（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网的嵌入式抄表系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，家庭仪表的用途越来越广泛， 电表、水表、气表大量地出现在人们的生活中。同时，这些仪表的抄录工作也变 得越来越烦琐，工作量越来越大，传统的抄录模式己很难满足社会发展的要求。 计算机和通讯技术的发展，使抄表自动化已经成为现实，各种各样的自动抄表系 统不断涌现，它们不仅替代了烦琐的手工劳动，而且为提供更多忧质服务奠定了 技术基础。电力线自动抄表系统等通用型自动抄表系统得到了广泛应用，但是由 于我国低压电谐波多，干扰大，导致上述系统存在抄收不稳、抄收效率低的问题。 针对通用型自动抄表系统在应用中存在的问题，本文设计了基于以太网的嵌 入式远传自动抄表系统。这是一种全新的远程自动抄表系统，本系统以以太网为 远程自动抄表传送平台，并将嵌入式微处理器应用在系统中。 本文首先介绍目前几种常见的自动抄表系统。分析它们各自的特点，然后重 点介绍以太网抄表系统及其控制器的设计。第一章介绍国内外自动抄表技术的发 展状况；第二章简单地介绍了目前几种常见的远程自动抄表系统，并对它们各自 的性能、特点和适用场所进行了分析比较；第三章详细地讨论了以太网的实时性 和可靠性；第四章和第五章详细介绍以太网抄表系统中采集控制器的设计，分为 硬件和软件两方面，对采用的微处理器( a r m 芯片) 和嵌入式操作系统( u c o s i i ) 也都有详细的介绍。最后，第六章分析了本系统的性能以及抄表技术今后的发展 趋势。 本系统稳定性和可靠性高，满足了现代物业运营和管理多方面的需求，大大 提高了经济效益和运行效益，具有广泛的实用性和市场价值。 关键词：自动抄表，以太网，a r m ，u c o s i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 黝t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e t sl i v i n g s t a n d a r d s ，h o u s em e t e r s ，s u c ha sa m m e t e r , w a t e rm e t e ra n dg a sm e t e r , a r eu s e dm o r e w i d e l y a tt h es a m et i m e ，r e a d i n gt h em e t c r sh a sb e c o m eam a s sa n dt r o u b l e s o m e w 0 r k t r a d i t i o n a lw a y sn ol o n g e ra d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n ym o r e h o w e v e r , w i t l lt h eh e l po fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i t s p o s s i b l et or e a dm e t c fa u t o m a t i c a l l y a l lk i n d so fa m r ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n 幻 s y s t e m sc o m et oe x i s t e n c e ，w h i c hn o to n l ys u b s t i t u t et h em a n n a lw o r kb u ta l s o e s t a b l i s ht h eb a s ef o rb e t t e rs e r v i c e t h u sa u t o m a t i cm c t c rr e a d i n gs y s t e mo fe l e c t r i c a l p o w e rl i n e a sap o p u l a rt y p eh a sb e e np u ti n t ou s e w h e r e a s ，o w i n gt ol a r g e h a r m o n i e sa n dd i s t u r b a n c e si nl o we l e c t r i c a lp o w e rv o l t a g ee x i s ti no i l l c o u n t y c o m m o n l y , w h i c hc a u s et h es y s t e mm e n t i o n e da b o v er u n n i n gu n s t a b l ya n di nl o w e f f i c i e n c y t os o l y et h ep r o b l e mo ft h i sc o m m o nm e t e rr e a d i n gs y s t e mi na p p l i c a t i o n ，t h e p a d e rd e s i g n e da na u t o m a t i cm e i e rr e a d i n ge m b e d d e ds y s t e mb a s e do ne t h c r u e t 1 1 l i s s y s t e mi sat o t a l l yn c wa m r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 。