互通信，只需两根线便可双向通信。 其网络总线传输介质一般为双绞线，总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯 片而异，最多可接1 2 8 个节点。4 8 5 总线主要的特点是：结构简单，成本较低； 可连接节点数目较少，通信速率低，分支布线设计及施工难度大。 2 】 浙江人学硕士学位论文 1 1 2l 仰w o r k s 总线 l o n w o r l 岱总线技术是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月推出的全分布式智能 控制网络技术。其协议模型参考了i s o o s i 的参考模型，包含全部七层。它采用 了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。其通信 速率在3 0 0 b p s 1 5 m b p s ，直接通信距离最大可达2 7 0 0 米，其通信介质可采用双 绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外、电力线等多种通信介质。 l o n 吼k 通信协议是该技术的核心，该协议提供一套通信服务，使装置中的 应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无须知道网络拓扑、名称、地址 或其他装置的功能。该技术的特征使网络系统能扩展到数据组网技术无能为力的 一类应用中。控制系统和装置的制造商能通过在他们产品中组合l o n w o r k s 的设 计缩短开发和设计时间，从而做到低成本开发和不同制造商之间的装置能相互通 信。【3 】 l o n w o r k s 总线主要特点如下：开放性和操作性好；支持多种通信介质；支 持多种拓扑结构，包括支持对等式通信；可靠性高；通信距离远，容量大。但是 由于其开发和生产成本高，不易于维护等原因，该技术并没有得到广泛应用。 2 】 1 1 3m _ b u s 总线 仪表总线( m e t * b u s ) 是由p a d e r b o m 大学的h o r s t z i e 西c r 博士与t i 公司的 d e u t s c h l a n dg m b h 、t e c h 锄g i n b h 共同提出的一种总线结构，主要用于公共事 业仪表领域，如对用户家中的计量仪表( 以下简称“户用仪表”) 进行联网和远 程通信。 m - b u s 属于局域网( l a n ) ，是处于同一幢建筑、同一大学或方圆几公里远 地域内的专用网络。m 岫u s 协议参考i s o - o s i 参考模型，一定了一个四层结构的 开放性模型，只提供应用层、数据链路层、网络层和物理层这四个层次功能。 m - b u s 技术定义了一种主从式的通信结构，从站为远程监控计算机和工作站、测 量仪表等设备。通过远程访问的方式，实现了从站和主站之间资源共享和数据传 输，并在此基础上进行数据处理、存储，为分户计量、商业结算、子站管理等提 供所需的计需信息。【4 5 2 浙江大学硕士学位论文 m _ b u s 总线技术的特点是：采用二线制电缆；总线供电，不需额外电源；极 性无关，即无需区分双绞线的极性：拓扑无关，可按任意拓扑结构布线；可实现 3 0 0 一9 6 0 0 b p s 的半双工异步通信；距离远，可远传到几公里。 2 1 1 2 自动抄表系统 户用仪表领域的总线技术应用研究如火如荼，其中尤以自动抄表系统的研究 最为受人关注。 自动抄表系统( a u t o m a t i cm e t c rr 船d i n gs y s t e m a m r s ) 是近些年能源行业 出现的一种新型技术，它综合应用了计算机网络、通信和信息管理等技术。其主 要原理是通过数据采集设备统一采集用户家中的水表、电表、气表等各种计量仪 表的数据，经由各种通信手段，将这些计量数据传送到指定的能源管理部门的计 算机处进行统一管理。