（机械电子工程专业论文）gprs技术在无线远程抄表中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自动抄表技术( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 是将数据自动采集、传输和处理 应用于自来水、电力、天燃气( 以下简称水、电、气) 供应与管理系统中的一项 新技术。它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的 现代化带来了新的希望。我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度 很快。随着水、电、气市场管理改革的不断深入、对自动抄表技术的研究必将 成为热点与方向。 嵌入式系统产业近年来持续迅猛发展，正广泛应用于移动计算设备、网络 设备、工控设备、信息家电、汽车电子、娱乐设施、仪器仪表等领域。g p r s 网 络作为通讯手段，具有技术新、效果好、可平滑技术升级等特点，而且其价格 比s m s ( 短消息) 等要低得多，同时g p r s 网络支持t c p i p 协议，也使无线数据 的传输变得更加轻松，更容易扩展功能。 在此背景下，本远程抄表系统将嵌入式系统与嵌入式l i n u x 技术相结合，基 于特定的硬件平台，将嵌入式u c l i n u x 操作系统成功移植到了基于a r m 7 t d m i 核的a r m 微处理器s 3 c 4 4 8 0 x 上，建立起了系统的软硬件平台。 文中，首先介绍了国内外广泛使用的几种典型的自动抄表系统的原理及其 系统组成分析了各种自动抄表系统的优、缺点以及适用范围；然后介绍了远 程抄表系统的组成，对上层、下层通讯方式进行了详细的阐述，介绍了不同通 讯方式的优缺点：接着详细介绍了g p r s 无线远程抄表控制器的硬件设计，包 括各模块电路的实现；最后详细介绍了抄表采集控制器中u c l i n u x 系统的建立和 软件设计，重点包括u c l i n u x 系统的移植和驱动程序的设计。 关键词：自动抄表( a m r ) ；嵌入式系统：g p r s ；u c l i n u x 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gi san e wt e c h n o l o g yw h i c ha p p l i e sd a t aa c q u i s i t i o n ， t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gt ow a t e r , p o w e r , a n dg a s s u p p l ya n dm a n a g e m e n t w i t l l a m r ，t h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e rr e a d i n gs h o r t c o m i n g sc a nb eo v e r c o m e da n dn e w h o p ei sb r o u g h t t h ea m rs y s t e m sa r ed e v e l o p e dl a t ei no u rc o u n t r yb u tp r o g r e s s i n g f a s t w i t l lm a n a g e m e n tr e v o l u t i o ni nt h ew a t e r , p o w e ra n dg a sm a n a g e m e n t t h ea m r r e s e a r c hi sb e c o m i n gat r e n d e m b e d d e ds y s t e mi n d u s t r yi sc o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n gs w i f t l ya n dv i o l e n t l yi n t h e s ey e a r s ，w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d s ，s u c ha sm o b i l ec o m p u t i n g d e v i c e ；n e t w o r kd e v i c e ，i n d u s t r i a ld e v i c e ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ，a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c ，a m u s e m e n te s t a b l i s h m e n t ，a p p a r a t u s a n di n s t r u m e n t s ，a t e a sa c o m m u n i c a t i n gm e t h o d ，g p r si san e wt e c h n o l o g y , i th a sg o o de f f e c t s ，l o w e rp r i c e t h a ns m sa