u s i n ge t h e r u e ta s i t sp l a t f o h nt ot r a u s f e rd a t ai ni o n gd i s t a n c e ，a n de m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ri su s e di n t h i ss y s t e m t h i sp a d e ri n t r o d u c e ss o m ef a m i u a ra m r s 驿t e m s ，a n a l y z e st h e i rc h a m c t e r i s t i e s a tf i r s t a n dk e e p se m p h a s i so nt h ed e s i g no fc o n t r o l l e rb a s e do ne t l i e r u e ta m r s y s t e m c h a p t e r1i n t r o d u c e st h es t a t u so fa m rt e c h n o l o g yn o w a d a y s c h a p t e r2 i n t r o d u c e ss o m ef a m i l i a ra m rs y s t e m s a n a l y z e st h e i rc h a r a c t e r i s t i e sa n de f f i c i e n c y c h a p t e r3i n t r o d u c e st h es t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i h t yo ft h ee t h c r u e t c h a p t e r4a n d5 d e s c r i b et h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e ri nd e t a i l b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e n em c u u s e da n de m b e d d e ds y s t e me s t a b l i s h e da r ea l s oi n t r o d u c e dd e t a i l e d l y l a s tc h a p t e ri s t h ee n d ，w h i c hd e p i c t st h ed i f f i c u l t yi no u ra m rs y s t e ma n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t o f a m rt e c h n o i o g y a sw ee x p e c t e d ，t h i ss y s t e mh a sah i g hs t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y , m e e t i n gt h e d e m a n d so fm a t e r i a lr u n n i n ga n dm a n a 舀n g , g e t t i n gm u c he c o n o m i cb e n e f i t sa n d r u n n i n gb e n e f i t ，a n dh a v i n ge x t e n s i v ep r a c t i c a b i l i t ya n d m a r k e tv a l u e k e yw o r d s ：a m r ，e t h e r u e t ，a r m ，u c o s - i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的交叉和综合发展，人 们进入了高度发达的信息时代。在这样的背景下，八十年代诞生于美国的自动 抄表a m r ( a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n g ) 技术在世界各地得到了迅猛的发展，它 已经成为一门新兴的产业。国外出现了不少生产a m r 系列产品的厂商，比较著 名的有i t r o n 、m e t s c a n 、b n s c a n 、m e t r e t e k 、b a d g e rm e t e r 、a m e r i c a nm e t e r 、 d a t ab e a n 、h e x a g r a m 等。