（物理电子学专业论文）一种新型无线抄表系统的设计.pdf

摘要 随着经济的飞速发展和国家“一户一表”工程政策的全面实施，用电需求越来越大， 电度表的数量也迅速增加；住户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。而传统的 抄表方式存在入户麻烦、管理费用过高等弊端，已经不适应现代物业管理的需要。为了提 高管理水平，供电企业迫切希望通过现代化的手段，对用户用电的监测过程实现自动化、 规范化。随着电子技术、通信技术和计算机技术的发展，出现了许多新的技术，而无线抄 表技术正是为了适应电力系统的迅速发展和经营管理体制的新要求而提出的。 本文设计了一种基于l p c 2 1 3 8 和g p r s 技术的新型无线抄表系统，此系统主要由菲利 普公司的a r m 7 微控制器l p c 2 1 3 8 、射频收发芯片n r f 9 0 3 、g p r s 模块m c 5 5 和g p r s 网络构成，实现了用户用电信息的无线采集、预付费、分时计费和实时监测等功能，有效 防止了欠费和窃电等情况的发生。该系统通过l p c 2 1 3 8 可高效地完成数据的采集和处理工 作，并简化了电路，是一种成本低、可靠性高、反应快、传输速率快、实时性强的无线抄 表系统。 l p c 2 1 3 8 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 位a r m 7t d m i - s t mc p u 的微 控制器，并带有5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接1 2 1 和独特的加速 结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。较小的封装和极低的功耗使l p c 2 1 3 8 可以 理想地用于小型系统中，丰富的串行通信接口和片内3 2 k b 的s r a m 则提供了巨大的缓冲 区空间和强大的处理功能。2 个3 2 位定时器、2 个1 0 位8 路a d c 、1 个1 0 位d a c 、p w m 通道和4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断使本系统简化了电路，提高了 数据处理能力。 本系统由电度表、采集器、集中器和监控中心组成，采用了两种通信方式，既通过无 线射频模块n r f 9 0 3 和g p r s 模块m c 5 5 进行通信。采集器和集中器之间通过由无线收发 模块组成的局域无线网络进行通信，集中器和监控中心之间通过g p r s 模块在g p r s 网络 中传输数据。通过本系统，不仅实现了用电信息的采集和实时监控，还可以实现用户预交 费和分时计费功能，监控中心每月扣除用电费用，如果余额不足，就通过发手机短信等形 式向用户催缴电费；若用户在期限内没有缴纳，本系统就向该用户电度表发送控制信号， 进行断电等操作。另外，监控中心可以通过局域网进行w e b 发布，用户就可以通过上网查 询用电信息。 在进行采集器和集中器的硬件电路设计中，为提高系统电路的通用性，本文采用了模 块化设计，采集器模块由电源、电度表控制模块、蜂鸣器、数码管和射频收发模块组成； 集中器模块由电源、射频收发模块、键盘、e 2 p r o m 、显示器l c d 和g p r s 模块组成。在 进行软件设计中，也遵循了模块化的设计思想，既考虑了个模块功能的实现，又兼顾了程 序的总体协调性。本系统的软件设计分采集器、集中器和监控中，t 二, - - 个层次，其中运行于 采集器和集中器之间的程序采用c 语言编写，经过a r m 编译系统生成可执行程序，运行 于l p c 2 1 3 8 中。监控中心软件由v i s u a lb a s i c6 0 开发，数据采用s q l s e r v e r 数据库存储。 同时，软件采用了结构化的设计，使系统便于完善和维护。 总之，该系统使电力公司及物业管理部门从根本上减轻了人工上门抄表的劳动强度， 克服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性，推进了电能管理现代化的发展进程。该系 统对提高电力部门的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义。准确而便捷的无线抄 表系统，既可节省人工又可减少供电部门与客户之间的纠纷，不但能提高管理部门的工作 效率，也适应现代用户对用电缴费的新需求。 关键词：g p r s ；l p c 2 1 3 8 ；m c 5 5 ；无线抄表 2 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dp o l i c yo f f u l li m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o j e c tt h e c o u n t r y , i n c r e a s i n ge l e c t r i c i t yd e m a n d ，e l e c t r i ci n s t r u m e n ti sa l s oar a p i di n c r e a s ei nt h eq u a n t i t y ； e n v i r o n m e n td e m a i l d sf r o mr e s i d e n t i a lt e n a n t sa n dp r o p e r t ym a n a g e m e n tl e v e la r ei n c r e a s i n g t h et r a d i t i o n a lw a yn ol o n g e rm e e t st h en e e d so fm o d e r np r o p e r t ym a n a g e m e n t b e c a u s ei th a s m a n vd e f e c t ss u c ha se x c e s s i v ea d m i n i s t r a t i v ec o s t sa n dt r o u b l e s i n o r d e rt oi m p r o v et h e m a n a g e m e n tl e v e lo fc u s t o m e r s ，p o w e rc o m p a n i e s a r ee a g e rt or e a l i z ea t o m i z a t i o na n d s t a n d a r d i z a t i o n ，t h r o u g hm o d e r nm e a n so fm o n i t o r i n gt h ep r o c e s so fu s i n g e l e c t r i c i t yt ot h eu s e l w i t he l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , w i r e l e s sr e c o r d i n gt e c h n o l o g y i sp u tf o r w a r di no r d e rt oa d a p tt ot h er a p i d d e v e l o p m e n ta n dn e wd e m a n d s o fm a n a g e m e n ts y s t e m n e ww i r e l e s sr e c o r d i n gs y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nl p c 2 1 3 8a n dg p r st e c h n o l o g yi n t h i sa r t i c l e ，t h i ss v s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fp h i l i p sa r m 7m i c r o c o n t r o l l e rl p c 2 1 3 8 ，r f t r a n s c e i v e rc h i