（电力系统及其自动化专业论文）短距离无线通信技术在抄表系统中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，v a r i o u s i n d u s t r i a la n dp u b l i cm e t e r sa r eg e t t i n ga ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o nd a yb y d a y ，a n ds c a t t e ri nal a r g ea r e a t h ew a yo ft r a d i t i o n a lm e t e r i n gm o d en o t o n l ye x p e n d sag r e a td e a l o fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，b u ta l s o c a nc a u s em a n yo t h e rp r o b l e m s ，f o re x a m p l ec a n n tg e tt h ec o r r e c td a t a i nt i m e b u tt h ea 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 gt h ec o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，c a ns o l v et h ep r o b l e m s i tc a ng e tm o r ee x a c t d a t a si nt i m e ，r e d u c et h em a n p o w e r ，a n do v e r c o m em a n yo t h e r s h o r t c o m i n g s b e c a u s et h ec o m p li c a t ec i r c u m s t a n c eo ft h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，o n l yu s i n go n em e t h o dc a nn o ts a t i s f ya c t u a lr e q u e s t s oa c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls i t u a t i o na n du s i n gt h es u i t a b l ew a y so fc o m m u n i c a t i o n ，t h e s y s t e mc a nw o r ks t a b i1 i t ya n ds u i tt h er e q u e s t ，t h e r e f o r ec o m m u n i c a t i o n i st h ek e yo ft h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e rt e c h n o l o g i e sa n do t h e rr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，t h es h o r td i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m e su s e dm o r ea n dm o r e w i r e l e s sl o c a la r e a n e t ( w l a n ) 、b l u e t o o t h 、z i g b e e 、a dh o ca n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) t e c h n o l o g i e sh a v em a d eg r e a tp r o g r e s 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 gt h i sw i r e l e s st e c h n o l o g y ，c a no v e r c o m em a n yd i f f i c u l t i e s ，f o r e x a m p l es h o r tc i r c u i t ，l i n eb r e a ka n ds oo n ，a l s oc a nm a i n t a i nt h es y s t e m e a s i t y t h i st e x tt e l l ss o m ew a y so fc o m m u n i c a t i o nu s e di na 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 n du s e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n do t h e rc o m m u