随着全球范围内公用企业经营市场化的发展，人们 对a m r 技术的研究也越来越深入，美国于1 9 8 6 年就成立了自动抄表研究协会 a m r a ( a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n ga s s o c i a t i o n ) ，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 ( e u r o p e a u t o m a t i o nm e t e r r e a d i n g a s s o c i a t i o n ) 和英国自动抄表技术协会u k a m r a ( u i ca u t o m a t i o n m e t e rr e a d i n g a s s o c i a t i o n ) 也相继成立。与此同时，国际电工协会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r i c i a n c o n f r a t e r n i t y ) 的t c l 3 和t c 5 7 两大标准化组织在其标准体系中都为a m r 系统制 定了相关的标准。各种形式的a m r 系统，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 。 1 2 国内外发展现状 8 0 年代中期以来，美国在a m r 技术的开发和应用上就已取得了长足的进步， 9 0 年代中期自动抄表技术应用已成规模：美国匹兹堡市的d u q u e s n e 电灯公司 于1 9 9 8 年已实现在其供电的8 0 0 k m 2 区域内5 6 60 0 0 个电能表上安装自动抄表系 统；对西雅图和奥林匹亚供电的p s e 公司约有1 5 0 万个电能表，1 9 9 9 年已完成 8 3 00 0 0 单元自动抄表装置的安装。根据a m r a1 9 9 9 年的s c o t t 报告，美国已 安装和投用抄过1 0 0 万单元自动抄表系统的电力公司有a m e r eu e 公司、p r e p a 公司、n s p 和p e c o 公司。问卷调查还表明自动抄表系统在北美电力公司中4 5 已安装，1 6 在试点，2 3 已列入计划。 欧盟各国都有自动抄表实施的报告。例如，英国1 9 9 8 年就已经实现对大约 9 万用户的电量进行数据采集。比利时i n t e r t e c t r a 公司在1 9 9 7 年就己用 s i e m e n s 的s e m m s 系统对30 0 0 用户自动抄表”。 此外，拉美和同本也有自动抄表应用的报导。如今，在美国、加拿大、开 武汉理工大学硕士学位论文 本和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄 表，尤其是煤气表的自动抄表，已经相当普及。 在国内，虽然我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。 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。经 过十几年的发展，a m r 技术已经在我国得到了广泛的应用，对a m r 技术和, a $ t r 系统的研究，已成为各川r 系统生产企业和科研机构竞相追逐的热点。1 。到今 天，自动抄表系统已经由当初的研究转到商业用途，已经有不少的厂家提供这 方面的产品，华力集团、万胜电力仪表公司、杭州奥特电力电子有限公司、华 电总公司特瑞电力设备公司等均对自动抄表系统的开发大量投入。中建部已经 正式推出了三表远传标准，这标志着国内抄表行业正走向规范。但是目前自动 抄表系统还不是很成熟，不是很完善，因此，参照国内外的发展状况，结合客 户和环境的要求，因地制宜地设计并实现自动抄表系统具有很大的社会价值和 经济价值。 1 3 论文研究的意义 目前三表一般通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 或低压电力线载波进行组网通信，实现远 程自动抄表功能，存在数据传输速度慢，可靠性低，数据传输协议标准不统一 的弊端。另外自动抄表系统在其控制器的实现中，硬件平台一般基于1 6 位单片 机，软件实现大多采用单流程循环控制方式，导致系统存在以下缺点；运算能 力差，难以完成较复杂的控制算法；硬件平台依赖性强，不利于应用软件的开 发、升级与移植。针对自动抄表这样一个较复杂的控制系统，在缺乏有力的多 任务调度机制的情况下，应用软件不仅实现难度大，且可靠性难以保证，分布 式多任务处理能力差，网络化、智能化支持难以适应长远发展的需要。 以太网和嵌入式u c o s i i 操作系统的完美结合可以很好地解决上述问题。 采用以太网进行远程抄表有以下优点：数据传输速度快，且可靠性高，可以利 用标准的通信协议，便于对三表进行组网通信。u c o s i i 不仅源代码免费开放 和拥有世界范围内广泛的技术支持，而且具备多硬件平台支持，核心代码效率 高、代码量小，系统稳定性和可靠性高，是一种多用户、多任务网络操作系统。 本课题的提出和完成，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：采用以太网和 嵌入式u c o s i i 操作系统相结合的方式。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。