【6 】自动抄表系统的出现，取代了传统的人工上门抄表方式， 摆脱了人工抄表数据不准确、抄表周期过长、人力成本过高等缺点，大大提高了 抄表速度和准确度，保证了收费的合理性和准确性，极大地提高了能源管理部门 的现代化水平，提高了他们的工作效率和效益，促进了对能源产品的有效管理。 因此在能源越来越紧缺的今天，自动抄表系统的使用具有十分重大的意义。 1 2 1 系统分类 自动抄表系统按其管理的能源对象，可以分为水表、气表、电表和三表( 三 者合一) 自动抄表系统。自动抄表系统按照其通信传输介质，可以分为有线自动 抄表系统和无线自动抄表系统。有线自动抄表系统，顾名思义，即采用有线连接 方式作为传输介质，主要是采用电话线拨号、电力线载波通信进行远程通信( 即 管理中心主机到统一的数据采集器间的通信链路) 和m b u s 总线、4 8 5 通信等方 式进行近距离通信( 如用户家中仪表和小区中的集中器管理单元间的通信) 。无 线自动抄表系统是指应用了无线通信技术作为通信方式的自动抄表系统，包括采 用无线技术( 如g p r s 技术等) 进行远程访问、近距离通信。 3 浙江人学硕士学位论文 1 2 2 研究现状 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。在美国，自动抄表的 技术和设备已经形成一种新兴的产业。几十家著名的厂商组成了行业协会，即“自 动读表协会”( a m o m a t i cm e t e rr e a d i n g a s s o c a t i o n ) ，已进一步发展和推广a m r 。 目前世界上有几十家比较著名的a m r 技术设备公司，如i 仃o n m e t s c a i l ，m e 仃e 娥 a m e r i c a l l m e t e r 等。在国内，随着智能化小区建设、一户一表工程的推广，自动 抄表系统在很多大城市中也逐步推广开来了。 由于有线通信技术相对比较成熟，所以现有的自动抄表系统绝大多数都为有 线自动抄表系统。在欧洲，采用m - b u s 总线技术的有线自动抄表系统占据了自 动抄表系统的主流。在国内，起步较晚，其发展只有十来年的时间，曾尝试引入 欧洲的m - b u s 技术，但是遭到了失败，目前比较主流的是采用r s 4 8 5 总线方式 的自动抄表系统。】 对于无线自动抄表系统，目前国内外的研究主要集中在集中管理单元一管理 中心的远程通信方面，采用的技术是蜂窝移动通信技术即g p r s c d m a g s m 等 方式，己有很多公司推出了相应的应用解决方案9 ，1 0 】。但是，这种方式要租用频 段，购买相应的基站设备作为服务接入点，相对采用有线网作为骨干网的方案， 其成本高很多。而在集中管理单元一终端仪表间的近距离通信方面，国内外一直 停留在实验研究的阶段，究其原因，主要是技术上没有好的无线解决方案，无法 实现低功耗、低数据传输速率。 1 3 本文的选题意义 近几年来，能源供应日益紧张，因此如何控制能源的有效使用具有十分重大 的战略意义。自动抄表系统作为能源营业管理自动化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。】 4 浙江大学预十学位论文 由于目前国内应用的绝大多数系统采用的协议是户用计量仪表数据传输技 术条件( 国标) ，已有的各种编码式远传户用仪表也都支持这一协议【引。如果要 抛开这一切重新设计所有的软硬件，那将是一笔很大的成本。因此，如何最大程 度的利用已有的有线抄表设备( 包括用户端的测量仪表、总线网络、集中器、集 抄器和管理中心端的软硬件设备) ，同时又能解决有线自动抄表系统带来存在的 布线问题，这样的无线自动抄表系统有非常巨大的市场前景。 1 4 本文的主要内容 全文共分六个章节。 第一章为绪论部分。首先介绍了总线技术，以及目前在户用仪表领域常见的 几种主流总线技术。