（测试计量技术及仪器专业论文）自来水自动抄表系统的研究.pdf

摘要 摘要 自来水是城市供水的主要渠道，如何高效经济地解决城市居民的抄表工作是自 来水管理部门面临的一个难题。当前，我国多数城市还主要依靠工作人员挨家挨户 入户抄收水电表，这种传统的劳动型工作方式，不仅在人力物力上开支巨大，而且 还不可避免地存在人为因素造成的误差，并且上门抄表这种工作方式也对用户的日 常生活造成种种不便。所以，我们亟需一种更方便、更科学、精度更高的抄表方式 来取代传统的入户抄表方式。近年来，随着信息技术、网络技术的不断发展和现化 化小区建设的不断完善，出现了自动抄表系统。 本论文阐述了一套完整的自来水自动抄表系统开发过程。首先介绍了水表集抄 系统的基本功能、基本结构和性能指标，把整个抄表系统分成四个模块：水表数字 化、采集器、集中器和上位机模块。其次论述了水表集抄系统的通讯方式及相关网 络协议，采集器通过4 8 5 总线与集中器通信，集中器采用了g p r s 和以太网两种方 式与上位机通信，这两种方式可根据地理环境实现通信的互补。然后重点阐述了水 表集抄系统的硬、软件设计，采用红外技术把机械水表数字化成无源直读式电子表； 采集器采用带a d 转换的s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 作为控制器，主要负责水表信息的采集，并 通过4 8 5 总线传送给集中器。集中器则是整个系统的枢纽，可分别与采集器和上位 机通信，上位机发送控制命令给集中器，集中器根据控制命令进行相应的操作：并 把从采集器获得的水表数据等信息上传给上位机；并设计了一套抄表协议来更好的 满足它们之间的通信需要，通过移植轻量的t c p i p 栈p i p 来实现网络协议。最后介 绍了上位机软件的设计及系统调试，上位机软件采用了s q ls e v e r 技术和v i s u a lc + + 编程语言，具有良好的人机交互界面和信息处理的能力。 由于整个系统的设计都考虑到了抗干扰技术，试验运行结果表明，系统性能良 好，稳定性、可靠性和准确度高，具有较大的实用性和应用价值。 关键字：自动抄表；水表数字化；采集器；集中器；通信 a b s t r a c t a b s t r a c t a st ok n o w t a pw a t e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o r mo fu r b a nw a t e rs u p p l y b u t w a t e rm a n a g e m e n th a so n ep r o b l e m ，t h a ti s ，h o wt os u l u t et h er e c o r do ft h ew a t e rm e t e ri n ac i t ye f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c l y a tp r e s e n t , m o s to fc i t i e sa l s or e l yo nt h et r a d i t i o n a l l a b o r - b a s e dw o r kl i k et h ed o o r - t o d o o rh o u s et or e c o r dt h ew a t e r t h i sw o r k i n gm e t h o di s n o to n l yi nt h eh u g ee x p e n d i t u r eo nm a n p o w e ra n dr e s o u r c e s ，b u ta l s oi n e v i t a b l ye x i s tt h e e r r o rc a u s e db yh u m a nf a c t o r s ，a n dm a ym a k e st h eu s e ri n c o n v e n i e n c et ot h ed a i l yl i f e t h e r e f o r e ，w en e e dam o r ec o n v e n i e n t ，m o r es c i e n t i f i ca n dm o r ea c c u r a t ew a yt or e p l a c e t h et r a d i t i o n a lr e c o r dm e t h o d i nr e c e n ty e a r s ，a st h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ed i s t r i c tb u i l d i n g ，a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e m ( a m r ) h a sb e e na p p e a r e d t h i sp a p e rd e s c r i b e sap r o c e s so fd e v e l o p i n gac o m p l e t es e to fa