n dc a l lb ei m p r o v e ds m o o t h l y m e a n w h i l e ，g p r ss u p p o r t st c p a p p r o t o c o la n dc a nm a k ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nc o n v e n i e n t i nt h i sb a c k g r o u n d , w ei n t e g r a t e de m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d d e dl i n u x t e c h n o l o g yt o g e t h e ra n da r c h i t e c t e de m b e d d e du c l i n u xs y s t e mb a s e do na r m 7 t d m i c o r em i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o x as o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mh a sb e e n e s t a b l i s h e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ef a m i l i a ra m r s y s t e m sh o m ea n da b r o a d a n a l y z e s t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa tf i r s t t h e na n a l y z e st h ef l a m eo fc o m m o na m r s y s t e m sa n d d e s c r i b e st h ew a yo fu p w a r d d o w n w a r dc o m m u n i c a t i o n si n d e t a i l c h a p t e r3 i n t r o d u c e st h ee t h e m e ta m r s y s t e ms p e c i a l l y , p o i n t i n go u ti t sap r o m i s i n ga m r t e c h n o l o g y a f t e rt h a t ，d e s c r i b e st 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 e a n ds o f t w a r e 砸舱m c uu 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 di n d e t a i l a sap a r to fa 1 1e m b e d d e ds y s t e m b o o t l o a d e r , s o m ed e v i c ed r i v e rp r o g r a m s a n da p p l i c a t i o np r o g r a m sa r ea m e n d e da n dd e s i g n e d f i n a l l y , t h es u m m a r ya n ds o m e p r o b l e m so ft h ed e s i g na r eg i v e n ，i no r d e rt h a tw i t hf u r t h e rs t u d y , t h es y s t e mc a nb e m a d eb e t t e r k e y w o r d s ：a m r ；e m b e d d e ds y s t e m ；g p r s ；u c l i n u x i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着社会的不断发展进步，越来越多的控制、采集仪表被引入到人们的生 产生活中来。随着各种仪表在各种场合应用的不断增多，对仪表的数据采集、 仪表的管理也成为人们越来越关心的问题。 早期的抄表方法都是抄表员现场手动抄表。这种抄表方式在仪表数量相对 较少、仪表位置相对集中的情况下效果很好。但在仪表数量较多、仪表位置比 较分散的情况下，这种传统的手动抄表方式存在着许多缺点：例如在工业现场， 一些仪表可能被放置在距离很远或者是工作环境很恶劣的地方，这些都很不利 于抄表人员去现场手动抄表；如果某个仪表发生故障，工作人员将很难发现； 传统的仪表手动抄写消耗大量的人力物力，效率低下。手动抄表不仅劳动强度 大、效率低，还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问 题。所抄的数据要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化 管理系统的先进性。正是由于人工手动抄表存在着以上的不足，人们开始寻找 新的能替代劳动密集型的人工抄表方法，自动抄表系统也就应运而生了。 