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 本文根据以太网传输原理，运用嵌入式系统移植和编程技术，设计了一个 基于以太网的嵌入式自动抄表系统。具体内容如下： 第一章简要介绍国内外自动抄表技术的发展历史和现状，以及课题研究的 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，并对常见的几种远程 自动抄表系统的特点进行比较： 第三章对以太网的实时性和可靠性进行了详尽的分析，并提出了提高实时 性和可靠性的方法； 第四章介绍了a 跚体系结构，并详细地介绍了采集控制器的硬件设计； 第五章详细介绍了嵌入式实时操作系统u c o s - i i 的移植，以及抄表系统软 件设计； 第六章分析了以太网抄表系统的性能，对以后自动抄表系统的发展趋势也 作了阐述。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章远程自动抄表系统 2 1 远程自动抄表系统的基本组成 自动抄表系统发展到今天，已经形成了“f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 构 架、嵌入式单元”的鲜明特点。抄表技术的核心就是数据的采集和传输，因此 抄表系统就是一个整合了各仪表数据的通讯系统，同时融合了测控和软件技术。 自动抄表系统a m r s ( a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 结构一般由计 量表、数据采集器、传输控制器、抄表系统中心计算机四级构成。a m r 系统中 仪表数据与控制信号传输的路径称为通信通道，可分为上行通道和下行通道。 上行通道指的是上层传输控制器与管理中心计算机之间的远程通信线路，其主 要通讯的方式有；公用电话网、电力线、无线g p r s 或g s m 、以太网；下行通 道是指数据采集器与传输控制器之间的通信线路，由于底层通讯不断地吸收通 讯领域和现场总线技术的通讯方式，技术种类多种多样，目前主要有：r s 4 8 5 总线、c a n 总线、l o nw o r k s 总线、短距离射频无线等。根据自动抄表系统的 功能，可以将它看成一个数据采集和数据通讯系统。如果将远程的数据传输看 作上行通讯，近端的数据传输看作是下行通讯，远程自动抄表系统的结构图如 图2 1 所示。 图2 - 1远程自动抄表系统的结构图 武汉理工大学硕士学位论文 计量表：指用户使用的仪表，一般为数字式或者具有数字接口的仪表，主 要有电表、水表、煤气表。对于这些具体的表块，我们可以抽象为测量点，针 对不同的测量点采用不同的终端通讯设备。 数据采集器：负责采集测量点数据，并根据协议处理、封装、存贮结果， 同时将得到的结果送至传输控制器：与此同时数据采集器还接受传输控制器转 发抄表中心的各种操作命令。采集器既可以做成一表专用型，也可以做成多表 通用型。前者只能采集、存贮某一具体计量表的数据，后者则可以同时采集、 存贮多块计量表数据。 传输控制器：主要完成两项任务：一是完成与数据采集器的数据传输功能， 定时或实时抄录采集器内计量表的数据，并将数据存储在存储器内，供管理中 心计算机随时调用。二是根据系统要求完成与管理中心计算机的通信，将用户 仪表数据等传送到管理中心数据库中。 抄表系统管理中心：管理中心的p c 机运行抄表系统软件，负责系统的一切 运行，如读取表的数据，处理、显示、存储、打印数据。管理中心计算机具有 查询、管理、广播校时、费用结算、票据打印、统计报表、实时收费等功能。 2 2 几种常见的远程自动抄表系统 远程自动抄表系统有两个特点：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：一方面要求能将数据及时准确地传送，确保通信的实时性和安全性； 另一方面要有较强的抗干扰能力，而成本又不能太高。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。下面对国内常见的远程自动抄表系统所采 用的通讯方式进行分析。 2 2 1 公众电话网自动抄表系统 公众电话网p s t n ( p u b l i cs w i t c h t e l e p h o n e n e t w o r k ) 自动抄表系统利用电 信系统铺设好的公共电话网作为载体，只需在终端仪表和抄表中心服务器上安 装调制解调器( m o d e m ) ，就可以利用电话网进行数据传输，其通信速率可达 2 4 k p s 、9 6 k p s 甚至5 6 k p s ，它是最早出现的远程自动抄表系统。 采用公众电话网的远程自动抄表系统的工作流程为：抄表中心计算机发出 数据接收指令，通过m o d e m 拨号上网将指令发给数据集中器，数据集中器根据 武汉理工大学硕士学位论文 指令选择接通电路。接通电路的仪表数据通过数据采集器，由专用m o d e m 汇集 到数据集中器，然后通过公众电话网返回给抄表中心计算机。公众电话网自动 抄表系统的结构图如图2 2 所示。 图2 - 2 公众电话网自动抄表系统的结构图 公众电话网自动抄表系统最大的优点是采用现有的电话网，不必另外投资 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。