u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e m f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h eb a s i cf u n c t i o n ，b a s i cs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e c r i t e r i o no fa m r t h ew h o l ea m ri sd i v i d e di n t of o u rm o d u l e s ：d i g i t a lw a t e rm e t e r ， c o l l e c t o r ，c o n c e n t r a t o ra n dp c s e c o n d l y ，i td e s c r i b e st h ec o m m u n i c a t i o no fa m r a n d r e l a t e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o t o c 0 1 c o l l e c t o ru s e sr s 一4 8 5b u st oc o m m u n i c a t ew i t h c o n c e n t r a t o ra n dc o n c e n t r a t o ru s e st w om e a n s g p r sa n de t h e m e tt oc o m m u n i c a t ew i t h p c ，t h e s et w om e a n sc a ns u p p l e m e n te a c ho t h e ra c c o r d i n gt og e o g r a p h i c a lc i r c u m s t a n c e t h i r d l y ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o ra u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e r mw h i c hu s e si n f r a r e dt e c h n o l o g yt od i r e c t l yr e a dd i g i t a lw a t e rm e t e r c o l l e c t o r ，w h i c hu s e ss t c 12 c 5 410 a da sac o n t r o l l e r ，i sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n g m e t e ri n f o r m a t i o na n dt r a n s m i t t i n gt h e s ei n f o r m a t i o nt oc o n c e n t r a t o rb y4 8 5b u s c o n c e n t r a t o r ，w h i c hi st h eh u bo ft h ew h o l es y s t e m ，c a nc o m m u n i c a t e 谢mc o l l e c t o ra n d p cr e s p e c t i v e l y p cs e n d sc o n t r o lo r d e r s 一一s u c ha ss e n d i n gm e t e rd a t at oc o n c e n t r a t o r a n dc o n c e n t r a t o rf o l l o w s t h i ss y s t e ma l s od e s i g n e sas e to fp r o t o c o lf o rm e t e rr e a d i n gi n o r d e rt om e e tt h e i rc o m m u n i c a t i o nn e e d sw e l l ，t h r o u g ht r a n s p l a n t a t i o np i pt oa c h i e v e n e t w o r kp r o t o c 0 1 a tl a s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fp cs o f t w a r ea n ds y s t e m d e b u g g i n g p cs o f t w a r e u s e ss q ls e v e rt e c h n o l o g ya n dv i s u a lc + + p r o g r a m m i n g l a n g u a g e ，i th a s ag o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d i n f o r m a t i o n - p r o c e s s i n gc