n i c a t i o n s t om a k eu pt h es y s t e m t h isw a yc a nm a k et h es y s t e mm o r ef l e x i b l ea n ds o l v e s o m es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ls y s t e m t h et e x ta l s ot e l l st h e h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h et e r m i n a la n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n ds oo n t h es y s t e mu s e sc 8 0 5 i f 3 1 0a sp r o c e s s o ra n dc c l1 0 0w i r e l e s sc h i pa s aw i r e l e s st r a n s c e i v e rt om a k eu pt h ew i r e l e s sc o r r e s p o n d e n c em o l dp i e c e ， v 山东大学硕士学位论文 a n dw r i t ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，t oc o m p l e t et h ew i r e l e s st r a n s c e i v e r t a s k a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o r td i s t a n c ew i r e l e s sa n dd r a w l e s s o n sf r o mt h ep o p u l a rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，d e s i g nas u i t a b l e r o u t i n gp r o t o c o lf o rt h ew i r e l e s ss y s t e m t h es y s t e mu s i n gt h em e t h o d s o fa u t o m a t i cr o u t i n ga n ds e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r kt oc o l l e c tt h ed a t a s i nap a r t i c u l a rd i s t r i c t ，a n dt h e nt h r o u g hd a t ac o n c e n t r a t i o na n dg p r so r o t h e rm e t h o d sc o ll e c td a t a si nal a r g ea r e at oc o m p l e t ea u t o m a t i c a l l y m e t e rr e a d i n gt a s k t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mu s i n gs h o r t d i s t a n c e w i r e l e s si sr u n n i n gs t a b l ya n dr e li a b l y ，r e a c h e st h ed e s i g n r e q u e s t i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gt h es a f e t ya n de c o n o m i c a l o p e r a t i n gl e v e l o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n de n h a n c i n gt h e e n e r g y m a n a g e m e n ta n dp o w e rs u p p l yq u a lit y 【k e y w o r d ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ：s h o r td i s t a n c e w i r e l e s s ；w i r e l e s sc h i p ；r o u t i n gp r o t o c o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：上霪盛 日 期：丝竺z 生盆 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) l 一 论文作者签名：衅导师签名二z 兰二二日期：2 塑：兰i ! 