而后提出了户用仪表总线领域的热门应用研究一自动抄表系 统，并对自动抄表系统的分类、国内外研究现状作了介绍。最后归纳出本文的研 究意义和内容安排。 第二自动抄表系统的详细研究部分。首先分析了其结构、工作机制，对其通 信协议进行了详细的介绍、比较。 第三章为无线通信部分。介绍了无线通信技术的基本知识，并对近距离无线 通信的现状和已有的一些协议作了进一步的探讨，对其中的z i g b e e 技术从参考 模型、逻辑设备、拓扑结构等方面进行了较详细地介绍。 第四章为基于z i g b e e 协议的无线自动抄表系统方案设计。本章提出对集抄 器一终端仪表间通信部分进行z i g b e e 无线网络改造，采用簇树型拓扑结构，对 其网络中的协调器、路由器、终端节点的系统模块提出了设计方案，并对其网络 中的z i g b e e 协议和有线协议之间的兼容，提出采用协议封装的解决方案。 第五章为自动抄表系统软件设计部分。从已有的有线自动抄表系统软件设计 基础出发，给出了无线自动抄表软件的详细分析和设计。 第六章是结论与研究展望。对本文的工作进行总结和分析，并且提出若干进 一步研究工作的方向和方法。 5 浙江大学硕士学位论文 第二章自动抄表系统总体设计 摘要：本章对自动抄表系统进行深入的研究，对其组成部分、工作机制、传输协 议等作了较详细地分析。 2 1 系统组成 自动抄表系统总体结构划分为三大部分，即前端采集子系统、通信子系统和 管理中心子系统2 1 。这三个子系统既相互联系，密不可分，又有相对的独立性。 具体结构图如下图2 1 所示： 图2 1 自动抄表系统结构 前端采集子系统主要安装在用户家中，用于采集用户日常的能源消耗，并转 化为数字形式，以便接下来进行传输和处理。采集的方式分为本地和远程两种， 本地采集一般使用红外方式，抄表时操作人员到现场使用便携抄表微机在红外可 视的距离内非接触地读取数据，远程采集则需要对用户家中的计量表进行远程通 信，需要建立一个通信子系统。 通信子系统是连接管理中心子系统和前端采集子系统的通信信道，其主要设 6 浙江大学硕士学位论文 备包括集抄器、集中器、手抄机等。集抄器主要功能是根据系统要求完成与主站 的通信，将用户数据信息传送到中心处理子系统，一般采用电话网、因特网等骨 干网作为通信信道。集中器主要功能是与前端采集子系统中的户用仪表进行通 信，一般通过总线进行连接，集中器充当主设备。集抄器和集中器通过总线相连， 集抄器为总线中的主设备，集中器为总线中从属设备。手抄机主要功能是在现场 和集中器、集抄器交互，用于解决远程通信链路出现问题时的抄读。管理中心一 集抄器一集中器一户用仪表，这样的分层体系结构是目前通信子系统比较常见的 部署结构。 管理中心子系统主要由中心处理工作站以及相应的抄表管理软件构成，是整 个自动抄表系统的最上层。所有用户的信息包括用户注册信息、用户能源消耗信 息通过通信子系统都汇集到管理中心，进行统一管理、分析、处理。由于涉及到 的数据量很大，要求管理中心子系统的硬件具备一定的数据运算和存储能力，而 抄表管理软件则必须运行稳定可靠同时具备大量数据处理能力。抄表管理软件是 整个管理中心子系统的核心，一般具有如下功能：远程设定集抄器、集中器和户 用仪表内的参数，抄读整个系统中所有计量表的数据；远程控制用户计量表进行 通断开关；运行数据库，生成使用量日报、月报表，进行费用结算；提供查询管 理。 2 2 系统工作机制 当管理中心子系统的操作人员需要对系统中的某个户用仪表进行操作时，操 作员通过选中系统管理软件的拓扑节点，而后选择相应的操作类型。管理软件根 据选中的仪表编号，查询数据库表格，得到仪表的地址和其从属的集抄器呼叫号 码、集中器地址。管理软件首先检查是否已经存在连接的通信链路，若没有通信 链路，则拨号对应的集抄器呼叫号码；如果已经存在通信链路，则判断是否为需 要的通信连接。如果拨号连接请求发起的一定时间内，集抄器未返回连接成功， 则超时一次。如果超时一定次数，则操作失败。