a p a c i t y a b s t r a c t t h ed e s i g no f t h ew h o l es y s t e mt a k e si n t oa c c o u n tt h ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y ，s o t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a ti th a sg o o dp e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n dh i 曲 a c c u r a c y ，g r e a tp r a c t i c a l i t ya n dv a l u e k e y w o r d s ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，m e t e rd i g i t a l ，c o l l e c t o r , c o n c e n t r a t o r , c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 专勃吞 7 少年j 月沙日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 水是与人类关系最为密切的自然资源，合理用水、节约用水是保护我们日益减 少的水资源的根本。水表的产生，满足了用水的计量要求，为明确用水用户与供水 单位之间的经济关系提供了一种尺度。 长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是机械旋翼湿式水表，这种水表价格 低，性能比较稳定。然而随着社会的发展，高层建筑和生活小区的日渐增多，传统 水表抄表方式的不足之处便充分暴露出来。首先，抄表人员要频繁往来于每个用户 家里读表，工作量大，效率低；其次，用户正常的生活将受到干扰，并可能给犯罪 分子有机可乘；此外，还经常出现漏抄、误抄、“人情抄等现象。所以需要一种 更方便、快捷、准确的抄表方式。 随着信息技术、网络的不断发展和现化化小区的建立，出现了自动抄表系统。 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g - - a m r ) 是指利用微电子和计算机网络、传感等 技术自动读取和处理表计数据，通过适当的传输方式将城市居民的用水、电、气信 息加以综合处理的系统【1 】。自动抄表技术准确、方便、快捷，不但能提高管理部门的 工作效率，而且还适应现代用户对用水、用电、用气缴费的需求。 1 1 2 课题研究的意义 随着现代化智能小区的建设，作为水、电、煤气三大计量器具之一的水表，对 其完成数字化改造并建立自动抄表系统是城市信息化建设的主要任务之一，已受到 全国各城市市政和供水部门的高度重视。自动抄表是相对人工上门抄表而言，其目 标是一户一表、抄表到户、自动远传及计算机信息管理( 包括收费管理和数据统计) 。 实施自动抄表工程，首先就要完成机械式水表的数字化改造，便于数据收集及远传； 同时，改造后的水表应具备相当的可靠性和准确性，便于维护和应用推广。 自动抄表系统相对于人工抄表具有以下优点： 广东工业大学工学硕上学位论文 ( 1 ) 提高效率：在管理中心通过系统软件指令对所管辖区域内的所有住户每块 表计用量做到随时或定时准确地抄取，完全克服了人工抄表收费手续繁杂、差错率 高，耗用大量人力财力的弊端。 ( 2 ) 提高管理水平：使用自动抄表系统和计算机管理技术，实现抄表和收费一 体的化管理，提高了管理水平。在管理中心，可随时进行动态抄表，清楚掌握用户 情况，有关数据可以制作成报表。保存的数据可以随时可查。通过对数据分析，为 决策提供依据。 ( 3 ) 实现多种功能：当用水户的用水量出现异常时，可随时随地由管理中心立 刻追查或纠正。防范用户非法使用，有效降低损失率。用户欠缴费至截止日期仍未 缴交的用户，亦可由管理指令立即切断。 ( 4 ) 方便用户：与银行联网以后，用户可利用预交费系统到任何一家银行缴费， 便于个人安排时间。电脑直接依照用水户的用水量打印收费单。准确省事、方便用 户。 综上所述，自动抄表系统的推广势在必行。 1 2 国内外自动抄表系统的现状及发展趋势 为了解决抄表的技术问题，各国已有不少科技人员作过这方面的研究，并已经 取得了一些阶段性的成果。比如，针对当前已趋向成熟的i c 卡技术，研究人员开发 出i c 卡预付费水表，成功解决了先用水后交费的不合理问题，用户购买带一定面值 的i c 卡后方可用水，但由于没有互联成网，实际上没有解决自动抄表的问题，而且 其保密性能也有待提高。此外国内外也开发出如手持式红外或无线抄表仪，抄表人 员手持抄表仪就可准确抄录用户用表的数据，再由便携式电脑将数据发给主机，从 而实现自动抄表。另外与此类似的一种方法是通过无线收发车在某一小区驶过，就 可自动抄录该小区用户用表的数据，这两种方法都难免要抄表人员的介入，其自动 化程度不是很高。 国外起步较早，某些地区在此领域己制订了相关行业标准，技术也较先进，并 不断地开发新技术【2 1 。