公众电 话网抄表的技术已经比较成熟，信号的传输比较稳定，传输误码率低，抗干扰 能力较强，而且每个数据集中器的地址不同，确保了数据通讯的准确无误。 这种方式的主要缺点是：线路的连通时间较长，需要几秒甚至几十秒；数 据传输速率较低，不适用于需要频繁抄送数据或者数据较大的系统；受限于电 话网的铺设场所，应用的地区有很大的局限性；抄表中心的计算机频繁的拨号 读数形成了对用户的“电话骚扰”，因此在实际应用中电话抄表方式易受到用户 抵制而不易推广，随着新技术的出现，使用该技术的远程自动抄表系统的应用 已越来越少。 2 2 2 电力线载波自动抄表系统 电力线载波p l c ( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 是电力系统特有的通信方式，是指利 用现有电力线，通过载波方法将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力线 载波自动抄表系统采用电力线载波通讯技术，通过输出电路来实现数据通信。 其： 作原理是将仪表终端的数据通过采集设备调制后，通过电力线传送，中心 武汉理工大学硕士学位论文 控制站在接收端将其还原成数据信号，进行调制接收，实现双向通讯【4 1 。电力 线载波远程自动抄表系统的结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 电力线载波远程自动抄表系统基本结构 由于使用电力线作为载波信号的传输载体，电力线载波自动抄表系统无需 布线和支付数据传输的费用，而且具有通信线路不易破坏，无需维护，路由合 理，等特点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相应 的器件和产品。 但目前在我国，电力网污染比较严重，在很大程度上影响了电力线载波的 数据传输质量。简单地说，影响电力线载波传输质量主要有两个因素：一个是 电力网络的阻抗特性及其衰减；另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号 的传输距离，第二个因素决定着数据传输的质量。正是这些技术难题使得电力 线载波技术在传输距离和准确性方面难以实现突破，导致自动抄表系统很难真 正地在国内推广应用，目前只有一些试点。 2 2 3 无线自动抄表系统 前面介绍的两种远程自动抄表系统，无论是以公众电话网作为传输媒介还 是以电力线作为传输媒介，它们都有一个共同点，就是需要依靠事先铺设的物理 线路。对于一些无法铺设物理线路的区域来说，这两种方法并不适合。随着无 线通信技术的快速发展，人们开始将无线通信技术引入到远程自动抄表系统中 柬。 无线通信是一种广域通信手段，不需要铺设物理线路，以双工方式工作， 适_ i 丰i 于分布范围比较广、比较分散的终端。目前在我国研究比较多的无线远程 自动抄表系统有两种：一种是基于射频通讯方式的无线自动抄表系统；另一种 武汉理工大学硕士学位论文 是基于g s m g p r s 网络的无线自动抄表系统【5 】a 下面分别介绍这两种无线抄表 系统。 1 基于无线射频方式的无线自动抄表系统 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的工作流程为：管理中心计算机控 制无线射频设备发出呼叫命令，各仪表、数据集中器收到命令后进行地址对比， 如果与自己的地址相符则发出应答信号，完成数据链路的建立，进行数据通讯 【6 1 。基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的结构图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的结构图 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统利用现有负荷控制系统资源，节约 资金投入，实现自动抄表，同时通过网络连接实现真正的营销抄、核、收一体 化，其主要优点有： ( 1 ) 不受环境限制，不需要额外铺设专用线路和其他专用通讯设备，节约了 成本； ( 2 ) 数据采集器可以采用中继技术覆盖广阔范围的仪表设备： ( 3 ) 安装调试方便，设备现场仅需安装无线射频模块的仪表终端，方便施工。 使用无线射频的通讯方式，其主要缺点有： f 1 ) 需要申请频率范围的使用权，如果频率选择不合理，相邻两个信道会产 生相互干扰； ( 2 ) 无线信道易受电磁波的干扰，在强电、强磁环境下传输误码率较高： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 表记改造和无线模块费用较高，导致设备及安装成本提高； ( 4 ) 数据传输速率一般，尤其是小功率无线模块的通信速率，只有6 0 0 b p s 或1 2 0 0 b p s ； ( 5 ) 无线通讯的距离受射频模块的发射功率影响，如果距离过长，可以采用 中继器的方法解决，但增加了数据的延迟【7 】。 所以这种通信方式的使用场合有一定的限制，多用于大用户电力负荷的无 线点监控及用电管理系统中。此外无线远程自动抄表系统还需要符合我国电力 部标准“d l ，i 引5 1 9 9 7 通讯公约”。 2 基于g s m 网络的无线抄表系统 全球性移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是 e t s i 开发的用于整个欧洲的公共移动电话网络标准，现已被世界上绝大多数国 家采用。