连接成功建立后，拨号操作的双 方都进入在线数据传送状态，此时集抄器会对接收到的数据转给总线网络上的集 中器。管理中心主机根据操作类型生成相应得抄读请求帧，并通过拨号建立的通 信链路发送到集抄器。集抄器收到帧后，通过总线( r s 4 8 5 总线、m - b u s 总线等) 7 浙江大学硕士学位论文 将数据发送给其下属的各个集中器。集中器收到该请求帧后，通过帧中的地址域 判断是否为其下属的户用仪表，如是则向下属的户用仪表通过总线传送能源和数 据，如若不是，则直接丢弃该帧。户用仪表获得能源后，接受到该请求帧，通过 判断帧中控制码产生对应的数据响应帧。数据响应帧通过总线以电流调制的方式 发送出去。总线上的集中器收到响应帧后，将其转发给上层的集抄器，同时切断 向户用计量仪表的供电电源。集抄器收到响应帧后，通过建立的拨号连接，向管 理中心发送数据，而后集抄器回复等待命令状态，抄读完成。 2 3 系统通信协议 2 3 1m - b u s 协议 m 岫u s 协议是建立在i s o 一0 s i 参考模型下，以便充分的利用现有大多数的网 络协议，使之成为一个开放的系统。但是其网络不是一个完整的网络参考模型， 只提供应用层、数据链路层、网络层和物理层这四个层次功能。其中物理层的功 能是提供一条“非结构外流”传送的物理通道，并为数据链路层提供建立、维护 和解除物理连接，物理层规定了主站和从站之间的物理接口的物理和电气特性， 负责物理媒体上信息的接收和发送；数据链路层的功能是在物理连接的基础上建 立、维护和解除数据连接，数据链路层以帧为单位传输信息，在每帧信息中附加 了许多协议控制信息( 如同步信息、地址信息用以寻址等) ，以保证数据传输的 一致性，采用的是i e c 8 7 0 标准；应用层是直接面对用户的一层，采用e n l 4 3 4 3 标准，定义了一些数据结构，主要功能是向用户提供服务，诸如读数据、写数据、 密钥设定等：网络层是不是必须的一个层，只在扩展寻址的时候用到。 m - b u s 协议物理层定义了一种主从式结构，主站一般为中央分配逻辑( c e n n a l 越l o c a t i o nl o 西c ) ，从站一般为终端仪表，采用两线制方式连接。 8 浙江人学硕士学位论文 图2 2m _ b u s 主从体系结构 主站到从站的数据传输从用电压调制的方式，在发送数据1 时，主站输出高 电平，发送数据o 时，主站输出低电平，从站通过比较收到数据后的电压和 静态电压，判断出数据是1 还是o ；而从站到主站之间的数据传输则采用 电流调制的方式，从站发送数据1 时处于低电流状态，发送数据o 时为高 电流，不发送数据则为静态电流值。 m - b u s 协议的数据链路层采用的是串行异步位传输模式，采用字符同步的方 式。对于数据传输的一致性，m b u s 采用的是i e c8 7 0 5 中海明距离为4 的f t l 2 格式类，该类定义了3 种格式的帧，分别为固定长度帧、可变长度帧和控制帧 其中控制帧相当于数据长度为3 的可变长度帧。 固定长度帧控制帧可变长度帧 名称 代码名称 代码名称 代码 帧起始符1 0 h帧起始符6 8 h 帧起始符 6 8 h 控制码 c 数据长度域 l = 3 数据长度域 l 地址域a数据长度域 l = 3 数据长度域 l 校验码 c s 帧起始符 6 8 h 帧起始符 6 8 h 结束符 1 6 h 控制码 c控制码 c 地址域a地址域a 控制信息码 c i 控制信息码 c i 校验码 c s 用户数据域 u s e r d a t a ( 0 - 2 5 2b y t e ) 结束符 1 6 h 校验码 c s 结束符 1 6 h 表2 1m b u s 协议的帧结构 其中，控制码标识各类功能和相应的操作，指定数据流动方向，如控制码0 8 表 示从站发送向主站的可变长度帧类型的请求帧。地址域为从站在总线结构中的唯 一标识。 