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，简称a m r ) 1 2 】是指采用通信、计算机 等技术，通过专用设备对各种仪表( 如水表、电表、气表等) 进行自动采集和处理 表计数据。它一般是通过数据采集器对表计的脉冲进行计数，然后通过传输控 制器将信息传至计算机中心，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印。 必要时还可以通过网络和营业收费系统相连实现抄表收费一体化。自动抄表系 统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作效率和 数据的准确性。随着近年来计算机技术、网络技术和微电子技术的飞速发展， 越来越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性、 准确性和抄表效率，已展现出十分广阔的应用前景。 1 2 自动抄表的研究背景与现状 1 2 1 自动抄表系统的研究背景 武汉理工大学硕士学位论文 自动抄表技术以其在电力系统中的应用最具代表性。随着我国国民经济的 迅猛发展，资源消耗越来越惊人，一些经济发达的省份用电已经十分紧张，一 旦出现高温天气，更是频频发生拉闸限电。而且随着人们生活水平的不断提高， 人们对电力的需求已经不仅仅于满足日常生活的需要。良好的供电质量和服务 水平成为电力改革当中首先狠抓的大事。在电力管理发展过程中，原来以拉闸 限电为目的的负荷控制( l m s ) 逐渐向需方管理( d s m ) 方向过渡，电力部门为提 高供电质量和服务水平迫切地需要有一套完善的电网电能管理系统对与用户直 接相关的电压电网运行状态进行实时监测，便于及时掌握电网运行的情况，适 时根据供电需求的增长调整电网负荷，及时发现和定位电网故障，发现异常供 电和异常线损，杜绝供电隐患。为了提供更好的供电质量和供电服务，电力部 门需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线 等。电力管理的发展，需要迅速准确的读取用户耗电数据。 而传统抄表方式人工挨家挨户抄取电能表数据，不可避免地存在以下问题： 统计数据不准确，无法真实反映用户用电情况；操作难以规范化，造成不明损 失增加；数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能对用户行为进行有效 监控；且耗费人工多，成本高，效率低。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。自动抄表技术就是在技术与管理两方面亟待进步、改革的 迫切需求下逐渐发展起来的。 传感器、自动化仪表以及集成电路技术和网络技术的进步，为自动抄表的 实现提供了现实可能。 1 2 2 国外自动抄表系统的现状 目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主 要集中在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年 的发展历史。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( v l s i ) 和通讯技术的高速发展，它们使得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，达到可以大规模推广的 实用性阶段。 尽管自动抄表这个新兴的行业有着诱人的市场，但是昂贵的开发费用和产 2 武汉理工大学硕士学位论文 品的不稳定让很多商家望而却步。直到新技术的采用，装置的可靠性大大提高， 成本明显的降低和潜在的巨大市场，使得很多商家投入到a m r 这一新技术的研 究。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：在科罗拉多州丹佛市，一家公用事业企业( p u b l i cs e r v i c ec o ) 将7 7 万余台电 表和6 7 万余台煤气表实现了自动抄表，成为当时美国推广应用量最大的一家公 司；1 9 9 4 年1 0 月美国电世界摘要介绍c h a r t w e l l 公司对北美2 2 个电力公司 和3 1 个产品供应商的调查结果也指出：北美( 主要指美国和加拿大) 在1 9 9 4 年 初就已装了3 1 4 ，0 6 3 块具有自动抄表功能的电度表；安装了1 9 7 ，3 7 7 个自动抄 表单元；“1 9 9 8s c o t t r e p o r t o n a m r d e p l o y m e n t s ”资料披露，在1 9 9 8 年度，美 国共有7 9 1 项a m r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了自动抄表。到2 0 0 1 年已经有9 1 百万美元的营业额。而在s c o t t 报告中，截至到2 0 0 3 年1 月，北 美已经有4 9 ，3 1 1 ，3 7 2 个单位使用自动抄表。并且每年均发表关于市场份额、每 个单位用表数量和表的服务类别的调查报告。表卜1 的数据显示了美国1 9 9 8 年 前的自动抄表系统的发展历史。 表卜1 美国自动抄表发展情况( 百万台) 在欧洲，由于官方宣称在2 0 0 0 年前后撤消对公共事业的某些管制( 例如供 货、销售等) ，引起了公用事业企业问的竞争加剧。