国外自动抄表系统采用的主要技术有电力线载波系统、手持或 车载式无线遥读遥控方式、电话线抄表系统等，但国外此行业的许多技术和运行方 式在国内并不适用。有些新技术方案也仅仅限于理论探讨，实用性并不大。 第一章绪论 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚，2 0 世纪8 0 年代初才开始研究远程自动 抄表系统【3 】。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自动化抄 表方式并存的格局。主站系统结构已从单机、双机系统发展到网络式的主站系统结 构，操作系统也已从d o s 发展至u w i n d o w s9 5 9 8 x p ，系统功能上也从单纯的抄表功能 发展到具有实时线损统计、用电考核、远程控制、计费及银行联网等功能，上层通 信信道也从单一的电话拨号方式发展到多种通信方式( 电话、无线电、专线等) 混 合应用的局面。底层通信信道也从现场总线方式发展到载波方式，终端采集和传输 产品也呈现了多样化的局面，产品包括总线采集器集中器、载波采集器集中器、 单表集中器等多种类型。 1 3 本文解决的关键问题 本文解决的关键问题主要有： ( 1 ) 采用红外技术把机械式水表转换成无源直读式的数字水表； ( 2 ) 设计了一套完整的抄表协议和指令来完成采集器、集中器和上位机三者之间的 通信。 ( 3 ) 集中器和上位机之间的通信采用了无线( g p r s ) 和有线( 以太网) 两种不同的 方式，这两种方式可以实现很好的互补，管理人员可以根据不同的地理环境采 取适合的通信方式。 ( 4 ) 上位机软件的设计，本系统上位机软件在v i s u a lc + + 平台下开发，后台数据库 采用s q ls e v e r ，可运行于p c 机的w l n 9 8 2 0 0 0 x p 等操作系统中，软件所能管理 的用户数量没有限制。使用方便，可靠，用户界面友好。 1 4 本文主要内容和论文章节安排 本次工作主要研究自来水自动抄表系统。此系统可以分为几个主要模块【3 】，即自 来水表数字化、采集器、集中器、上位机和传输模块。它涉及到了单片机、传感器、 计算机软件及硬件等领域的研究。这次研究工作具体内容主要包括以下几点： ( 1 ) 直读式远传水表的数字化； ( 2 ) 采集器和集中器的软硬件设计； ( 3 ) 自动抄表协议的设计； 广东工业大学t 学硕士学位论文 ( 4 ) 传输总线及通信方式； ( 5 ) 上位机管理软件设计： 本论文的章节安排如下： 第一章绪论介绍了课题研究的背景及意义、国内外自动抄表的现状及发展趋势 和本文研究的关键问题及内容。 第二章从集抄系统的基本功能、基本结构、性能指标等方面，宏观上阐述了总 体方案的设计。 第三章讲述了采集器、集中器、上位机之间的通信方式，并讲述与其相关的网 络协议。 第四章把下位机的硬件分成基表数字化、采集器和集中器三大模块，并分别介 绍了它们的硬件设计，最后还对系统硬件抗干扰性进行了设计。 第五章内容是下位机的软件设计，分别阐述了采集器、集中器的软件设计，并 设计了一套抄表指令来协助它们之间的通信，通过移植p i p 来实现系统的网络协议， 最后还对系统软件抗干扰性进行了分析。 第六章阐述了集抄系统上位机软件的功能要求和功能结构，利用s q ls e r v e r 数据 库和v c + + 语言实现水表集抄系统管理软件的设计，并给出几个操作界面加以分析， 最后论述了系统的调试过程及遇到的问题。 1 5 本章小结 本章阐述了课题研究的背景及意义、国内外自动抄表的现状及发展趋势和本文 研究的关键问题及内容。 4 第二章水表集抄系统总体方案 第二章水表集抄系统总体方案 本章将从水表集抄系统的基本功能、基本结构、性能指标等方面对系统加以说 明，这些内容将是我们以后具体设计理论依据。 2 1 自动抄表系统的基本功能 自动抄表系统都需要具备一定的功能，一种功能对应着自动抄表系统所能进行 操作中的一种具体行为，不同的自动抄表系统应有一些共同的功能要求。下面将规 定自动抄表系统中的基本功能【4 】。 ( 1 ) 抄表功能 自动抄表系统利用数据交换设备并通过通信网络读取用户水表中计量的数据， 计量数据包括实时计量数据和历史计量数据。 ( 2 ) 费用管理 要求实现用水居民费用的统计、查询、备份、报表、收费单的生成等功能。 ( 3 ) 监测功能 自动抄表系统利用数据交换设备并通过通信网络读取用户水表或设备运行状 态，根据运行状态给予报警提示。 ( 4 ) 参数设置功能 自动抄表系统利用数据交换设备并通过通信网络对用户水表中的运行参数、地 址、费率及其状态进行修改和更新。 ( 5 ) 负荷控制功能 自动抄表系统利用数据交换设备并通过通信网络对用户水表所控制的负荷设备 进行状态切换。 ( 6 ) 用户管理 管理用户信息，并与房间编号及水表地址对应。 ( 7 ) 管理权限设置 能够设定不同的管理操作人员及其操作权限，保障系统运行的规范性和安全性。 ( 8 ) 自定义功能 广东工业大学工学硕士学位论文 根据需要在自动抄表系统中添加其它功能。 2 2 自动抄表系统的原理 抄表系统中仪表数据与控制信号传输的路径称为通信通道，它分为上行通道和 - f 删_ t 5 1 ( 如图2 - 1 ) 。上行通道指的是传输控制器与管理中心计算机之间的通信线 路，可以采用有线、无线、专线等各种通信介质。