m b l l s 协议的应用层定义了一些数据结构，其中从站回复的数据结构采用的 是e n l 4 3 4 3 标准，而主站对从站的请求帧中的数据结构则通过帧中的控制信息 域c i 规定。 8 2 3 2 户用仪表传输技术条件 虽然m - b u s 协议在技术上先进，该项技术一经引进便受到国内技术人员的重 9 浙江大学硕士学位论文 视甚至国家有关政策性部门的推荐，但由于其成本较高、应用技术复杂等原因， 并不符合我国仪表行业国情，历尽三年多的推广仍然难以得到广泛应用 7 】。因此 国内一些科研机构参考m _ b u s 总线技术，根据国内仪表行业的特点，起草了一份 自己的协议即户用计量仪表数据传输技术条件( 国标) ( 下文简称“户标”) 。 “户标”的物理层支持m _ b u s 物理接口、4 8 5 总线接口、无线收发接口、广电 收发接口。“户标”采用的是主从结构的半双工通信方式，其字节格式为每字节 含8 位二进制码，传输时加上一个起始位( o ) 、一个偶校验位( e ) 和一个停止 位( 1 ) ，共1 1 位。其字节传输序列如图2 3 所示，其中d o 是字节的最低位，d 7 是字节的最高位。先传低位，后传高位。 起始位8 位数据 校验位停止位 图2 3 字节传输格式： “户标”将帧格式统一为一种，具体结构如下表2 2 所示： 名称代码 帧起始符 6 8 h 仪表类型t a 0 地址域 a 7 控制码 c 数据长度域 l 数据域 d a t a 校验码 c s 结束符 1 6 h 表2 2 “户标”中帧的结构 其中地址域为7 个字节。数据长度( l ) 为数据域的字节数，用十六进制表 示。读数据时l 小于或等于6 4 h ，写数据时l 小于或等于3 2 h ，l 等于零表示 无数据域。数据域( d a l a ) 包括数据标识、序列号和数据，其结构随控制码的 功能改变。校验码( c s ) 为一个字节，从帧起始符开始到校验码之前的所有各 字节进行二进制算术累加，不计超过f f h 的溢出值。 1 0 浙江大学硕十学位论文 应用层定义了数据报文的格式，数据域的前两个字节为数据标识，类似于 m - b u s 协议中的控制信息域，用于指明数据域的数据结构。【9 】 2 3 3 两者之间的比较 总体上来说，m _ b u s 实现方式更加灵活，但是其处理机制也更加复杂，对系 统的要求也越高。如m _ b u s 标准采用多级寻址的方式，其地址域为一个字节长度， 可直接分配的最大连接从站仪表数目为2 5 0 个，当连接的从站数目超过2 5 0 个，可 通过可变长度数据域中的增强型识别码记录来扩展多级地址。“户标”中直接寻 址，其地址域由七个字节( a o a 6 ) 组成，每个字节为2 位b c d 码格式，最大寻址 范围为1 0 4 1 4 ，用户可直接赋值地址范围为1 06 1 0 。m - b u s 中地址域只占1 个字节， 比起“户标”中的固定7 个字节地址域占用空间省很多，对于从站数目较少通讯 量大的系统，这点尤为重要。但是多级寻址使上位机编程实现变得复杂，不像“户 标”中统一地址格式处理那么简单，造成设备成本较高，这是m _ b u s 协议在国内 推广遭遇失败的原因之一。 2 4 本章小结 本章简要的介绍了户用仪表总线技术领域的研究热点一自动抄表系统，介绍 了其系统结构和系统各个部分的功能，分析了其工作机制，并对其采用的数据传 输协议的国内外标准进行了对比分析。 浙江大学硕士学位论文 第三章无线通信技术 摘要：近几年来，无线通信技术越来越走入人们的视野，各种无线技术的产品层 出不穷。本章对无线通信进行简要介绍，对其中的热门技术一z i g b e e 技术进行 了多方面的探讨。 4 1 无线技术研究 4 1 1 无线通信的定义和分类 无线通信，顾名思义，是不借助有线传输媒介，而通过电磁波在空间传播来 传递信息的通信方式，其主要特点是广播性、信道随时间空间变化、传输距离有 限、多个信号相互影响。无线通信网络技术，即采用无线通信的方式作为信息传 递方式的网络技术。