由于它是一个开放的系统，允许多种不同设备的接入，因此，它是目 前全球覆盖区域最广的公共移动电话系统。 利用g s m 网络实现远程自动抄表系统可以采用两种方式，一种是短消息 s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 方式；另一种是通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 方式。无论是s m s 还是g p r s 都是g s m 网络所提供的 一种服务。 基于短消息方式的远程自动抄表系统 基于短消息方式的远程自动抄表系统就是利用电信部门提供的s m s 功能实 现仪表数据的远距离传送，只需将具有s m s 服务功能的g s m 模块装到每一只 仪表和管理中心计算机上，就可以实现远程无线抄表。在实际抄表过程中，由 管理中心计算机发送抄表命令，抄表命令被封装成短消息格式发给远端仪表或 是数据集中器，远端仪表或是数据采集器再把相应的仪表数据以短消息的格式 返回给管理中心计算机，从而完成抄表过程。基于短消息方式的远程自动抄表 系统的结构图如图2 - 5 所示。 基于短消息方式的远程自动抄表系统具有以下几个优点： ( 1 ) 系统结构简单。系统由主站和抄表终端两部分组成，利用现有的g s m 网络，不需要额外的设备，也不受时间、空间的限制。 ( 2 ) 安装、维护运行方便，对有线网络依赖少。系统安装比较方便，只要在 设备仪表附近安装带g s m 模块的数据采集装置即可。此系统基本不需要任何 维护工作。 f 3 ) 覆盖范围广。只要在g s m 网络能覆盖到的范围内，都可以快速地建立 一个远程自动抄表系统。 q 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 运行成本低。只需支付短消息费用，无需支付其它运行维护费用。 图2 - 5 基于短消息方式的远程自动抄表系统的结构图 采用短消息方式通讯有几个缺点： ( 1 ) 短消息的实时性较差，传输数据量小。每个短消息的长度最多为1 6 0 个 7 b i t 字节或1 4 0 个8 b i t 字节。 ( 2 ) 短消息服务中心为每个用户开设有限的缓冲区，当缓冲区存满而接收用 户还不能正常通信时，将不再接收新的短消息，即发生短消息拥塞，造成短消 息丢失。 ( 3 ) 短消息在中心服务器中的保留时间也有一定的期限，如果超过这个期 限，短消息将被丢弃【8 1 。 基于g p r s 方式的远程自动抄表系统 基于g p r s 方式的远程自动抄表系统是利用运营商提供的g p r s 业务实现 仪表数据的远程抄送。在整个系统中，需要在每一个终端仪表或是数据采集器 上配备一个g p r s 模块，当仪表或者数据采集器需要和远程控制中心通讯时， 只需将数据封装成球包交给相应的模块发给g p r s 网络，远程控制中心可以通 过i n t e r n e t 或者同样的g p r s 模块接收到远端仪表所发送的数据信息。基于 g p r s 方式的远程自动抄表系统结构图如图2 - 6 所示。 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 基于g p r s 方式的远程自动抄表系统结构图 g p r s 是基于g s m 网络的一种应用服务，是对目前g s m 网络的补充。与 原有的g s m 业务相比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优 势： ( 1 ) 传输速率高。通过多个g s m 时隙的复用，g p r s 数据传输的速率很高， 理论峰值达1 7 1 k b p s 。 ( 2 ) 接入时间短。能够提供快速及时的连接，保证通信的实时性。 ( 3 ) 不同的网络用户共享同一组g p r s 信道，但只有当某一个用户需要发送 或接收数据时才会占用信道资源。有效地利用了无线网络信道资源，避免了资 源浪费。 ( 4 ) g p r s 计费方式更加灵活，可以根据数据流量来进行计费。 ( 5 ) 与无线应用( w a p ) 技术不同，g p r s 能够随时为用户提供透明的l p 通道，可直接访问i n t e r n c t 中的所有站点和资源。 ( 6 1 采用信道复用技术，每一个g p r s 用户都能实现永远在线p j 。 从上面可以看出，与其它非语音移动数据业务相比，g p r s 可以在频谱效率、 容量和功能等方面有很大的优势，但是g p r s 技术尚有不少局限性。在实际应 用中，e 要有以下几个缺点： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 传输延时问题。g p r s 技术本身的特点就是不同的数据包分组通过不同 的路径被送到同一目的地，在通过无线链接的传输过程中有可能会丢失或损坏 数据包分组，因而会产生一定的延时。 ( 2 ) 实际传输速率和理论值之间存在着较大的差距。要获得g p r s 理论上的 传输速率，必须要求单一用户同时占用所有的8 个时隙，而且不能采取任何纠 错措施。显然，在实际应用中，这是不可能的。因此，在用户较多的情况下， g p r s 网络实际的数据传输速率与理论值相差较多1 1 0 】。 ( 3 ) 数据传输安全性问题。