下行通道是指数据采集器与传输 控制器之间的通信线路，主要有l o n w o r k 、c a n 总线、r s 4 8 5 总线等方式。 图2 - 1 自动抄表系统的基本结构 f i g 2 - 1b a s i cs t r u c t u r eo fa m r ( 1 ) 计量表：指数字化的电表、水表、气表，常见为有源脉冲式电子表。最近几 年出现了无源直读式的，直读式的是平时不工作，抄表时通过光电或红外等技术将 表的指针示值直接读取到数据采集器，可以说实现了“零误差 。 ( 2 ) 数据采集器：负责把计量表中的数据采集到单片机中，同时将得到的数据送 至传输控制器；并接收传输控制器发来的各种操作命令。采集器既可以做成一表专 用型，也可以做成多表通用型。 ( 3 ) 传输控制器( 集中器) ：主要完成两项任务，一是完成与采集器的数据通讯 工作，定时或实时抄录采集器内计量表的数据，或根据系统要求接收某个计量表的 数据，并将数据存储在存储器内，供计算机随时调用。另外一个任务就是根据系统 要求完成与管理中心计算机的通信，将用户仪表数据等管理中心需要的信息传送到 管理中心数据库。可以这样说：集中器是集中抄表系统的中枢，集中器的质量反映 6 第二章水表集抄系统总体方案 了整个抄表系统的水平。集中器通信效果的好坏不仅取决于集中器的硬件水平，还 依赖于通信规程和集中器应用软件的纠错能力。集中器可根据采集器的多少来确定 个数，它与采集器间的通讯方式也有多种，常见的有4 8 5 总线；与管理中心计算机通 讯线路也有有线、无线、卫星、网络等多种方式。 ( 4 ) 管理中心计算机：调用集中器内计量表的数据，将数据处理、显示、存储、 打印，并向控制器发出各种操作指令，对其设置各种通讯、操作参数。系统一般具 有查询、管理、自动校时、定时或实时抄表、超载报警、断线检测功能。如果与营 业网联网，还可以进行费用结算、票据打印、统计报表、实时收费等功能。 其中计量表、采集器、集中器称为自动抄表系统的下位机，管理中心计算机则 称为上位机。上位机可以对下位机进行命令发送、参数设定等控制。并可实时查看 各户各表的运行参数、工作状态和历史记录等信息。 2 3 自动抄表系统的性能指标 ( 1 ) 比特差错率( b e r ) 和残留差错率( r e r ) 比特差错率是规定时间内接收的有差错的比特数和发送的比特总数的比值。残 留差错率则是规定时间内被错误接收且未被检出的数据块( 帧、信息包、报文等) 的数量和发送的数据块的数量的比值。在本系统的通信软件设计中，多处应用了循 环冗余码校验( c r c ) ，如i p 协议、t c p 协议、自动抄表协议中都添加了校验位。这样可 以减少比特差错率和残留差错率。 ( 2 ) 数据完整性1 6 】 自动抄表系统的数据完整性，可避免或检测出数据在传输过程中的错误，从而 提高数据传输的质量。本系统为了保证信号数据在传输过程中做到完整，每组数据 都是以帧的形式进行传输的，并且每帧数据都添加了帧头和帧尾。 ( 3 ) 响应时间 响应时间是自动抄表系统中要求执行命令时刻和命令执行完毕时刻之间的时 间。本系统中，下位机之间的通信采用了r s - 4 8 5 总线传输，消耗时间很短，下位机与 上位机之间的通信则是通过g p r s 和以太网两种方式，不敢那种方式，其实时性都相 当高，而上位机的处理速度、反映时间也相当快，所以整个系统的响应时间很快。 ( 4 ) 信息交换的安全性啊 广东工业大学工学硕十学位论文 信息交换的安全性包括如下两方面的内容。第一是客户机和服务器的身份验证： 身份验证使服务器能够对客户机的身份进行控制，以便向客户机提供适当的访问权 限，如果身份验证是双向的客户机也能对服务器进行控制，以便检测设备是否被替 换；第二是交互数据的保密性：数据的保密性用于保护交互的数据，以防可能的非授 权访问。在此系统中，用户分为三级，不同的用户具有的权限不一样，而且登录系 统时都要用户名与密码。这样使系统的安全性达到了一定的高度。 2 4 自动抄表系统的通讯方式 根据自动抄表系统的功能，可以将它看成是能实现数据采集和数据通讯的系统。 由于系统中有控制命令和仪表数据需要传送，其通讯方式就显得特别重要【8 1 。 由2 2 节可知，自动抄表系统的传输可分为上行通道和下行通道。上行通道指的 是传输控制器与管理中心计算机之间的通信线路，它们之间的通讯又称为上层通讯； 下行通道是指数据采集器与集中器之间的通信线路，它们之间的通讯又称为下层通 讯。 2 4 1 上层远程通讯 由于抄表系统覆盖面广、节点多，这就要求系统上层远程通讯及时准确且制造 成本低，根据不同的使用环境要求很好的可靠性和抗干扰性。随着电子、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、特点和成本也 各不相同，针对不同的要求和不同的客观条件，抄表系统的设计也可以选用不同的 通讯方式。上层远程通讯的主要方式有：公用电话网、电力线、以太网、无线g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，“通用分组无线业务”) 或g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，即“全球移动通信系统 ) 。这四种最常用的通讯方式的比较 可归纳如表2 1 所示。 