二 | 山东大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 课题研究背景与意义 随着我国电网改造及电力商业化运营，国家电力公司明确指出要为开放居民 生活用电市场做准备，并且确立“一户一表、集中抄表、银行联网”的长远目标， 这大大增加了抄表工作量，使自动抄表的建立变得更为迫切【1 】。自动抄表系统是 一个对客户电能消费隋况进行远方监控，电量采集、传输处理的实时系统。它采 用先进的计算机技术和通信技术，是目前较为流行的电能计量手段。由于电力系 统的现场情况十分复杂，单独依靠某一种通信方式不能满足实际要求，只有综合 不同通信方式的特点，取长补短，因地制宜，才能得到适合现场要求的通信模式， 因此通信问题是自动抄表系统的关键。 自动抄表系统中的通信系统是把数据传送到控制中心的信道。为了适应不 同的环境条件以及成本要求，通信系统的构成有多种方案。不同的通信方式既可 以单独完成任务，也可以联合使用共同完成抄表任务。按照通信介质的不同，通 信系统可以为分有线抄表方式和无线抄表方式。有线方式主要包括光纤传输、4 8 5 总线方式、电话线、载波方式等；无线方式主要包括g p r s 、g s m 、短距离无线等。 除此之外还有许多新技术不断在自动抄表技术中出现，如蓝牙技术、嵌入式系统、 c d m a 技术、无线局域网，以太网技术等。在此不再叙述，具体可以参考文献 【4 】【6 】【8 】。 不同的通信方式有不同的优缺点，在实际工程中应该根据其所在的地形、环 境、要求、施工难易程度等，因地制宜的选择合适的通信方式来完成抄表任务。 表1 1 给出了几种常见抄表通信方式的优缺点比较。 比较这几种通信技术，可以看出采用短距离无线通信技术有着很好的发展前 景。各类有线抄表方式由于需要长距离布线，布线工作重，还存在着短路、断线 隐患，错综复杂的线路使系统调试和维护困难重重；而且在停电时间超过备用电 池所能担负时间的情况下，系统、终端读数不可避免的会出现误差【9 1 ；而且有些 小区对布线有着严格的要求，使得用有线方式难以进行。而采用短距离无线方式， 则无需架线，成本低，线路开通快，扩展方便，当出现故障时，其它非故障部分 可迅速组网，维护方便。因此用无线方式传输电表数据，成为远程自动抄表方式 的很好的选则。该技术采用无线的方式传输电表数据，采集器与数据集中器之间 i 山东大学硕士学位论文 不需要任何连线，电表的数据通过无线传输模块进行传输，采集器可以对表具的 运行状态进行监测并将表具的工作状态传输到数据集中器。 表1 1几种抄表方式的比较【1 】【3 】【4 】【5 】【6 】【7 】【7 】【1 0 】 抄表方式优点缺点 4 8 5 方式 数据传输速度较快，可靠，稳布线工作量大，通信信道易受 定，通信质量较高外界因素破坏，损坏后故障排 除困难，后续维护工作量大 载波 可靠性高、投资少、施工期短、噪声和信号衰减，很难保证传 设备简单、与电网建设同步、输的质量。其次，还须解决故 覆盖面与电力系统一致障时通信的问题 光纤 频带宽，通信距离远，传输速 造价和安装费用都比较高 率高，抗干扰能力强 电话线 这种通信方式投资小，适用范无法实时监控，传输数据易堵 围广，适合不方便布线的地区塞，租赁费用偏高，不适合大 容量系统的通信传输 g p r s 永远在线、按流量计费、快捷有包丢失现象，存在转接时延， 登录、高速传输、自如切换服务质量受制于运营商的服 务，系统安全性较差，运行费 用较高 红外线 操作简单方便，实现较可靠，传输距离较短，方向性强，自 且成本较低 动化程度较低。适合在计量仪 表相对集中的城市居民区应用 g s m 价格低廉，免维护，网络覆盖可靠性差，数据易堵塞或丢失， 面广，通信质量好，传输速度服务质量受制于运营商的服务 快、运行费用相对低廉、适应 性强 短距离无线 低功耗，低成本，覆盖面广， 通信能力有限，传输距离短， 无需布线，扩展方便，容易维受环境影响，容易受干扰 护，可迅速组网，安装位置不 受限制 2 山东大学硕士学位论文 总之短距离无线通信方式是一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本的双 向无线通信技术，非常适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设 备的无线联网和控制而制定的。现在其在可靠性、实用性等方面都可以同传统有 线方式相比较，而且在一些特殊环境下，更是体现了其优越性。现今在公共设施 自动化、网络、仓库和物流管理、医院监护、安全管理、国防军事等许多领域， 有线技术正在逐渐被这种新兴的无线技术所取代【1 0 1 。 1 2 短距离无线通信简介 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无 线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几百米以内，就可 以称为短距离无线通信。 低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。 首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都 很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。 其次，低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短 这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普 遍都很低，通常发射功率在毫瓦级左右。 