无线通信网络技术按其主干网的结构方式可以分为有基础设 施网和无基础设施网，按其传输距离的远近又可以划分为远程无线通信网络技术 和近距离无线通信网络技术，g p r s 、c d m a 、w i m a x 等属于远程无线通信网络 技术，蓝牙技术、w i 。f i 等属于近距离通信无线通信网络技术。 4 1 2 无线通信系统网络结构 无线通信网络技术，即采用无线通信的方式来组建网络。无线通信网络系统 按照起骨干网的网络结构分为有基础设施网和无基础设施网。有基础设施网络， 是对有线通信网的一种扩展，在这种网络中，仍然采用有线网做骨干网，无线通 信设备需要连接到特殊的无线有线转接节点才能接入到骨干网中，一般为基站 ( b s ) 或接入点( a p ) 。b s a p 负责覆盖区内的移动节点通过一个或多个传输信 道接入网络，它必须被预先规划、设计和布设。典型的基础设施网络有：蜂窝移 动通信、集群移动通信、无线局域网( 8 0 2 1 1 ) 等。其结构图如下所示： 1 2 浙江大学硕士学位论文 图4 1 有基础设施网络结构l 2 0 】 无基础设施网络结构也称自组织网，是由多个移动节点组成的多跳无线网络， 它与有基础设施网络的最大区别是不需要预设的基础设施( b s a p ) 。这些移动节 点处在一个局部区域内，每个节点都具备路由器的功能，可以通过存储转发技术 帮助其他节点构成通信链路。由于其网络的组织是临时的、按需的、自动的，导 致无控制中心，因此必须采用分布式的控制方式。无基础设旌网络结构适用于要 求临时、快速组网的情况，如军事领域、灾难救助等。3 其结构图如下所示： 移动终端 图4 2 无基础设施网络结构1 2 0 】 1 3 浙江大学硕士学位论文 4 1 3 近距离无线通信网络技术 近几年来，远程无线通信技术得到迅猛发展，从1 9 8 6 年爱立信公司建立的 第一个公用移动数据通信网以来，到现在第三代移动通信技术3 g 在中国迅猛兴 起，不过二十年左右的时间。而与之同时出现的近距离无线通信网络技术则发展 相对缓慢，直到近十年，随着无线多媒体业务的不断发展，近距离无线技术才进 一步得到了发展。近距离无线通信网络技术主要特点有：使用无须授权的免费开 放频段；覆盖范围较小，一般几米到几百米；数据传输速率高于远程通信网络系 统( 如g p r s 等) ；为自组织网络，但一般不支持网络内节点的高速移动；往往为 一个单位拥有的专用网络，站点数目有限。 目前近距离无线通信网络技术领域，主流技术有w 卜f i 、b l u e t o o t h 、z i g b e e 等。w i f i 技术是近距离通信的先驱，于1 9 9 2 年9 月正式定案，它包括8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 两个标准，后来又加入8 0 2 11 9 。蓝牙技术b l u e t 0 0 t h 诞生于1 9 9 4 年，是爱立信公司e r i c s s o n 为手机与附件间的通信开发一种低功耗、低成本的 无线接口技术，该技术获得了p c 行业业界巨头的支持，但一直难以推广开来， 究其原因，主要是在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、 信息安全难以保证等。z i g b e e 则是近两年才推出的一种无线通信解决方案，它 是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，采用了8 0 2 1 5 4 规范的数据 链路层和物理层标准，是一种低成本、低功耗( 工作电流微安级) 、低复杂度、 低数据传输速率( 2 5 0k b p s ) 、工作在2 4 g h z 和8 6 8 9 2 8m h z 的无线技术，可用 于星型、对等、网状网络。