表2 - 1 四种上层远程通讯方式的比较 通信方式通信质量通信距离 线路架接 费用 电话网可靠不限不方便适中 电力载波差 1 0 0 0 米 无需架设适中 以太网可靠不限无需架设( 互联网)低廉 无线( g p r s )可靠不限无需架设( 有g s l d 信号)低廉 第二章水表集抄系统总体方案 根据它们性价比的比较，本系统上层通讯采用了以太网和g p r s 两种方式。有线 与无线这两种传输方式可以根据地理位置实现通讯的互补。 2 4 2 下位机通讯 许多现场总线技术的通讯方式已经应用在a m r 系统中的底层近端的数据传输中。 在这些技术中，应用比较广泛技术比较成熟的底层近端通讯主要方式有：r s - 4 8 5 总 线、c a n 总线、l o n w o r k s 总线等。这几种最常用通讯方式的比较如表2 - 2 所示。根 据各总线的不同特点和应用场合要求的不同，可以灵活地选择使用。由于本系统的 采集器和集中器都安装在同一小区内，一个小区可以安装一个或几个集中器，一栋 楼也可以装一个或几个采集器，通讯距离不是很长，再加上价格方面的优势，选用 了r s - 4 8 5 总线作为下位机的通讯。 表2 - 2 底层近端通讯方式的比较 t a b 2 - 2c o m p a r i s o no ft h eb o t t o mc o m m u n i c a t i o n 总线方式 c a nl o n w o r k sr s - 4 8 5 通信介质双绞线、同轴电缆、光纤支持多种，如双绞线、光双绞线 纤、电力线、红外 网络结构总线型、环型、星型、复总线型、环型、星型、复 总线型 合型合型 通信速率通信距离为1 0 0 0 0 m 时，通信距离为2 7 0 0 m 时，速通信距离为1 2 0 0 m 速率可达5 k b p s ：通信距率可达7 8 k b p s ；通信距离 时，速率可达 离为4 0 m 时，速率可达为1 3 0 m 时，速率可达9 3 7 5 k b p s ；通信距离 1 m b p s1 2 5 m b p s为1 0 0 m 时，速率可达 1 2 m b p s 通信距离最大传输距离1 0 k m最大传输距离2 7 k m最大传输距离1 2 k m 节点数节点数最大1 1 0 个一个域3 2 0 0 0 个节点，一节点数最大2 5 6 个 个子网6 4 个节点 通信质量可靠性较好 可靠性较好 可靠性好 价格适中比较高很便宜 2 5 本章小结 本章主要介绍了自动抄表系统的总体方案的设计。通过对基本功能、基本结构、 性能指标、和通讯方式的阐述，这些内容将是后面具体设计自动抄表系统的理论依 据。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章水表集抄系统通讯方式及协议 本系统通讯方式包括两层：第一层是采集器和集中器之间的通信，采用了性价 比比较高的r s - 4 8 5 总线；另外一层是集中器与上位机之间的通信，根据不同地区的 实际情况，可以灵活选用了有线( 以太网) 和无线( g p r s ) 这两种通信方式。本章 主要介绍水表集抄系统的通讯方式及相关协议。 3 1r s - 2 3 2 总线 r s 一2 3 2 c 是由美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的串行总线标准【9 】，也是目前最常 用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。 r s - 2 3 2 c 串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于1 5 m ，传输速率最大为 2 0 k b s r s 一2 3 2 c 采取非平衡传输方式，即所谓单端通信。r s 一2 3 2 c 定义的e i a 电平采用 负逻辑。在r s 一2 3 2 c 标准中，规定一3 v 一1 5 v 为逻辑l ，+ 3 v + 1 5 v 为逻辑o 。由于 r s - 2 3 2 c 的逻辑电平与计算机的逻辑电平( t t l 或c m o s ) 不兼容，因此在与t t l 或c m o s 相连时必须进行有效的电平转换。 r s 一2 3 2 c 的优点是接口简单，缺点是距离短( 约1 5 米) 、速度慢( 最高速率为 2 0 k b s 、共模抑制能力差。r s 一2 3 2 c 一般用于点对点( 即只用一对收、发设备) 通信。 本文设计的集中器m c u 就采用了此总线接口与g p r s 模块的进行通信与控制。 3 2r s - 4 8 5 总线 r s 一4 8 5 的接口为美国电子工业协会( e i a ) 数据传输标准。它是经由r s 一2 3 2 ， r s 一4 2 2 演变发展而来的。它采用串行二进制数据交换终端设备和数据传输设备之间 的平衡电压数字接口，简称4 8 5 接口【l o 】。r s - 4 8 5 总线应用于本系统中采集器和集中器 之间的通信。r s 一4 8 5 收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将t t l 电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成t t l 电平，因此 具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达2 0 0 m y 的电压， 故数据传输可达千米以外【l l 】。