a m r 技术成为企业提高服 务水平、争取用户并提供及时的耗用信息、降低销售成本的重要手段，于是英、 法、德、意等国的企业纷纷制订发展a m r 技术的计划。目前能生产自动抄表设 备的表具制造公司主要有英国的d r e s s e ri n d u s t r i e s ，法国的m a g n o l ，德国的 s c h l u m b e r g e r 和意大利的m c t m m 。 另外，美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表研究协会a m r a ( a u t o m a t i cm e t e r 3 武汉理工大学硕士学位论文 r 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 ) 和英国自动抄表技术协会( u k a m r a ) 也相继成立。与此同时，i e c 的t e l 3 和 t e 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 2 3 国内自动抄表系统的现状 目前我国国内所采用的抄表方式大致可以分为三种。一是传统的人工抄表 方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。 二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理 部门购买磁卡、i c 卡等，按购买额提供用量，完成收费工作。三是远程抄表方 式，监控中心通过远程通信系统( 例如公用电话网、电力线载波、数据网等) 自 动获取远程仪表数据的方式。当前在我国国内大量使用的仍然是传统的人工抄 表方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。 随着我国国民经济的飞速发展，城市高层建筑不断增多，工商用户及三资 企业迅速增加，农村农网逐渐普及，乡镇企业逐渐增多，农民家用电器迅速普 及，还有“一户一表”政策的实施以及多种电价制度的执行，都使得抄表工作 发生了巨大的变化并且变得越来越复杂。常规抄表方式的质量和效率问题也逐 渐暴露出来。拿电力系统的抄表情况作例子，可以发现主要存在以下问题： 1 传统人工抄表由于电网分布面广，用户分散等原因使得抄表成本高，劳 动强度大，工作效率低。 2 抄表质量低，不明损失大。由于抄表工作定额大、周期短、频率高，加 上抄表员工的行为不规范，抄表不到位、估抄、漏抄、错抄现象十分普遍，不 明损失大。 3 不利于电力公司对电网运行信息的采集，不利于电价体系及时她根据市 场的变化改革，峰谷电价执行范围小。 4 不便于对用户的监控和收费制度的改革。随着市场经济的逐步完善，电 作为一种商品也越来越被人们所认识和接受。但由于社会经济发展的不平衡， 严重的欠费现象冲击着电力企业，电费难收已成为不可否认的事实。因此许多 一4 武汉理工大学硕士学位论文 供电企业已经开始推行购电制，采取定量供应，负荷控制，实行先交款、后用 电的营业收费方式，确保电费的及时回收。实施购电制，就要完善对用户的监 控手段，目前人工抄表及计量方式很难适应这种收费制度的改革，无法对用户 实施有效地监控，阻碍了收费制度改革的实行。 5 不能适应物流管理的现代化。随着电子技术的迅速发展，计算机己被广 泛地应用于营业电费管理业务中，这样才能适应社会的信息化发展。而人工抄 表方式不能及时准确地将抄表信息送入电费管理系统。 由于上述问题，社会发展急需优良的电子计量表和可靠的信息化抄表方式， 这样才能有效地解决传统抄表方式的一些缺陷。 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。 早期的a m r 系统主要用于大电网的电能量考核结算。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，各种a m r 技术和系统( 如电力线载波通信 技术、智能化计量仪表、电能量计量收费系统等) 的研究，已成为各a m r 系统 生产企业和科研机构竞相追逐的热点。 到今天，抄表系统已经由当初的研究转到商业用途，已有很多的厂家能够 提供商业系统，尽管还有定的缺陷。国内从9 0 年代开始，越来越多的研究机 构和企业对自动抄表技术进行了研究，到现在已经有不少的厂家能提供这方面 的产品，并取得了一定的经济效益和社会效益，如南京大信仪器制造有限公司、 深圳市宝安电子工业有限公司和浙江天信仪表有限公司等。已有部分进入实用 阶段，但还不是很完善，不是很成熟。 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。因此，参照国内外的发展状况，结合使用的客户、应用的环境要求以及 成本和可靠性的要求，因地制宜地设计并实现自动抄表系统已很有必要。 1 3 本论文的主要内容 鉴于现有系统通讯方式的不足，本论文提出一种新的通讯方式的远程自动 抄表系统，即采用通用分组无线业务( 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 ) 。运 用这项较新的数据业务，充分发挥g p r s 网络永久在线和网络传递信息的实时 性以及通讯费用是按流量而非按时间计费的特点，来有效解决一些长期困扰远 - 5 一 武汉理工大学硕士学位论文 程抄表系统在应用中遇到的一些问题。