这三种技术的具体对比如表4 1 所示： 种类 z i g b e e 蓝牙w i f i 单点覆盖距离1 0 2 0 0 米1 0 米5 0 米 网络扩展性自动扩展无无 电池寿命数年数天数小时 复杂性简单复杂非常复杂 传输速率 2 5 0 k b p s 1m b p s 1 1 1 m b p s 网络节点数6 5 0 0 0 8 5 0 联网所需时间 3 0 毫秒 f f d 3 一 f f d 4 f f d 5 f f d 6 ，则将数据 帧置入缓冲区，等待目标节点超时唤醒查询。 4 5 本章小结 本章对无线自动抄表系统作了初步研究，提出了一种利用原有有线骨干网的 无线抄表系统设计方案。采用簇树型拓扑，给出了节点部署的方法，给出了改造 后网络中的终端设备、集中器设备的软硬件模块设计，给出了协议兼容的解决方 案，并给出了一个无线抄表系统的应用方案设计。 3 3 浙江大学硕士学位论文 第五章无线自动抄表系统软件设计 摘要：自动抄表系统软件为自动抄表系统的信息管理软件，是实现抄表管理自动 化的最直接的体现，也是管理中心的核心部分。它涉及的主要内容有数据库技术， 串口通信技术等。本章给出了一个水表无线自动抄表系统的管理软件设计、实现 实例。 5 1 数据库模块 5 1 1 数据库设计 根据自来水公司日常的业务流程，可得到如下的数据库任务目标： ( 1 ) 维护关于客户的资料 ( 2 ) 维护关于各种水表的资料 ( 3 ) 维护水价的资料 ( 4 ) 实现系统用户的资料维护 ( 5 ) 实现对集抄器资料的维护 ( 6 ) 实现对集中器资料的维护 ( 7 ) 实现对水表和集中器、集抄器之间关系的维护 ( 8 ) 实现对用户用水量信息的管理 ( 9 ) 维护客户的账单 ( 1 0 ) 实现数据库的日志管理 5 1 1 1 数据库实体关系图 从数据库的需求和任务目标，可得系统中的客观实体包括用户、户用计量仪 表、集中器、集抄器、系统操作人员。各个实体的属性和相互关系如下图所示。 3 4 浙江大学硕士学位论文 图5 1 数据库实体关系图1 7 】 集中器实体包含总线地址、安装地址、z i g b e e 地址等属性，总线地址是集中器 在总线网络中的唯一的通信地址，z i g b e e 地址是集中器中协调器模块在无线网络 中的唯一通信地址。集抄器实体包括通信地址、安装地址、呼叫电话等属性，其 中呼叫电话是服务端访问集抄器时拨号的号码，总线地址是集抄器在本地总线网 络中的唯一的通信地址。客户实体包括客户编号、客户名字、证件号码、电话号 码、手机号码、联系地址、邮编、e m a i l 等属性，其中证件号码机即为唯一的身份 证号码。户用水表实体包括总线地址、机械编号、安装地址、用水人数、z i 班e e 地址等属性，其中总线地址为仪表在本地总线网络中的唯一的通信地址，z i g b e e 地址为户用水表z i g b e e 模块在无线网络中的唯一通信地址。系统用户实体包含用 户i d 、用户密码等属性，用户i d 属性为用户在系统中的唯一的标识。 客户和水表之间存在多种对应关系，首先是拥有的关系，一个水表必定属于某 一个用户，其次客户使用计量仪表，产生能源消耗，以及随之而来的费用，而客 户可能拥有不只一只水表，所以这些关系是1 ：n 的对应关系。在分层结构的自动 抄表系统中，计量仪表可能直接连接在集抄器管理之下，也可能连接在集中器之 下，而集抄器集中器管理多个计量仪表节点，因此这个从属关系也是1 ：n 的对应 关系；集抄器是集中器的集中管理单元，两者之间的对应关系是1 ：n ；系统用户 管理整个系统数据库的所有表单，而系统中存在多个用户，因此用户对整个系统 3 5 浙江大学硕+ 学位论文 中的各个实体都是n ：n 的对应关系。 5 1 1 2 数据库表设计 l 、数据库实体表 依据数据库实体清单可得数据库初级表清单1 8 1 ，实体的各个属性为数据表中 的各个数据项。 为了便于数据库排序、统计和管理，考虑给水表资料表中添加水表编号数据 项，并作为主键，并给除系统用户资料表外的每张表添加操作日期项，记录表最 近一次的修改的时间；给客户资料表添加客户编号数据项，并作为主键；对集中 器和集抄器添加编号项，作为主键。