最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的 无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计 和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式( 如载波侦听 等) 。 一般来讲，短距离无线通信技术从数据速率可分为高速短距离无线通信和低 速率短距离无线通信两类。高速短距离无线通信最高数据速率高于1o o m b s ， 通信距离一般小于10 米，典型技术有高速u w b 、w i r e l e s s u s b ；低速短距离无 线通信的最低数据速率小于1m b s ，通信距离一般在几百米内，典型技术有蓝 牙、z i g b e e 和低速u w b 【1 1 】。 高速短距离无线通信技术，目前主要应用于连接下一代便携式消费电器和通 信设备。它支持各种高速率的多媒体应用，高质量声像配送，多兆字节音乐和图 像文档传送等。 低速率短距离无线通信技术，主要用于家庭、工厂与仓库的自动化控制、安 3 4 山东大学硕士学位论文 本论文的主要内容包括： 1 介绍了课题研究的背景和意义。 2 介绍了无线抄表系统的组成，总体设计方案；并对其终端的硬件、软件 设计了做了相应的介绍。 3 结合无线芯片c c l l o o 设计了一套无线通信模块；对其软、硬件设计做 了详细的介绍，并对其性能做了相应的测试。 4 设计了一套网络路由算法，实现终端之间的无线通信，完成抄表任务； 并组网验证了协议的可靠性。 5 山东大学硕士学位论文 第二章短距离无线抄表系统的总体设计 2 1 自动抄表系统的基本组成 自动抄表系统虽然种类很多，但一般来讲其系统原理框图如图2 1 所示。由 电能表，采集终端，通信网络，集中器，主站计算机数据处理系统组成。 图2 1 自动抄表系统的基本组成 自动抄表各组成部分的主要功能【2 】【1 4 1 【1 5 】： ( 一)电能表 电能表是最基本的，也是最末端的设备，要求其具备自动抄表的功能。电子 式电能表本身就具备这个功能可以直接与采集器相连，将数据传至采集器：感应 式电能表则需要加上转换装置才能在该系统中应用。 ( 二)采集终端 采集器的作用是将多台电能表连接起来，一般为十几台或几十台，将电能表 传来的数据准确接收、累计、存储，在需要时将数据以某种方式向上一级发送。 采集器内部有充电电池作为后备电源，其作用是在供电线路停电的情况，由每个 采集器的电池单独向采集器和电能表供电，不会影响采集器正常抄收工作。同时， 采集器还应具备红外或其他方式的通信功能，以便在采集器与外界联系中断时， 采用半自动的方进行抄表。 7 山东大学硕士学位论文 ( 三)通信网络通信 网络也叫信道，即数据传输的通道。从集中器看，从集中器到主控站之间通 信规定为上行信道，从集中器到采集器之间通信规定为下行信道。上行信道，目 前使用的信道主要有电话网、电力网、无线通信网、光纤通信网，g p r s 通信网等。 下行信道，目前使用的信道主要有电力网、r s 一4 8 5 总线网、有线电视网等。自动 抄表系统中涉及的两段通信网络，每段可以相同也可以完全不一样，因此可以组 合出各种不同的自动抄表系统。 ( 四)集中器 集中器是整个系统的核心单元，它能够接收主站命令，依次抄收并储存各采 集器中数据，然后，通过一定的传输介质将数据传至主控站进行数据处理；并能 够实时监控电能表运行情况，对电能表运行情况进行分析，当地或远方设置抄读 间隔及自动抄表日，兼有防止非授权人员操作的功能。集中器应具备几种接口， 用来与不同的接口设备相连。 ( 五)主站计算机数据处理系统 主站计算机数据处理系统是由工作站和相应软件构成，分别接收和储存各用 户的电力数据，进行统计、分析、汇总计费和报表打印等工作。担当着整个系统 的总控制及管理工作。典型的抄表软件应具有以下主要功能： 1 ) 远程设置集中器运行参数； 2 ) 抄收整个系统中所有电能表的数据； 3 ) 主控站可远程对用户电能表进行送、断电控制； 4 ) 运行数据库，生成电量日报、月报，进行电费结算： 5 ) 对异常用户警告。 2 2 短距离无线自动抄表系统的设计构成 本套短距离无线抄表系统也是由这几部分组成。不同之处是所采用的通信方 式不是传统有线方式，而主要是一种以短距离无线通信技术为主与多种通信方式 相结合的通信方式。具有覆盖范围广、使用简单方便、节省人力、可远程监控、 远程维护等特点。本系统使用了最新的短距离无线通信技术、4 8 5 总线技术、 g p r s 、短信等多种通信手段进行数据传输。其中短距离无线通信技术是本系统中 数据采集部分重点使用的通信方式，系统采用自动中继、自动路由等方法构成数 8 山东大学硕士学位论文 据传输网络，实现特定区域的数据传递，再经由数据集中设备通过6 p r s 或宽带 等构成更大范围的数据传输网络。系统可大体分为三部分组成： 1 、数据处理中心( 抄表中心) 2 、数据集中( 小区配电房或指定部位) 3 、采集器单元( 电表箱) 具体拓扑结构图如图22 所示。 霹秘+ 馨 电表电表2电裘“ ：；_ 管警 电丧2电表n ! 