p n r f 9 0 3 ，g p r sm o d u l em c 5 5a n dg p r sn e t w o r k s ， r e a l i z i n gw i r e l e s s a c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gf o re l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n de f f e c t i v e l yp r e v e n t i n g as i t u a t i o n s u c ha sa r f e a r sa n dt h eo c c u r r e n c eo fe l e c t r i cla r c e n y t h es y s t e mc a ne f f i c i e n t l ya c h i e v e l p c 2 1 3 8d a t ap r o c e s s i n g ；s i m p l i f yt h ec i r c u i t ，b e c o m i n gal o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , q u i c k r e s p o n s e ，q u i c kt r a n s f e rr a t e s ，a n dr e a l t i m ew i r e l e s sr e c o r d i n gs y s t e m l p c 2 1 3 8i sb a s e d0 nar e a l t i m es i m u l a t i o na n de m b e d d e ds u p p o r tf o rt r a c k i n gt h e3 2 - b i t a r m 7t d m i s t mc p uo ft h em i c r o c o n t r o l l e r , 51 2 k be m b e d d e dw i t hh i g h - s p e e d f l a s h m e m o r y 1 2 8 b i tm e m o r yi n t e r f a c ew i d t ha n dt h eu n i q u es t r u c t u r eo fs p e e d i n gu p m a d ea3 2 - b i t c o d er u na tt h em a x i m u mc l o c kr a t e s m a l l e rp a c k a g ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nm a k es u r e t h a tt h el p c 2 1 3 8c a nb ei d e a l l yu s e df o rs m a l ls y s t e m s ，w i d er a n g eo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ea n d3 2 k bo fs r a mc h i pp r o v i d ee n o r m o u sb u f f e rs p a c ea n dp r o c e s s i n gp o w e r 。l - w o 3 2 b i tt i m e r s t w o1 0 - b i t8 - c h a n n e la d c ，o n e1 0 b i td a c ，p w m c h a n n e l sa n d4 7g p i oa n du p t on i n ee d g eo rl e v e lt r i g g e r e de x t e r n a li n t e r r u p tt oe n a b l et h es y s t e mt os i m p l i l yt h ec l r c a l t ， i m p r o v e d a t aa b i l i t yt od e a lw i t h t h es v s t e mi sc o m p o s e do fe l e c t r i ci n s t r u m e n t ，t h ec o l l e c t o r , c o n c e n t r a t o ra n dc o n t r o l c e n t e r s ，u s i n g 押om e a n so fc o m m u n i c a t i o n ，b o t ht h r o u g hw i r e l e s sr fm o d u l en r f 9 0 3a n d g p r sc o m m u n i c a t i o nm o d u l em c 5 5 c o l l e c t o rc o m m u n i c a t i o n sw i t hc o n c e n t r a t o rt h r o u g ht h e l o c a la r e aw i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sw h i c hi sm a d eu po ft h ew i r e l e s st r a n s c e i v e r m o d u l e c o n c e n t r a t o r sa n dc o n t r o lc e n t e r s r e a l i z ed a t at r a n s m i s s i o n ，t h r o u g ht h eg p r s n e t w o r k t h es y s t e mn o to n l yr e a l i z et h ep o w e ro fi n f o r m a t i o n c o l l e c t i o na n dr e a l t i m e m o n i t o r i n 岛u s e r sc a na l s oa c h i e v ep r e p a i di n t e r n e tb a n k i n g ，m o n i t o r i n go fe l e c t r i c i t yp e rm o n t h 3 d e d u c t e df r o mt h ec o s t ，i fl e s st h a nt h eb a l a n c eo nt h es y s t e mt h r o u g ht h em e t e rt os e n dt h eu s e r w a n tt o c o n t r o ls i g n a l ，s u c ha sf o rp o w e ro p e r a t i o n i na d d i t i o n ，t h em o n i t o r i n gc e n t e rc a nb e r e l e a s e dt h r o u g ht h ew e bl a n ，u s e r sc a np o w e rt h r o u g ht h ew e b s i t ei n f o r m a t i o n d u r i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t so ft h ec o l l e c t o ra n dc o n c e n t r a t o r ，i no r d e rt oe n h a n c e s y s t e mv e r s a t i l i t yc i r c u i t ，t h i ss y s t e mu s e sam o d u l a rd e s i g n ，c o n c e n t r a t o ri sc o m p o s e do ft h e p o w e r , r ft r a n s c e i v e rm o d u l e ，k e y b o a r d ，e 2 p r o m ，l c dd