对比集抄器和集中器资料实体可以发现，两 者之间属性有很大的相似性，为了减少系统信息的冗余，所以可以将将这两个实 体的初表融合成一张表，其数据项包括集抄( 中) 器编号、总线地址、安装地址、 呼叫电话、z i g b e e 地址，其中集抄器地址、呼叫电话必须有一个非空。集抄器 地址非空为集中器，呼叫电话非空为集抄器，两个都不空表示有一个集抄器、集 中器，从属于某只集抄器的集中器和该集抄器含有相同的呼叫号码。 经过以上调整，数据库表格如下： ( 1 ) 水表资料表( m e t e r ) ，包含数据项：水表编号，总线地址，机械编号， 安装地址，用水人数，最大读数，z i g b e e 地址，操作日期。 ( 2 ) 客户资料( c u s t o m c r ) ，包含数据项：客户编号，客户姓名，客户证 件号码，客户电话号码、手机号码，客户联系地址，邮政编码，e m a i l 地址，开户同期，操作日期。 ( 3 ) 系统用户( s t u f f ) ，包括数据项：用户i d ，用户密码。 ( 4 ) 集中抄器资料( j c q ) ，包含数据项：编号，总线地址，安装地址， 呼叫电话，z i g b e e 地址，操作日期。 2 、数据库实体间关系表 根据数据库实体建立数据库初表后，需要在此基础上，利用实体间的关系修 改或者新建表单，以反映实体间的联系，减少数据库中的数据冗余。 仪表实体和客户实体之间存在拥有和被拥有的关系，仪表实体和集抄器、集 中器实体之间存在从属关系。为了在网络结构中反应这些关系，将客户资料表中 的客户编号、客户名字和集中抄器表中的集抄中器编号等主键作为外键添加到 3 6 浙江大学硕上学位论文 水表资料表中。调整后的水表资料表( m e t e r ) 包含以下数据项：水表编号，客 户编号，集抄器编号，用户姓名，总线地址，机械编号，安装地址，用水人数， 最大读数，z i g b e e 地址，操作日期。 对于客户和水表之间的能源消耗关系，主要表现为用水，因此需要记录用户 的用水量信息，以便生成用户帐单。根据水表行业的业务流程，需要记录水表信 息、客户信息、用水量信息、用水的时闯、历史读数等，可定义如下的数据项： 水表编号、客户编号、用水的年份、月份、累积总用水量、本次的月读数、本次 抄读时间、上次抄读时间、上次月读数、抄读失败次数、操作日期等。由于系统 用户可能一个月会进行多次的抄读，所以用水量信息记录会有很多条，但是用户 一个月只能进行一次结转，结转后的用水量信息入库不可更改，所以需要两张表 来分别保存用户未结转用水量表( t c m p w a t e r lt s a g e ) 和结转后的用水量信息 ( w j t e r u s a g e ) 。 结转后生成用户的账单，账单生成还需要获知具体水价信息，需要设定水价 信息表。在一定计划使用量范围内的水价是计划内正常水价，超出定的使用量 后需要设置更高的价格。另外需要设置透支额、交款期限等一些辅助信息。具体 水价资料表( w i t e r p r i c e ) 的数据项如下：水价编号( 主键) ，计划用水量1 ，计 划用水量2 ，允许透支额，计划内费率，计划外费率1 ，计划外费率2 ，日赔利率， 交款期限，操作日期。 通过对用户的用水量信息表进行结转，可得客户应付售水账单表 ( s a l e u l b i l l ) ，账单必须包含明细信息，要清晰地记录客户用水量读数，抄读时 间，罚金，总金额，应付款日期，截至日期等。具体数据项设置如下；帐单编号， 水表编号，客户编号，用水量，本次( 月) 读数，上次读数，金额，售水日期，截 至日期，缴费日期，罚款，总金额，操作日期。在客户交钱之后，需要将账目数 据入库，以便日后财务结算之用，所以还需定义一张己付账单表( s a l e b i l l ) 。 另外，由于客户的水表可能会因为故障等原因进行更换，为了保证数据库中 用户水表资料的一致性，需要对水表的更