图2 2 短距离无线自动抄表系统的结构图 本系统的功能要求： 一硬件要求： 1 所辖区域内采用全无线方式抄收： 2 每个采集器最多连接1 2 8 个电衰，由集中器将各采集器抄得的电表数据 传送到抄表中心。同时集抄系统软件能与省电力公司的m i s 系统进行数据通信， 上传抄收的数据。 3 抄表中心软件可根据设置的不同，政变抄表方式，可将集中器的数据定 时向抄表中心发送，也可以设簧为抄袭中心主动向集中器索要用户电表数据，集 9 山东大学硕士学位论文 中器在接收到抄表指令后，立即向抄表中心发送需要的数据。 二软件要求： 1 查询所辖区域内所有用户用电记录。 2 提供集中、分组、实时、点抄、定时( 按用户顺序) 自动抄表。 3 当日、指定日、前日、前某一天( 3 0 天内) 电量的抄录。 4 抄表软件提供友好的w i n d o w s 操作界面，用户表数据显示直观，易懂。 可将抄表数据导入其它类型的数据库或表，并可用打印机将数据全部打印出来。 三组网方式 数据采集网络组网方式主要有下列2 种： a ) 集中器与具有通信模块的电能表直接交换数据； b ) 集中器、采集器和电能表组成二级数据传输网络，采集器采集n ( n = 1 2 8 ) 个电能表电能信息，集中器与采集器交换数据。 可以采用上述二种方式混合组网。集中器可以级联，也可直接与主站连接，也可 通过r s 4 8 5 接口与公变采集终端连接。 2 3 抄表终端的硬件部分设计 抄表终端主要有采集器和集中器组成。采集器和集中器部分采用自主设计的 软硬件系统，采集器和集中器的硬件构成基本相同，主要不同之处，就是本系统 集中器带有g p r s 通信模块，而采集器没有。终端通过扩展4 8 5 口与电表通信； 通过短距离无线模块完成集中器与采集器之间的通信；扩展红外口与掌上电脑无 线通信；集中器扩展2 3 2 口与g p r s 模块通信，通过g p r s 模块实现与主站的双向 通信，上传电量和开关状态等数据，并接收来自主站的参数设置、数据采集等命 令。硬件结构图如图2 3 所示。 1 0 图2 3 终端的硬件结构图 山东大学硕士学位论文 一、g p r s 通信模块 本设计的g p r s 通信模块采用s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 ，它是工业级手机 模块，封装了t c p i p 协议转换，硬件实现比较方便。s i m 3 0 0 提供了标准r s 2 3 2 接口，只需用串1 2 1 线就能把它与单片机连接。控制命令采用s i m c o m 提供的 a t 命令集，可控制模块进行话音通信或数据通信。采集终端与g p r s 通信模块 连接后，电表数据经过协议封装后传递到g p r s 移动通讯模块，由模块与基站通 信，从基站发送到s g s n 节点，s g s n 与网关支持节点g g s n 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，经过v p n 的专用渠道，再发送到目的网络，如 i n t e r n e t 或局域网络，最终将数据传送至主站的数据中心；来自主站数据中心局 域网、i n t e r n e t 标识有g p r s 移动通信模块地址的j p 包，由g g s n 接收，再转 发到s g s n ，继而传送到g p r s 移动通信模块上，从而构架完终端与主站之间的 双向通信通道。 二、无线通信模块 本系统所采用的无线通信模块是自主研发，采用m c u 和c c1 10 0 无线芯片 来设计的一套无线通信模块，是符合实际需要、技术领先无线通信模块。该模块 具有较高的接收灵敏度、工作频率宽、低发射功率、适应温、湿度范围广、传输 距离远等特点。同时为了增强抗干扰能力和衰减能力，模块使用了自动频率补偿， 通过这种技术的使用，无线模块表现出了良好的网络适应能力和抗干扰能力，提 高了整个系统的性能。具体软、硬件设计参见三、四章。 三、与电表的通信 采集终端跟客户端的多功能电表之间是用r s 4 8 5 总线连接的。r s 4 8 5 总线 是一种串行总线，工作电压为+ 5 v 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛 采用r s 4 8 5 串行总线标准。r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共 模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故 传输信号能在千米以外得到恢复。r s 4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有 一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。r s 4 8 5 用于多点 互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用r s 4 8 5 总线可以联网构成分布式 系统，其允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 四、其他功能芯片 山东大学硕士学位论文 另外终端还包括实时时钟，f l a s h 数据存贮器( a t 4 5 d b 0 8 1 ，作为up s d 3 3 3 4 数据存储器的扩展) ，与多功能电表相连的r s 4 8 5 串行口，至g p r s 模块的逻辑 串行口，防窃电电路等。 