（电力电子与电力传动专业论文）基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究.pdf

基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h cd e v e l o p m e n to fc 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 s l 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 d m 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 e 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 o r k t t 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 0 w e v e r ，w i t ht 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 e ra u t o m a t i c a n y a nk 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 g ) 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 u 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 e t e rr e a d i n gs y s t e m0 fe l e c t r i c a l p o w e rl i n ea sap o p u l a rt y p eh a sb e e np u ti n t 0u s e w h c r e a s ，o w i n gt 0l a r g e h a r m o n i c 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 ec x i s ti no u rc o u n t f 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 en l 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 bs o l v 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 n a p p l i c a t i o n ，t h e p a p e rd e s i g n e da na u t o m a t i cm e t e rf e a d i n ge m b e d d e ds y s t e mb a s e d0 ne t h e r n e t t h i s s y s t e mi sat o t a l l yn e 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 n e ta s i t sp l a t f o r mt ot r a n s f e rd a t ai nl 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 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 s ，a 舳l y z e st h e i rc h a r a c t e r i s t i c s a t f i r s t ，a n dk e e p se m p h a s i s0 nt h ed e s i g n0 fc o n t f o l l e rb a s e do ne t h e r n e ta m r s y s t e m c h a p t e rli 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 j n t r o d u c e ss o m ef a m i l j a ra m r s y s t e m s ，a n a l y z e st h e i rc h a f a c t e r i s t j c 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 l i t y0 ft h ee t h e f n 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 ca n ds o f c w a r e t h 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 ca 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 fa m r s y s t e ma n dt h ef u t u r cd e y e l o p m e n t 0 fa m r t e c h n o l 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 l r u n n i n ga n dm a n a g i 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 s a 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 i i t ya n dm a r k e tv a i u e k e yw o r d s ：a m r ；e t h e r n e t ；a r m ：u c l i n u x 硕士学位论文 插图索引 图2 1 一般抄表系统的构成4 图2 2 公众电话网自动抄表系统的结构图6 图2 3 电力线载波远程自动抄表系统的结构图7 图2 4 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的结构图8 图2 5 基于短消息方式的远程自动抄表系统的结构图9 图2 6 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的结构图1 1 图3 1 不同节点数下端到端的通信延迟1 7 图3 2 不同帧的长度下端到端的通信延迟1 7 图3 3 不同通信速率下端到端的通信延迟。1 8 图3 4 双网卡系统可靠性模型框图1 9 图3 5 双以太网系统的可靠性模型2 0 图4 1s 3 c 4 5 1 0 b 结构框图2 3 图4 2 控制器硬件设计整体框图。2 6 图4 3 嵌入式系统电源电路2 7 图4 4 嵌入式系统复位电路2 8 图4 5 嵌入式系统f l a s h 存储器接口电路2 9 图4 6 嵌入式系统s d r a m 接口电路。：3 0 图4 7 嵌入式系统r s 2 3 2 接口电路3 l 图4 8 嵌入式系统j 1 a g 接口电路。3 2 图4 9r t l 8 2 0 1 应用电路3 3 图4 1 0r t l 8 2 0 1 的l e d 与p h y 地址配置。3 4 图4 1 1r t l 8 2 0 l 与网络隔离变压器及r j 4 5 的连接3 4 图4 1 2r s 4 8 5 通讯接口电路。3 5 图5 1 交叉编译环境的建立3 9 图5 2 目标平台配置。4 2 图5 3 选择合适的产品类型4 3 图5 4f l a s h 分区4 4 图5 5v i v i 文件下载。4 4 图5 烧写内核。4 5 图5 7 系统的实物图4 5 图5 8 使用t c p 的客户和服务端系统调用的图示4 9 图5 9 使用u d p 的客户和服务端系统调用的图示5 0 m 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 图5 1 0 用户登录界面5 3 图5 1 1 用户的增添删除界面5 3 图5 1 2 上位机管理界面5 4 硕士学位论文 附表索引 表1 1 电力公司采用a m r 技术的目的3 表4 11 4 针j t a g 接口定义。：3 2 表4 2 通用i o 口功能3 6 表5 1 上位机与控制器通讯格式4 7 表5 2 控制器与仪表通讯格式4 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 日期：z 一叼年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 镪凌 三纠j ， 日期：z 口司年 日期：滞 月石日 乡月形日 u 硕+ 学位论文 1 1 抄表系统发展 第1 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，如自动抄表系统。 自动抄表a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，简称a m r ，是指采用通信和计算机等技术， 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、存储和打印，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，己展现出十分广阔的应用前景。 1 2 国内外自动抄表系统现状 目前，在美国、加拿大、日本和西欧等一些发达国家和地区，远程自动抄表 系统已经得到了广泛的应用。美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表技术协会 ( a m r a ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次年会前都有专题报告。