r s - 4 8 5 最大传输速率可达l o m b p s ，当波特率为1 2 0 0 b p s 时，最大传输距离理论上可达1 5 千米。r s - 4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信， 第三章水表集抄系统通讯方式及协议 所以只需两根线就能完成双向通信，很方便地构成一点对多点通信网络。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，r s 一4 8 5 总线抄表 系统拓扑结构如图3 1 所示，r s 一4 8 5 总线抄表系统采用主从式结构，其中集中器作 为主机，各个采集器作为从机。集中器与r s 一4 8 5 总线连接端设置有偏置电阻和终端 匹配电阻，采集器n 的r s 一4 8 5 总线末端设置有终端匹配电阻。r s 一4 8 5 总线抄表一般 使用双绞线作为网络总线，对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及 抗静电放电冲击的的收发器，直接使用r s 一4 8 5 驱动芯片即可构成通信网络。r s 一4 8 5 总线抄表方式技术比较简单、成熟，易于实现，对全电子式采集器改造较小，且总 线传输速率高，可靠性好。 图3 - 1r s - 4 8 5 总线抄表结构 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo f a m rs t r u c t u r eb yr s - 4 8 5b u s 3 3 基于以太网的远程自动抄表系统 随着网络技术的不断发展，以太网和t c p i p 在信息技术领域基本上占据主导地 位。商用计算机领域的通讯网络已逐步被以太网和t c p i p 协议垄断。因此，以太网 和t c p i p ，也随着控制技术与信息技术的结合进入到过程控制领域。其优势主要体 现在以下方面： ( 1 ) 成本低，技术支持广泛。以太网己被使用多年，具有大量的软、硬件资源和开 发设计经验。 ( 2 ) 性能高，发展迅速。以太网发展速度，从1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 已发展到千兆以太网。 ( 3 ) 实现网络的无缝连接。在以太网上使用t c p i p ，其开放性可以使测控网和信息 网统一起来【12 1 。 ( 4 ) 以太网产品具备可扩充性和易升级性，用户无需更改现有的系统配置就能得到 升级的产品； 根据以上以太网优势的分析并考虑到实际系统的功能和需求，我们决定采用以 太网技术作为远程自动抄表系统的传输方式之一。其整体架构图如图3 2 所示，在这 广东工业大学工学硕士学位论文 个远程自动抄表系统中，我们采用以太网作为系统的主要数据传输载体。该抄表系 统大致可以分为三层：管理服务器、集中器和采集器。 宽带同络部分 图3 2 以太网抄表系统架构图 f i g 3 - 2a r c h i t e c t u r eo f a m r b a s e do ne t h e m e t 管理服务器和集中器通过a r m 单片机上集成t c p i p 协议栈的方式来实现网络连 接。管理层服务器通过局域以太网来控制各个集中器，集中器又通过r s 一4 8 5 总线来 控制各个采集器，采集器负责采集各个表的数据及信息。管理中心的p c 机可以通过 集中器和采集器来了解各个表的信息和状态，从而达到更好的控制。管理服务器分 别给每个集中器、采集器和水表一个i d 号，这样管理服务器可以获得每个水表的数 据及信息，从而达到抄表的目的。 管理服务器通过路由器连接到公用互联网，并有防火墙保护管理服务器受到外 网的侵袭。用户可以在网络上查询并进行交费，还可以打印交费收据。基于以太网 第三章水表集抄系统通讯方式及协议 的快速、方便、便宜等特点，把它应用于自动抄表系统中肯定会带来很大的市场。 3 4g p r s 通信 g p r s 是通用无线分组业务的缩写( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) ，是介于第二 代和第三代之间的一种技术，通常称为2 5 g ，通过升级g s m 网络实现【1 3 。第三代移动 通信( 3 g ) 正在i m t - 2 0 0 0 ( 工n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ) 的框架下成为 全球化规范性的兼容的通信系统。3 g 规范的目标是能够实现：在任何时间，任何地点 与任何想沟通的人进行通信。除了语音通信之外，3 g 通信还能够在任何时间和地点 跨运营商、跨越国家界限和地理界线，提供高速数据传输和多媒体应用。 3 4 1g p r s 的体系结构 g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一。