2 4 抄表终端的软件部分设计 抄表终端主要包括采集器和集中器两种，其主要要软件功能包括数据采集， 数据通信，数据存储等，软件功能见图2 4 、2 5 。 实时数据 整点数据 冻结数据 报警数据 图2 4 采集器的主要软件功能 ( 采集器系统) _ 、 数据采集)( 数据通信)( 数据存储)f 其它 主站通信)(本地1 2 1】f其它)f 远程下载1f 自检自恢复 g p r s 等 无线 红外 4 8 5 数据转发 级联 u d p 等 图2 5 集中器的主要软件功能 2 4 1 终端与主站通信 本文终端与主站之间数据链路层通信所采用的规约是最近出台的山东省用 1 2 山东大学硕士学位论文 电现场服务与管理系统通讯规约，该规约参考了d l 一5 3 5 9 6 电力负荷控制系 统数据传输规约，d l t6 4 5 19 9 7 多功能电能表通信规约，以及国家电网公 司发布的电力负荷管理系数据传输规约一2 0 0 4 ，考虑到应用的特殊性和支持 多种通讯方式，特别是新出现的短信、g p r s 等方式【1 6 】，数据传输帧的具体介绍 详见附录a 。 终端与主站的通信主要分为两类： 1 、 由主站下发命令，终端进行处理，组织数据帧上传到主站，主要包括主站对 终端的参数设置，参数查询，编程日志，任务查询和历史数据查询等： 2 、终端主动上传数据给主站，包括事故报警信息以及按照系统设置的需要定期 上发的任务。 下面以“数据召唤”来介绍规约中终端与主站之间的通信。 通过数据召唤程序，主站可以查询终端参数，运行参数，实时数据和历史数 据等。包括整点数据( 三相电压、电流、有功、无功、谐波等) ，日极限数据( 三 相电压、电流的最大值、最小值及其发生时间，有功、无功的最大值、最小值及 其发生时间) ，事件历史数据( 掉电、上电、越限) ，1 5 分钟历史数据( 三相电 压、电流、有功、无功) 及报警数据等。 数据召唤程序流程见附录b 。 2 4 2 采集器与电表通信 终端与电能表通过r s 一4 8 5 标准串行接口连接，由于多功能电能表的制造厂 家很多，通信协议的类型也很多，但其内容大同小异。本文中将简单介绍1 9 9 8 年中华人民共和国电力工业部颁布的d l t 6 4 5 通信规约的传输标准，具体的协 议内容可见参考文献【17 】。该标准的编写参照了国际标准i e c 关于本地和总线数 据通信的有关内容，同时结合我国电力系统多功能电能表使用中的实际情况，信 息量的确定是以电力行业标准多功能电能表为依据。 该协议为主从结构的半双工通信方式。数据终端为主站( 本文中用电管理终 端为主站) 费率装置为从站( 本文中多功能电表为从站) 。每个费率装置均有各 自的地址编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧 起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束 符等7 个域组成。每部分由若干字节组成。 1 3 山东大学硕士学位论文 使用该通信协议，终端首先要知道电能表的地址，然后按照通信规约的报文 帧格式通过r s 一4 8 5 接口向多功能电能表发送相应的报文，如果电能表确认报文 发送正确，电能表就会通过r s 一4 8 5 接口向终端返回相应的报文。终端接收到正 确的报文后，可以将其中相应的数据进行解释( 将b c d 码的数据转换成十进制 的数据) ，然后保存在相应的数据存储器内。参见附录c 。 2 4 3 采集器与集中器之间的通信 集中器与采集器之间的通信是通过无线模块完成的。根据国家法律法规的规 定和电子器件性能的限制，射频芯片的功率较小，覆盖区域有限。由于受到终端 通信覆盖区域的限制，一些终端之间不能直接进行数据通信，集中器同样不可能 覆盖所有采集终端。因此必须引入一种技术使终端之间最终能相互通信，在这里 借鉴a dh o c 技术和多跳技术，通过中间节点参与分组转发有效地缓解了信道 拥塞问题，这样使终端的设计难度和成本降低，同时也扩大了网络的覆盖范围。 这样就极大促进了无线抄表技术的发展。通信、组网过程参见第五章。 2 5 抄表系统主站软件功能介绍 主站计算机采用工业控制用计算机，负责实时抄录集中器的抄表数据，并将 抄回的数据存储( 或者存储在服务器上) ；可自动记录所有抄表有关的操作( 包 括自动和手动操作) ，并存储到日志数据库中，用户可以在查询日志时检查中心 计算机的工作状态。具体功能见表2 1 。 1 4 山东大学硕士学位论文 表2 1系统软件业务功能要求 功能模块 功能描述 抄录集中器保存的每天指定时间的数据；该功能还主要针对由 定时抄表 于计算机故障或通信通道不畅造成的自动计划抄表任务失败， 采取人工补抄的方法补抄数据。 实时抄表 立即抄回当时的电表数据。 指定日抄表抄录集中器保存的指定日数据。 使用该功能可对指定电表进行实时抄录，可以了解指定电表的 点抄电表 表底及工作状况。 通过该功能可以了解集中器内存中电表信息的存储情况，是集 校验集中器数 据 中器工作状态判定的重要依据。同时可对集中器所带的电表参 数进行设置。 集中器校时用于调校集中器的时钟，保证整点抄表的时间准确性。 此功能主要针对可以进行远程表号设置的电表( 如威胜表等) 进 设置表号 行电表表号的设置工作。 该软件对自动抄表及人工抄表等操作进行了记录，并将工作日 工作日志记录 志写到数据库中，可供将来查看。 