由于g p r s 数据是基于球网传输的，所有的数 据都是封装成坤包的格式，而互联网自身的保密性和安全性就比较差，因此造 成了这种通讯方式的数据安全性得不到保证。 此外，由于现阶段具有s m s 功能和g p r s 功能的g s m 模块的价格普遍较 高，在一定程度上制约了采用g s m 网络的远程自动抄表系统的推广应用。 2 2 4 以太网自动抄表系统 随着近年来网络技术的快速发展，以太网已被引入到工业控制领域，例如 远程控制、远程监控、远程调试等。以太网抄表方式也是随之出现的一种新型 的远程自动抄表方式。整个抄表系统大致分为两个子系统：抄表中心服务子系 统和现场数据采集子系统。两个子系统通过局域潮( u 心) 和广域网( w a n ) 实现远程自动抄表的功能，具有以太网接口的现场数据采集器和现场仪表构成 数据采集子系统，抄表中心服务器可以通过广域网与每个数据采集子系统通信， 进行远程数据传输，从而实现远程自动抄表的功能。在数据采集器传输到中心 服务器的过程中，一般还会经过一个或多个的以太网交换机、以太网路由器等 网络设备，基于以太网的远程抄表系统结构图如图2 7 所示。 采用以太网作为传输媒介的远程自动抄表系统主要有以下的优点： ( 1 ) 系统实施简单。鉴于目前很多企业、工业、住宅小区都已经铺设了以太 网，可以充分利用现成的网络，无需网络重建。 网络速度较快。现在常用的以太网大都是基于1 0 m 1 0 0 m b p s 的，对于远 程自动抄表系统的应用，速度已经足够。 f 3 、以太网不仅能传输数据信号，还可以传输音频、视频等多媒体信息。 ( 4 1 以太网协议是公开、统一的。用户可以方便地将基于以太网的管理系统 与远程自动抄表系统相连接，便于实现工业、企业的信息化管理。 f 5 1 系统可以方便地与互联网相连。经过授权，用户可以通过互联网对整个 远程自动抄表系统进行监控和管理。 f 6 1 以太网技术的应用在世弹先进国家已相当普及，在我国也随着计算机用 武汉理工大学硕士学位论文 户的迅速增长而全面铺开，拥有广阔的发展前景。 图2 - 7 基于以太网的远程抄表系统结构图 随着以太网技术的飞速发展及其性能的不断提高，基于以太网的远程自动 抄表系统也会得到越来越广泛的推广和应用。 2 3 基于以太网的嵌入式抄表系统 尽管存在基于各种通讯方式的远程自动抄表系统，但是它们大多存在各自 的问题和局限性，例如：公众电话网抄表存在着传输速率较慢，对用户形成电 话骚扰等问题；电力线载波抄表明显的缺点就是噪声大和安全性低；无线通讯 方式则受制于国家对无线频率的管理，并且速率较慢。随着以太网技术的快速 发展，采用以太网作为通讯手段的远程自动抄表系统技术得到了快速的发展。 正因为如此，根据远程自动抄表系统的实际需求，我们设计了一个基于以太网 的嵌入式自动抄表系统，其结构图如图2 - 8 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的结构图 该抄表系统大致可分为三层：管理服务层，采集控制层和现场仪表层。 整个系统最上层的是管理服务层，它位于抄表中心，主要由服务器、打印 机等相关组件构成。管理服务层与i n t e m e t 连接，工作人员或者客户可以通过 i n t e r n e t 来查看各个仪表的数据和参数。管理服务层通过专门的管理软件对整个 现场仪表实现远程监控和远程控制，上层管理软件具有以下功能： ( 1 ) 仪表数据的采集、处理和存储：当数据由底层终端设备采集上传后，要 经过一系列的处理方式，最终形成具有实际意义的仪表统计数据； ( 2 ) 仪表控制：根据采集到的仪表数据对仪表状态进行分析，然后对仪表进 行参数设置、实时控制等： ( 3 ) 抄表收费过程监控：通过设置各种收费参数，监控各仪表的使用情况： ( 4 ) 报表统计功能：有实时和历史报表功能，可以进行数据显示、查询、分 柝、统计和打印； ( 5 ) 可靠的安全管理机制：对不同的用户赋予不同的管理使用权限。 位于整个系统最底层的是现场仪表层，主要由各种各样的现场仪表和设备 构成。这些现场仪表所拥有的共同特点就是都具有r s 4 8 5 总线通讯口，用来和 数据采集控制器进行通讯，共同构成设备层网络。 位于服务管理层和现场仪表层中间的是采集控制层。采集控制层通过以太 武汉理工大学硕士学位论文 网与管理服务层相连，通过r s 4 8 5 总线与现场仪表层相连。采集控制层的核心 是采集控制器，它的主要功能是对位于现场仪表层的仪表进行数据采集，并把 采集到的仪表数据、状态等信息通过以太网传给位于管理服务层的中心计算机 进行保存和处理。除此之外，仪表采集控制器还具有仪表初始化、参数设置以 及对仪表实施现场控制等其它功能。 采集控制器必须符合以下两个条件； ( 1 ) 每个仪表采集控制器必须连接多个仪表，以满足多路进线的要求，并降 低整个抄表系统的成本； ( 2 ) 仪表采集控制器应具有一定的数据存储空间，用于保存下挂仪表的历史 数据、状态信息等； 在以下的章节中，我们将对这种仪表采集控制器的软硬件设计进行详细介 绍。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章抄表系统中以太网的实时性和可靠性分析 基于以太网的自动抄表系统的抄表功能决定它必须有很高的实时性和可靠 性，而以太网的实时性和可靠性在整个系统中占主导地位，下面对其进行详尽 的分析，并提出相应的改善措施。 