g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽 度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，g p r s 系统 是在g s m 系统的基础上构建的，g s m 系统中的绝大部分硬件都没有作改动，只作了软 件升级。 为了实现g p r s ，需要在现有的g s m 网络中引入三种新的逻辑网络实体： ( 1 ) g p r s 服务支持结点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) ； ( 2 ) g p r s 网关支持结点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) ； ( 3 ) 分组控制单元( p c u ，p a c k e tc o n t r o lu n it ) 。 s g s n 提供g p r s 网络与外部分组数据网络之间的交互操作。在基站子系统中，p c u 负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、 质量控制、功率控制等。 s g s n 和g g s n 相当于移动数据路由器，它们既可以被组合在同一个物理结点中， 也可以处在不同的物理结点中，两者之间通过一个i p 骨干网络互联( 如图3 - 3 ) 。g s m 和g p r s 能够复用和相同的传输链路，例! z d b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ：基站收 发器) 和b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ：级站控制器) 之间的链路。s g s n 主要完成分 组的路由寻址和转发，根据用户所处的位置不同，由相应服务区内的s g s n 完成用户 的服务请求。通过b t s ，s g s n 将业务流转发到m s ( m o b i l es t a t i o n ) ，s g s n 还有以下的 功能【1 4 】： 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 身份验证，加密和差错校验； ( 2 ) 负责管理g s m 的移动性和至, j m s 的逻辑链路； ( 3 ) 分组的路由寻址和转发。 氇参 分组变换业务信道 图3 - 3g p r s 系统原理图 f i g 3 - 3s y s t e mt h e o r yo fg p r s 3 。4 2 基于g p r 8 的远程自动抄表系统 本系统的远程自动抄表系统另外一种传输方式采用当今比较新的g p r s 技术，对 用户水表数据全部采用远程自动采集。基于g p r s 的远程自动抄表系统，既具有有线 抄表的效率高、实时性好、成本低的优点，还在避免了布线的前提下实现用户水表 数据的可靠传输，同时还兼顾了安装方便、可维护性好、易实现网络化管理等优点【1 5 】。 基于g p r s 的远程自动抄表系统主要是数字化水表、采集器、带g p r s 模块的集中 器终端、带系统软件的主站组成，如图3 4 。 图3 - 4 基于g p r s 自动抄表系统的架构图 f i g 3 - 4 a r c h i t e c t u r eo f a m rb a s e do ng p r s g p r s 抄表终端设备利用g p r s 的i n t e r n e t 接入功能，通过g p r s 无线网络连接到 i n t e r n e t 与客户端前置机进行通信。本系统采用在i n t e r n e t 上设置一个服务器( 有 第三章水表集抄系统通讯方式及协议 固定的i p ) 作为通信中心，通过i n t e r n e t 建立虚连接的技术，负责中转客户端前置 机与终端设备之间的通信，充分利用g p r s 的实时连通特性，加强了系统的实时性。 由于系统连接是虚拟的，并且数据经过通讯中心时采用了独特的加密压缩算法，从 而减少了系统的通讯流量，并使系统的安全可靠性得到了保斟1 6 】。 g p r s 终端和供水中心前置机实时通信时，g p r s 模块上电后主动向服务器发出 连接申请，向服务器告知终端设备的地址，服务器为其分配一个动态工p 地址，在理 想状态下，该连接始终存在。需要给前置机主动上传数据时，向服务器申请t c p 连 接，数据传输完毕后，服务器断开该t c p 连接，但是与终端的虚拟网络始终连接。 g p r s 模块具有通道检测功能，定时向服务器发送通道测试信息。若服务器在规定时 间内没有收到g p r s 终端的信息，则认为该连接不可靠，自动断开当前连接。下次通 信之前g p r s 终端需要重新申请连接，从而可以保证信道的可靠性。 客户端和通信服务器之间通过因特网连接。客户端前置机登陆i n t e r n e t ，向服 务器申请连接，服务器为客户端建立s o c k e t 连接。通过与服务器的s o c k e t 连接， 客户端获取g p r s 终端的动态i p 地址，向g p r s 终端设备下发参数和抄表指令。 系统数据传输的工作原理如下：采集器采集到水表的数据，通过4 8 5 总线接口传 送给集中器，然后将数据打成p p p 包，通过g p r s 模块内置s i m 卡搜索g p