1 5 山东大学硕士学位论文 第三章无线通信模块的硬件设计 3 1 短距离无线通信方案的选择 在短距离无线通信的开发过程中，芯片的选择上一般来说有两种不同的方 法： 一、直接使用无线单片机( 例如t i 生产的c c 2 4 3 0 ) ，其特点是m c u 和 无线收发芯片集成在块芯片上，这样在同一块芯片上便可完成无线通 信，无需再加控制器( m c u ) 。这样可以直接在芯片上进行开发，也省 去了m c u 和无线接收芯片的连接问题，节约了资源，也减少了体积， 增强了m c u 和无线芯片之间的抗干扰能力。具体如何开发可参考【18 】。 二、另一种选择是采用单片机加无收发线芯片的形式，这样单片机与无 线芯片之间可灵活搭配。如果用户的系统本身已有单片机或熟悉某一种 单片机，那么只要再加上一个无线芯片即可实现无线通信，经济实惠而 且不增加开发困难。用户可以使用p i c ，c 8 0 5 1 ，a r m 或其他任何一种 单片机来与无线芯片搭配，无线芯片有c c l l0 0 ，c c 2 5 0 0 ，n r f 2 4 0 1 等可供选择【1 0 】。 比较这两种方式：采用第一种方式，我们可以使用的单片机资源受到一定的 限制，不受自己控制，有些功能难以实现或不易实现，有些整合芯片的单片机也 有可能是自己不熟悉的，需要重新学习开发，开发起来比较困难；采用第二种方 式，单片机可以选择自己熟悉的，不会带来开发的困难，与无线芯片的连接方式 也比较简单。因此在无线通信开发过程中，我们采用第二种方案来进行硬件设计。 这样可以采用熟悉的c 5 1 单片机来控制无线芯片，使得无线通信的开发比较简 单，可以利用的资源多，扩展功能也很方便。 3 2 几种射频芯片的比较 由于无线收发芯片的厂商和种类比较多，如何在设计中选择所需要的芯片是 非常关键的，正确的选择可以少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。在 选择无线收发芯片时应该考虑以下几点： 1 、发射功率 在同等条件下，为了保证有效和可靠通信，应在相关规定功率发射范围内， 1 7 山东大学硕士学位论文 尽量选用发射功率较高的产品。对于抄表系统，发射功率应该小于5 0m w 。 2 、功耗 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该 根据需要选择综合功耗较小的产品。 3 、收发芯片所需的外围元件数量 芯片外围元件的数量直接决定产品的成本，因此应该选择外围元件少的收发 芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及 声表面滤波器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大加大成本。 4 、其它 另外对无线收发芯片的选择还要考虑一下几个方面的参数：灵敏度、传输速 度、无线收发芯片工作时收发状态的切换及唤醒所需的时间( 因为切换速度不够 快会导致数据丢失) 。表3 1 列出了几种常见的无线收发芯片的性能比较。 表3 1 几种常见无线芯片的比较 1 9 2 0 2 1 1 1 2 2 1 2 3 1 n o r d i cn o r d i cc h i p c o nx e m i c sr f m d r f 4 0 1n r f 9 0 5c c l l 0 0 e 1 2 0 1r f 2 9 1 5 工作频率： 4 3 3 4 3 3 8 63 0 0 3 4 8 4 0 0 - 3 0 0 5 0 03 0 0 - 10 0 0 m h z 8 9 1 54 6 4 8 0 0 9 2 8 调制方式f s kg f s k a s k f s k g f s f s k a s k f s k k m s k 发射电流 2 7 m a 1 1m a 1 5 6 m a 1 2 m a s d2 2 m a 1 0 1 0 d b m一1 0 d bb md b m m 接收电流：m a1 1 12 515 6 66 1 工作电压：v2 7 5 21 9 3 61 8 - 3 62 4 5 52 4 5 0 5 最大输出功1o1o 1o 58 5 率：d b m 灵敏度：d b m10 5 1o o一1 10 10 99 9 传输速度：2 010 01 2 5 0 0 ( 可 6 4 1 5 0 9 6 k b p s 控) 切换时间：发5 m s 6 5 0 u s2 1 5 u s6 0 u s1 0 0 u s 射一接收 切换时间：接3 m s 6 5 0 u s 9 6 u s15 u s1 0 0 u s 收发射 通过比较表中的几种无线芯片，可以看出c c l l0 0 芯片具有传输功率高，传 输速度快，并可以灵活选择，可以根据具体情况选择不同的传输功率和传输速率， 1 8 山东大学硕士学位论文 ! ! ! = = ! = ! ! ! 苎! = 1 1 = = 1 = 二二= = ixi 二1 二= 二二；1 二1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 詈! ! ! 竺! 苎! 