近年来 又成立了欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表协会 ( u k a m r a ) 。 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，一家公用事业企业将7 7 万余台电表和6 7 万余台煤气表实 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 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 世界摘要指出：北美( 主要指美国和加拿大) 在1 9 9 4 年初就己装了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 tr e p o r to n a m r d e p l o y m e n t s 资料又披露，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。此外，欧盟各国都有自动抄表实验的报 告。例如，1 9 9 8 年即己实现对约9 万户用电负荷大于1 0 0 k w 用户的每0 5 h 电量 数据采集。 9 0 年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，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，如今a m r 系统已进入可以大规模推广的实用性阶段。 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 分地区己经开始了远程抄表的试点n 1 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 ) 成本高，劳动强度大。 ( 2 ) 抄表质量低，不明损失大。 ( 3 ) 无法适应用电信息采集。 ( 4 ) 限制了对用户监控及收费制度的改革。 ( 5 ) 阻碍了抄核收业务的现代化。 这些问题，仅靠增加抄表人员、延长抄表时间、增加抄表次； 问题的解决，而且会造成整个供电部门成本上升、效益下降、管理混乱，不利于 系统的健康稳定发展。因此，当前我国国内所普遍采用的人工抄表方式已经越来 越难以适应现状，仅仅依靠这种抄表方式不仅浪费大量的人力和时间，而且无法 保证抄表数据的准确性和实时性心1 。 在这种情况下，国内许多研究机构和企业自9 0 年代起纷纷投入对自动抄表技 术的研究，现已有多种自动抄表系统问世，这标志着我国自动抄表技术应用的起 步。1 9 9 3 年，广州科立通用电气公司研制出国内第一套居民电能量自动抄表系统。 2 硕士学位论文 9 0 年代中期，国内已有不少研制成功的自动抄表系统，例如常州的“y h s 5 5 1 型 集中自动抄表系统一、太原的“煤气表读数遥测系统一、中科院合肥智能所的“煤 气表户外自动抄表装置 和上海市公用事业研究所2 0 0 1 年开发成功的“水、煤气 表合抄集中自动抄表系统一。不久前，沈阳汇成电缆厂开发出了d y y v p 2 2 型电能 表自动抄表系统专用电缆。经过十几年的发展，a m r 技术已开始在我国得到了应 用，各种a m r 技术和系统的研究，已成为各个a m r 系统生产企业和科研机构竞 相追逐的热点口】。 表1 1 电力公司采用 m r 技术的目的 序号采用自动抄表技术目的百分比 l降低抄表成本2 3 2对付难抄表计2 1 3改善对用户的服务1 6 4为了抄表工人身安全8 5改进抄表出帐周期7 6提供超前服务7 7研究和发展5 8减少偷电现象4 9减少对客户的打扰3 1 0检测用电量2 l1负荷曲线2 1 2其他2 3 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 第二章抄表系统的组成 2 1 远程自动抄表系统的基本组成 自动抄表系统一般由计量表、数据采集器、传输控制器、管理中心计算机四 级构成n 1 ，如图2 1 所示。 ，彳， f 矽 l n c n c i 镓黔秘嚣 | l j 一? 。j j 广 图2 1 一般抄表系统的构成 1 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。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。 2 数据采集器：负责对计量表发出的脉冲进行采集处理，存贮结果，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。前者只能采集、存储一块计量表的 数据，后者则可以同时采集、存储多块计量表数据。基于节约成本的考虑，我们 设计的就是这种类型。 3 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 4 锭冒丁蹦国丁 飘潋缀缀多 阃甲 霉vh i i 硕十学位论文 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 中心数据库传输控制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电话、无线、 卫星、网络等多种方式，后面将逐一介绍踊1 。 ， 4 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、自动较时、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。 由于系统中有控制命令和仪表数据需要传送，其通讯方式的选择就显得特别 重要。本章先就自动抄表系统中常用的各种通讯方式进行分析，包括控制器与上 位机之间的上层通讯和底层仪表数据采集需要的底层通讯，然后综合比较各种通 讯方式的特点。 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1 ：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，己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 方式进行分析盯1 。 2 2 1 公用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 ht 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。 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 5 基丁以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 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 抄表的技术己经比较成熟，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。 父7 ， 、 一 蛰 ，j o 獭弦盘。：稳 l - | i li l i 。r 。1 严一。 图2 2 公众电话网自动抄表系统的结构图 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 in ec a r r ie 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 工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。电力线载波远 程自动抄表系统的结构如图2 3 所示。 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 硕士学位论文 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。 图2 3 电力线载波远程自动抄表系统的结构图 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来。 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 用于分布范围比较广、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：另一种是基于 g s m g p r s 网络的无线自动抄表系统。下面分别介绍这两种无线抄表系统汨。 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。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。 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， 7 基r 以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 其主要优点有阳3 ： 恻恻剜 扩- 杪、v 图2 4 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的结构图 ( 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： ( 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； ( 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 12 0 0b 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。 