将g p r s 技术运用于远程抄表系统中能 大幅度的提高系统的稳定性、可靠性、实时性，同时也能大幅度降低系统的运 营费用。论文首先介绍了目前几种常见的自动抄表系统，分析它们各自的特点， 然后重点介绍了g p r s 无线远程自动抄表系统及抄表控制器的设计与实现。 论文将按下面的内容安排： 第一章，绪论，主要介绍论文研究背景和国内外自动抄表技术的发展现状。 第二章，介绍了远程抄表系统的组成，对上层、下层通讯方式进行了详细 的阐述，介绍了不同通讯方式的优缺点。 第三章，介绍了g p r s 无线通信技术的特点，网络结构和网络协议传输平 台。 第四章，详细介绍了g p r s 无线远程抄表控制器的硬件设计，包括各模块 电路的实现。 第五章，详细介绍了抄表采集控制器中嵌入式u c l i n u x 系统的建立和软件设 计。重点包括u c l m u x 系统的移植和驱动程序的设计。 第六章，论文总结与展望。 - 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章远程自动抄表系统的组成 自动抄表系统( a m r s ) 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、 i n t e m e t 网、无线g s m 或g p r s ：下行通道是指数据采集器与传输控制器之间的 通信线路，由于底层近距离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 n w 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 集和简单的数据通讯系统。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，则抄表系统的一般结构可表示如图2 一l 所示。 下 图2 - 1 远程抄表系统结构图 计量表：指用户使用的电表、水表、气表，一般分为传统机械型和脉冲输 出型两种a 机械式表需要加装传感器，脉冲输出型则可以直接输出脉冲信号到 数据采集器，使得系统的设计很方便。 数据采集器：负责采集测量点数据，并根据协议处理、封装、存储结果， - 1 武汉理工大学硕士学位论文 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收传输控制器转 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、存储某一具体计量表的数据，后者则可以同时采集、 存储多块计量表数据。可以依据实际情况灵活地采用不同的嵌入式系统。 传输控制器：主要完成两项任务，一是完成与采集器的数据通信工作，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袁的数据， 并将数据存储在存储器内，供计算机随时调用。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。 管理中心计算机：调用传输控制器内计量表的数据，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。 2 1 底层近端通讯 a m r 系统中，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、c a n 总线、p r o f i b u s ，l o n w o r k s 总 线、短距离i 心无线嗍等。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。 2 1 1r s - 4 8 5 总线 在应用系统中，r s - 4 8 5 半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用的 数据通信总线，它是在r s - 2 3 2 、r s 一4 2 2 标准的基础上研究出来的种支持多节 点、远距离和接收高灵敏度的总线标准。 r s - 4 8 5 总线技术成熟，实现方便，成本低廉。它采用“平衡差动式”数据 传输，传输线上是电位差信号，不构成电荷累计，抗干扰性强，适用于恶劣的 工作环境。采用r s - 4 8 5 总线的抄表系统有以下特点： ( 1 ) 支持单主或多主系统： ( 2 ) 通信协议可根据需要灵活制定； - 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 总线上的节点数可根据负载芯片的输入阻抗不同而不同，具体见表2 1 ， 如果需要接入更多，需要加入中继器； ( 4 ) 通信距离和通信速度成非严格反比关系，当通讯距离为1 2 0 0 m 时，通信 速度可达9 3 7 5 k b p s ，通信距离为1 0 0 m 时，通信速度可达1 2 m b p s ( 5 ) 通讯距离大于3 0 0 m 时，需要加终端匹配电阻，一般为1 2 0 q 。 r s 4 8 5 总线组成如图2 2 所示。 图2 - 2r s - 4 8 5 总线组成图 在抄表系统中，数据采集器和集中控制器间的通讯由于数据量小，数据结 构简单，宜通过r s - 4 8 5 连接。但是由于实际应用系统中，往往分散控制单元数 量较多，分布较远，现场存在各种干扰，所以通信的可靠性不高，再加上软硬 件设计的不完善，使得实际工程应用中如何保障r s - 4 8 5 总线通信的可靠性成为 各研发机构必需解决的问题。 