以便达到更好的效果；切换时间快，灵敏度高，c c l l0 0 的功耗很低，接收电流 消耗低达14 - - 15 m a ( 与所要求的通信距离有关) ，接收敏度高 ( 1 1o d b m 1 2 k b p s ) ；而且c c1 10 0 和一个微控制器及若干被动元件组合就 可以一起使用，使用的外部器件少。c c l1 0 0 模块适用于极低功率u h f 无线收 发器，a m r 自动抄表系统，电子消费产品，远程遥控控制，低功率遥感勘测， 住宅和建筑自动控制，无线警报和安全系统，工业监测和控制，无线传感器网络， 无线唤醒功能，低功耗手持终端产品【1 0 】。因此在选择无线芯片时，c c l l0 0 芯 片是很好的选择。 3 3 无线通信模块的硬件设计 3 3 1c c l l0 0 的简介【2 1 】 c c l l0 0 是一种低成本真正单片的特高频u h f 收发器，为低功耗无线应用而 设计。电路主要设定为在3 15 、4 3 3 、8 6 8 和9 15 m h z 的l s m ( 工业，科学和医学) 和s r d ( 短距离设备) 频率波段，也可以容易地设置为其他频率。 c c l l0 0 的r f 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器 支持不同的调制格式，其数据传输率可达5 0 0 k b p s 。通过开启集成在调制解调器 上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 c c l l0 0 为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质 量指示( l q i ) 等提供广泛的硬件支持。c c l l 0 0 的结构简化框图如图3 1 所示。 c c1 10 0 的主要操作参数配置和数据传输操作可通过s p i 接口控制。在一个 典型系统里，c c l l0 0 只需要少量的外部元件，推荐的应用电路如图3 2 所示。 图3 1c c l l0 0 简化框图 s c b o “田o i i c 钿 g o p 盯日盯 g d 1 9 山东大学硕士学位论文 c c l l 0 0 接收的r f 信号通过低噪声放大器( l n a ) 放大，在通过i q 信号变 换到中间频率( i f ) 。在i f 下，i q 信号通过a d 转换成数字信号。然后在通过自 动增益控制( a g c ) ，解调位数据包同步等数字化工作。c c l l 0 0 的发送器 部分基于r f 频率的直接合成。频率合成器包含一个完整的芯片压控振荡器( l c v c o ) 和信号的9 0 度相移装置，用来形成在接收模式下的i 和q 信号。 将晶振连接在x o s c q 1 和o s c q 2 上。晶振便可以产生合成器的参考频 率，同时为数字部分和a d c 提供时钟。 图3 2c c l l 0 0 的典型应用电路 表3 2c c l l 0 0 一般所需外部原件 a n c e n 旧 5 0 0 h m ) 元件描述 c 5 1 数字部分的片内电压调节器的1o o n f 退耦电容 c 8 1 c 1 0 1晶体负载电容 c 1 2 1 c 1 3 1r f 平衡转换器匹配电容 c 1 2 2 c 1 2 3 r f 滤波匹配电容 c 12 4 r f 平衡转换器d c 模块电容 c 12 5r fl c 滤波d c 模块电容，在天线中有d c 通路时需要 l 1 2 1 儿1 3 1r f 平衡转换器匹配电感( 多层类型) l 1 2 2 l 1 2 3 r fl c 滤波匹配电感( 多层类型) r 17 1内部偏电流参考的5 6 千欧电阻 t a l2 6 m h z - 2 7 m h z 晶体 _i鲁l三面薯研10 山东大学硕士学位论文 3 3 2c 8 0 5 1f 3 1 0 的简介1 2 4 c 8 0 5 1f 3 1 x 器件是完全集成的混合信号片上系统型m c u 芯片。下面列出了 一些主要特性： 1 高速、流水线结构的8 0 51 兼容的c i p - 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ： 2 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 3 带模拟多路器、真正1 0 位2 0 0k s p s 的2 5 通道单端差分a d c ； 4 高精度可编程的2 5 m h z 内部振荡器； 5 16 k b ( c 8 0 5 1f 3 1 0 1 ) 或8 k b ( c 8 0 5 1f 3 i2 3 4 5 ) 可在系统编程的f l a s h 存储器； 6 1 2 8 0 字节片内r a m ； 7 硬件实现的s m b u s 1 2 0 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口； 8 4 个通用的16 6 定时器； 9 具有5 个捕捉i ；i s 较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列； 1 0 片内上电复位、v d d 监视器和温度传感器； 1 1 片内电压比较器( 2 ) ； 12 2 9 2 5 个端口i o ( 容许5 v 输入) ； 具有片内上电复位、v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1f