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 t 6 4 5 1 9 9 7 通讯公约”。 2 。2 4 基于g s m 网络的无线抄表系统 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，h 就1 _ ：r 以实现远程无线抄表。在实际抄表过程中，由管理中心 k“掣0ij p口曼 一 t，ii、一西 # 一n u 了 | 卜 巨巴 硕士学位论文 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。 。“n i ，t ! i i t 。 图2 5 基于短消息方式的远程自动抄表系统的结构图 基于短消息方式的远程自动抄表系统具有以下几个优点n 们： ( 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。 ( 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。 ( 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。 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。 9 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 2 3 以太网自动抄表系统 随着近年来网络技术的快速发展，以太网己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。以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多 路访问冲突检测即c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c 0 1 1 i s i o n d e t e c t i o n ) 的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站 都不断向总线发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输， 而其他工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。冲突检测方法保证了只 能有一个站在电缆上传输。c s 姒c d 访问控制方式主要用于总线形和树形网络拓 扑结构的基带传输系统。c s m a c d 的中心设计思想为帧听( 监听) 总线。 查看信道上是否有信号是c s m a 系统的首要问题，各个站点都有一个“帧听 器刀，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息( 也称为载波识别) ，如果信道 已被占用，则此工作站等待一段时间然后再争取发送权；如果帧听总线是空闲的， 没有其他工作站发送的信息，就立即抢占总线进行信息发送。查看信号的有无称 为载波帧听，而多点访问指多个工作站共同使用一条线路。 c s m a 技术中要解决的另一个问题是帧听信道已被占用时，等待的一段时间如 何确定。通常有两种方法：一种是当某工作站检测到信道被占用后，继续帧听下 去，一直等到发现信道空闲后，立即发送，这种方法称为持续的载波帧听多点访 问。另一种是当某工作站检测到信道被占用后，就延迟一个随机时间，然后再检 测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲后，开始发送信息，这称为非持续的 载波帧听多点访问n 。 冲突检测( 碰撞检测) ：当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或 两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲 的，同时都认为可以发送信息，从而一起发送，这就产生了冲突( 碰撞) ；另一种 情况是某站点帧听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点己经发送了信包， 但由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的缘故，如果此站 点又发送信息，则也将产生冲突，因此消除冲突是抄表系统中要解决的一个重要 问题。 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 统通过局域网( l a n ) 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，采用以太网作为传输媒介的远程自动抄表 l o 硕士学位论文 系统主要有以下的优点【l 2 | ： ( 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。 ( 2 ) 网络速度较快。现在常用的以太网大都是基于1 0 m 10 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。 ( 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 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 以太网技术的应用在世界先进国家己相当普及，在我国也随着计算机用 户的迅速增长而全面铺开，拥有广阔的发展前景。 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 6 所示。 l j ，? z r t 一 图2 6 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。 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 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 r n 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n 引： ( 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、分析、 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口钔： ( 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。 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 随着网络技术和计算机技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信网络 性能、质量和可靠性都得到稳步的提高，网络应用的可靠性是可以信赖的，因此， 顺应“网络服务一和“网络应用 扩展的大潮，采用网络为通讯手段的远程自动 抄表技术得到了快速的发展。 在此过程中，各种实时性网络、现场总线网络相继出现。其中，以太网在于 其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，不但基本垄断了商业领域的网络市 场，而且在工业控制领域( 主要在企业管理层) 也得到了大规模的应用。目前许多 大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层的通信，而且各种现场总线 也开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。 我们提出的远程自动抄表系统就是利用以太网方便、快捷、稳定的性能来设 计和实现的。在这一章中，我们首先来了解一下以太网的情况，再讨论如何建立 基于以太网的远程自动抄表系统。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n 朝。 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帧听多路访问c s m 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 f f ) 算法处理冲突。 c s m 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z 一1 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 m a 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， 基于以太网的嵌入式自动抄表系统的研究 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n 们。 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。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，用瓦h y ，k ，和分别表示通信延迟，排队延迟，发送 延迟和传输延迟。则有： 瓦h y 2 k + k + ( 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 节点个数为虬，在时间t 内初次发送数据的节点个数为肿，则有触n 一”。 假设各节点上新到达的数据服从参数为a 的泊松分布，则没有数据到达的概率是 e ，那么在没有发生冲突的情况下，初次发送数据的概率是= 卜p 。而在发 生冲突的情况下，基于b e b 算法，发送数据的概率是巴= 2 一，这里的i 是发