表2 3r s - 4 8 5 总线输入阻抗和节点对应表 芯片输入阻抗( k 节点数相关芯片型号 q ) s n 7 5 1 7 6 ，s n 7 5 2 7 6 ，s n 7 5 1 7 9 ，s n 7 5 1 8 0 ， 1 23 2 【a x 4 8 5 ，m 魄x 4 8 8 ，眦4 9 0 2 46 4s n 7 5 l b c l 8 4 4 8 1 2 8m 删8 7 ，l a ) ( 1 4 8 7 m a x l 4 8 2 ，m a x l 4 8 3 ，m a x 3 0 8 0 9 6 2 5 6 n 懈3 0 8 9 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 。1 2c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e r a i c a n e t w o r k ) 即控制器局域网络，是种全数字化、多 主和双向的现场总线。最初是德国的b o s c h 公司为汽车的监测控制系统而设计， 解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换问题，它主要具有以下特点： o c a n 总线可以构成多主系统，采用非破坏性基于竞争的总线仲裁技术， 通过设置优先级有效地避免总线冲突。 o c a n 总线每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的出错率 极低，当数据错误比较严重时具有自动关闭总线的功能，避免系统瘫痪。 c a n 总线通讯距离最远可达1 0 k m 5 k b p s ，通讯速率最高可达i m b p s 4 0 m 。 n r z 编码解码方式，并采用位填充( 插入) 方式。 o c a n 总线具有良好的软硬件开放性，用户能在c a n 前端单元上开发自己 的软硬件系统，以满足不同的具体要求。 o c a n 总线能判别暂时错误和永久性的故障以及故障节点的自动脱离。 c a n 总线规范2 0 已经被列为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 0 ，它是一种串行通讯协议， c a n 总线规范规定了任意两个c a n 节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解 释协议。为保证设计使用的透明性和灵活性，c a n 协议分为物理层、传输层和 目标层。 物理层的功能包括：实际位传送过程上的电气特性。 传输层的功能包括：帧组织、总线仲裁、检错、错误报告、错误处理。 目标层的功能包括：信息识别、信息状态及处理。 c a n 总线支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。 c a n 总线虽然也采用差分方式传送数据，但是由于其通讯的协议规范比 r s - 4 8 5 总线安全很多，它所带来的可靠性、实时性、灵活性以及低成本远距离 传输等优异性能是r s - 4 8 5 不能比的。 - 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3c a n 总线网络抄表结构图 c a n 总线系统构成的关键是c a n 控制器和c a n 驱动器。现在，世界各大 厂商如i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、n e c 等公司都推出了很多c a n 总线产品，可 分为两类：一类是带有片上c a n 的微控制器，如p 8 x c 5 9 1 2 、8 7 c 1 9 6 c c b 、 m c 6 8 3 7 6 和p o w e r p c 5 5 5 等；另外一类是独立的c a n 控制器，如p h i l i p ss j a l 0 0 0 、 i n t e l 公司8 2 5 2 6 以及m c p 2 5 1 0 等。c a n 总线用于抄表系统时的结构非常类似 r s 。4 8 5 总线，如图2 3 所示。 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r kw o r k s ) 总线即分布式智能控制网络， 由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年推出，是众多现场总线标准中比较完善和优秀的 一种。l o n w o r k s 现场控制网络是个局部操作网络，它为集散式监控系统提供了 强有力的实现手段。由于在系统中使用了路由器，网络可不受通讯介质、通讯 距离、通讯速率的限制。 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，它是节点的通讯协处理器，用以协调 武汉理工大学硕士学位论文 主机与节点之间的通讯与控制，以及各节点之间彼此的信息沟通。因为神经元 芯片主要是利用高级主机的资源来完成复杂的测控功能，其外围电路简单、体 积小，可做成插拔式的仪表通讯接口。这样在设计电路时既保持了仪表通讯卡 的通用性，又提高了抗干扰能力，使得仪表在网络忙时仍可独立完成监测与控 制功能。 l o n w o r k s 总线的特点有： ( 1 ) l o n w o r k s 技术为对等式通信网络，各节点地位均等，根据需要，可以构 架主从式、对等式或者客户及服务式( c s ) 结构，而且具有很好的开放性。 ( 2 ) l o n t a l k 是l o n 总线的通信协议，支持7 层网络协议，提供了一个固化 在神经元芯片的网络操作系统。 ( 3 ) l o n w o r k s 采用三层结构，即域、子网和节点。系统的节点数量没有任何 限制。神经元芯片中含4 8 位1 d 号，是全世界唯一的。一个域可支持3 2 0 0 0 个 节点，每个子网可支持“个节点。通信距离为2 7 0 0 m 时，通信速度可达7 8 k b p s ， 通信距离为1 3 0 m 时，通信速度可达1 2 5 m b p s 。 ( 4 ) 支持多种通信介质( x 2 绞线、电力线、光纤、无线、红外等) ，多种通信介 质可以在同一网络中使用。 ( 5 ) 神经元似e u r o n ) 芯片具备通信与控制功能，它内部包含3 个8 位c p u ，第 一个c p u 为介质访问控制处理器，第二个c p u 为网络处理器；第三个c p u 为 应用处理器。 ( 6 ) 网络通信采用了面向对象的设计方法( 网络变量) ，使网络通信的设计简化 为参数设置，从而节省了大量的设计工作量。 l o n w o r k s 总线由于其开放的网络操作系统、标准的网络通讯协议、丰富的 介质接口模板、支持多种介质之间相互通信的特点使它在工业控制、楼宇自动 化、数据采集等领域得到广泛的应用。同时l o n w o r k s 总线系统通信速度快、通 信介质多、走线简单、通信可靠性高，但相对于其它总线( c a n 总线，r s 4 8 5 总线) 来说，l o n w o r k s 总线价格比较高，一般用在重要的数据采集场合。 由于l o n w o r k s 总线在楼宇自动化和智能家居方面的出色表现，采用 l o n w o r k s 总线组成抄表系统具有得天独厚的优势。一般抄表系统可分成4 级： 计量表、l o n w o r k s 网络采集器、l o n w o r k s 网络路由器( 作为传输控制器使用1 及 管理中心计算机。这种远程抄表系统由多个l o n w o r k s 网络采集器组成，数据通 讯采用双绞线传输，网络拓扑结构为自由拓扑。可使用路由器或中继器等进行 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 网络扩展，能适应从小区到整个城市抄表的智能管理。同时l o n w o r k s 网络可通 过网关与计算机局域网或i n t e r n e t 无缝连接，实现广泛意义上的远程管理。 2 1 4p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 是p m c sf i e l d b u s 的缩写，自1 9 8 4 年开始研制，经过二十年的 开发、生产和应用，p r o h b u s 已成为欧洲首届一指的开放式现场总线系统， 并于1 9 9 6 年被批准为欧洲标准e n5 0 1 7 0 v 2 ，1 9 9 9 年被批准为i e c6 1 1 5 8 标准 ( t y p ei i i ) 。它以i s 0 7 4 9 8 为基础，以开放式系统互联网络( o s i ，o p e i 】s y s t e r n i n t e r c o r m e e t i o n ) 作为参考模型定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能， 根据应用特点分为p r o f i b u s d p ，r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 三个兼容版 本。 p r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 是经过优化的高速、廉价的通信连 接，专为自动控制系统和设备级分散1 0 之间通信设计。用于分布式控制系统的 高速数据传输。直接数据链路映像( d d l m ) 提供的用户接口，使得对数据链路层 的存取变得简单方便。传输可使用r s - 4 8 5 传输技术或光纤媒体。 p r o f i b u s - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用来解决车间级通用性通 信任务。它与l u ( l o w e rl a y e ri n t c 晌) 构成应用层，f m s 包括了应用协议并向 用户提供了广泛选用的强有力的通信服务，l l i 蚺调了不同的通信关系并囱f m s 提供不依赖设备访问数据链路层p r o h b u s f m s 可使用r s 4 8 5 和光纾传输技 术。 p r o f i b u s - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 是专为过程自动化而设计的，它可使传 感器和执行器在一根公用的总线上用于对安全性要求高的场合及由总线供电 的站点，如安全防爆领域等。根据i e c6 1 1 5 8 - 2 国际标准，p r o f i b u s p a 可用 双电缆总线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的p r o f i b l j s - d p 协议和 描述现场设备的p a 行规，使用电缆耦合器，p r o f i b u s 。