3 1 以太网的实时性分析 3 1 1 以太网通信过程和特点 以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问c s l v l a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的媒体访问机制，各个节点采用 卜坚持二进制指数后退b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko 任) 算法处理冲突。 c s d a c d 访问机制的内容是：当一个站点要发送数据时，它首先会监听信道 状态，如果信道空闲，它就开始发送数据：如果信道在使用中，该站点将持续 监听信道，直到监听到信道空闲时再发送数据；一旦检测到冲突，说明数据帧 己遭到破坏，此时停止数据帧的发送，等待一段随机时间重复上述步骤“”。 采用b e b 算法时，每个站点有一个计数器，它用来记录连续冲突的次数。 站点根据连续冲突次数产生一个随机的等待时隙数。一般地，对第i 次冲突， 等待时隙数在2 i - l 中随机产生。但是，达到1 0 次冲突后，随机等待的时隙数 就被固定在1 0 2 3 。1 6 次冲突后，将不再动作，并向上层发送传输失败的报告。 由于采用b e b 算法处理冲突产生不确定的重新发送延迟，所以当一个数据产生 冲突时，其等待时间具有不确定性“”。 可以看出c s i 删c d 方法和b e b 算法可以有效地控制多节点对共享线路的 访问，但是通信延迟不确定性成为它在工业实时控制应用中的主要障碍。 3 1 2 应用中的实时性要求 在工业控制应用中，由于现场设备的地域分散性，设备间的信息交互是通 过通信网络，以信息传递的方式来实现的。为了达到控制与监控等任务的要求， 现场设备间的信息交互必须在一定的通信延迟时间内完成，即必须满足实时性 要求。从信息发送到信息接收之间的全部通信延迟，称作端到端的通信延迟。 它主要包括下面几方面因素： ( 1 ) 排队延迟：从信息进入排队队列，到此信息获取网络通道所需的时间。 武汉理工大学硕士学位论文 排队延迟主要由通信网络的媒体存取控制协议和相应的信息调度算法决定： ( 2 ) 发送延迟：从信息的第一个字节开始发送到信息最后一个字节发送结 束所需的时间。发送延迟取决于信息的大小和通信网络的通信速率； ( 3 ) 传输延迟：信息在现场设备间传输所需的时间。传输延迟取决于通信 网络在现场设备间的物理长度。 在本文中，用t d e l a ，t q 。，1 k d 和t l 一分别表示通信延迟，排队延迟，发 送延迟和传输延迟。则有： t d c l a y = t q u m + t s e d + 1 缸 ( 3 - 1 ) 端到端通信延迟是构成整个现场设备间的信息交互时间的一个重要部分。 如果不能满足端到端的通信延迟，则无法保证控制任务的实时性。因此，在考 虑工业控制应用中的实时性要求时，应对端到端的通信延迟进行分析“”。 3 1 3 对于以太网通信延迟的分析 设以太网的节点总数为n 个，以下分别分析端到端通信延迟的各个部分。 1 排队延迟 以太网的排队延迟，主要是由于多个节点同时发送数据，从而发生冲突， 导致冲突节点等待重发。精确地分析以太网的排队延迟十分复杂，这里分析一 个近似模式，并给出排队延迟的期望。设在时间t 内由于发生冲突，需要等待 重发的节点个数为k ，在时间t 内初次发送数据的节点个数为n ，则有n 锄 、 n - n 。假设备节点上新到达的数据服从参数为九的泊松分布，则没有数据到 达的概率是e 一，那么在没有发生冲突的情况下，初次发送数据的概率是p 缸t = 1 一e 一。而在发生冲突的情况下，基于b e b 算法，发送数据的概率是p 。= 2 ， 这里的i 是发生冲突的次数。 由此可以得到，在时间t 内只有一个节点初次发送数据的概率为： r 舯；【i - 。( 1 一) 】 n n ( 1 一r ) ( 3 2 ) 同样，在时间t 内只有一个节点由于冲突，重复发送数据的概率为： r 。= 巴 兀( 1 一) 】 n ( 1 一乓) 】 ( 3 _ 3 ) 而所有节点都没有发送数据的概率为： r ，【兀( 1 一，) 】【兀“( 1 一只。) ( 3 _ 4 ) 则在时间t 内超过一个节点( 包括初次发送节点和重复发送节点) 发送数据 的概率为： 武汉理工大学硕士学位论文 r 一一1 一 。r 舯+ 。r 。+ r 。j ( 3 5 ) 设e 【b ( i ) 】为第i 次冲突后后退时间的期望，单位为一个时隙( s l o t ) 。由于在 第i 次冲突后，等待时隙数为0 , 1 2 ，2 “的概率是相同的，均为2 一。因此e 【b ( i ) 】 可以表示为： 嫩叶+ 砉+ 争+ 等1 仔e ， 为了描述总的排队延迟，设h i 为从数据产生i 次冲突后退的时间，则有： ；- 阻；。+ ( 1 + e e k h 】( 3 - 7 ) 在表达式中，h i 等于珥1 ( 从数据产生到i - 1 次冲突) 加上一个冲突检测时间 1 k 。和第i 次冲突的后退时间e b i t a o t 。其中，1 k 是一个时隙时间，也即是在网 络上完成一个传输来回所需的最长时间，在1 0 m b 以太网中，1 为5 1 2 a s ； h o = 0 ，因为没有冲突发生；而基于b e b 算法，e b i 的取值为： 观一麟岛莩篡嚣 净s ， 那么，第i 次冲突的延迟时间的期望为： f 0 f ，f 一0 e 窿 一 h i r r 。矿it 1 ，1 5 ( 3 9 ) i h