p a 装置能很方便地连 接到p r o f i b u s - d p 网络。 p r o f i b u s 支持总线型，树型和星型拓扑。针对不同的版本可有不同的主 机和从机构架，也可以混台三种版本使用，可以单主，也可以多主。 2 1 5 短距离无线通讯 一1 3 武汉理工大学硕士学位论文 r f ( r a d i of r e q u e n e e ) 短罡巨离无线通讯具有广阔的醣景，在生活中应用越来越 广泛。由于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段的无线射频模块安装方便、成 本低、无需布线等特点，r f 已经被应用到汽车、安全认证、智能传感网络单元、 数据传输控制等方面，甚至有可能被用来做简单的局域无线网络，实现简单的 数据采集交换。其相应的无线协议可以参考8 0 2 1 1 a ，b 幢，z i g b e e a dh o c 网络等。 目前大多数抄表系统中无线通讯采用点对点，或者点对多点的方式。 作为一种“新兴的方式”，r f 无线还是存在诸如信道窄、调试复杂、易受场 地影响等问题。模块本身的制作也比较麻烦，特别是板上天线参数的设计。在 工程应用中，它还有很多不完善的地方，如碰撞问题、中继问题、q o s 问题和 路由的选择等。目前此类芯片有瑞典的n o r d i c ，美国的t i 、m a x i u m ，英国的 c m l m i c r o 等：还有一些蓝牙芯片。但是因通讯距离太短、成本高而不被考虑 但目前也有尝试。 2 2 上层远程通讯 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，远程自动抄袭系统的设计也可咀选用不同的通讯方式。下面对常见的 远程抄表通讯方式进行分析。 2 2 1 公众电话网方式 公众电话网( p s t n ，p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en 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 加装调制解调器，利用电话网进行数据传输，其通信速率可达2 4 k b p s 、9 6 k b p s ， 甚至5 6 k b 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结构一般为：数据采集器将采集到的 仪表数据汇集到数据集中器再利用调制解调器将数据传送到电话交换网上： 1 4 - 武汉理工大学硕士学位论文 同样，位于远端的监控中心服务器通过调制解调器与公用电话网连接，接收电 话交换网上的数据并保存到本地进行处理。整个系统由监控中心计算机发出数 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，数据集中器根据指 令选择接通通路。接通通路的电表数据经过数据采集器采集，由专用m o d e m 汇 集到数据集中器，然后数据通过公众电话网返回给监控中心计算机。 公众电话网远程自动抄表系统采用现有的公用电话网，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。 每个数据集中器的地址不同，确保了数据通讯的准确无误。而且电话线抗干扰 能力较强，适用于远程传输数据。 这种方式的主要缺点是：线路的连通时间较长，从几秒到几十秒；抄表计 算机系统频繁的拨号读数形成了对用户的“电话干扰”，数据传输速率较低，对 于需要频繁抄送仪表、仪表数据量较大的系统来说，此种方法效率较低。此外， 电话抄表方式受限于电话网的铺设场所，工作需要电信行业的配合，主要应用 在居民小区，对于位于野外场所的一些工控仪表，将无法直接实旌。若采用单 独布线的方案，工作量较大，不仅增加了制作成本，而且存在通道易遭到破坏 的问题。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在实际现场的运用已越来越少。 2 2 2 电力线载波方式 电力线载波( p l c p o w e rl i n ec a r d e r ) 是电力系统特有的、基本的通信方式， 是指利用现有电力线，通过载波方法将模拟或数字信号迸行高速传输的技术。 电力线载波远程自动抄表系统采用电力线载波通讯技术，通过输电线路来实现 通讯，它是利用电能传输使用的特点所采用的特有的通讯方式。根据载体传输 电压的特点主要有电力载波通讯、配电线载波通讯和低电压载波通讯三种。其 工作原理是将仪表终端的各种数据通过采集设备调制后，通过电力线( 交流输电 线) 传送，由中心控制站在接收端再将其还原成数据信号，进行调制接收，实现 双向通讯。 由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，电力线载波通讯具 有无需布线，安装使用比较方便，无需支付抄表时数据传输的费用，通信线路 - 1 5 一 武汉理工大学硬士学位论文 不易破坏，路由合理，可同时复用远动信号等特点，是不需要线路投资、无需 维护的有线通信方式，也是世界各大公司及研究单位争相研究的热点。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，如 i m e l l o n ，t 1 3 0 m $ o n ，a t m e l 等。 我国从5 0 年代开始电力线载波通讯技术的研究，8 0