i s p l a y sa n dg p r sm o d u l e i n s o f t w a r ed e s i g n ，f o l l o w i n gt h es a m em o d u l a rd e s i g ni d e a ，w ec o n s i d e rt h ei m p l e m e n t a t i o no fa m o d u l e ；t h ep r o c e d u r eh a st a k e ni n t oa c c o u n tt h eo v e r a l lc o o r d i n a t i o n t h es o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e ms u b c o l l e c t o r , c o n c e n t r a t e da n dt h et h r e el e v e l so fm o n i t o r i n gc e n t e r s ，w h i c hr u n o n c o l l e c t o ra n dc o n c e n t r a t o ro nt h ep r o c e d u r e su s e db e t w e e nt h ec l a n g u a g e ，s y s t e m - g e n e r a t e d t h r o u g ha r mc o m p i l e re x e c u t a b l ep r o g r a m ，r u n n i n go nt h el p c 2 1 3 8m e d i u m c o n t r o lc e n t e r s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c6 0 ，d a t as t o r a g eu s i n gs o ls e r v e rd a t a b a s e a tt h es a m e t i m e ，u s eo fs t r u c t u r e ds o f t w a r ed e s i g n ，a l l o w i n gt h es y s t e mt of a c i l i t a t et h er e f i n e m e n ta n d m a i n t e n a n c e t h es y s t e me n a b l e sp o w e rc o m p a n i e sa n dp r o p e r t ym a n a g e m e n td e p a r t m e n tf u n d a m e n t a l m a n u a lo n - s i t em e t e rr e a d i n gt or e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y , t h et r a d i t i o n a lm a n u a lr e c o r d i n g o v e r c o m e st h el o we f f i c i e n c ym o d e la n du n c e r t a i n t i e s ，a n dp r o m o t e st h em o d e r n i z a t i o no ft h e p o w e rm a n a g e m e n to ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s t h es y s t e mf o ri m p r o v i n gp o w e rs e c t o r m a n a g e m e n ta n de c o n o m i ce f f i c i e n c yi sn od o u b tv e r yi m p o r t a n t a c c u r a t ea n dc o n v e n i e n t w i r e l e s sr e c o r d i n gs y s t e mw i l lh e l ps a v ee l e c t r i c i t ya n dr e d u c et h em a n u a lw i t ht h ed e p a r t m e n t o fd i s p u t e sb e t w e e nc u s t o m e r s ；m a n a g e m e n tw i l ln o to n l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e d e p a r t m e n t ，b u ta l s om e e tt h en e e d so fm o d e r nc u s t o m e r st op a yf o rn e we l e c t r i c i t yd e m a n d k e yw o r d s ：g p r s ；l p c 2 1 3 8 ；m c 5 5 ；w i r e l e s sm e t e rr e a d i n g 4 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士曰论文一种新型 无线抄表系统的设计，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读 博士口硕士囱学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除 注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工 作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中己明确的方式注明。本声 明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 寺缓；，欠 日期：c ，刁钐f 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“”) 一种新型无线抄表系统的设计系本人在曲阜师范大学攻读博士口 硕士酬学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士回学位论文。本 论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他 单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版 本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印 或其他复制手段保存论文， 作者签名：李线i ，良 导师签名： 可以公开发表论文的全部或部分内容。 日期： 。叼够6 醐：冲、夕，多 一种新型无线抄表系统的设计 第一章绪论 随着经济的飞速发展和国家“两改一同价”及“一户一表”工程政策的全面实施，用电量 的需求越来越大，电度表的数量也迅速增加；同时，居民住宅的质量和档次越来越高，住 户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。而传统的抄表方式存在许多弊端，如入 户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，已经不适应现代物业管理的需要。如何既满足 新形势下人民群众日益增长的用电需求，又可将供电成本限制在供电企业能够承受的合理 范围之内，是目前摆在各基层供电部门的一个崭新课题。 1 1 自动抄表的发展现状 为了提高对客户的管理水平，供电企业迫切希望通过现代化的手段，对用户用电的监 测过程实现自动化、规范化。自动抄表技术正是为了适应电力系统的迅速发展和电力系统 经营管理体制的改革而提出的。 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 ) 系统是利用当代微机技术、数字通讯技术 与电计量技术的完美结合，集计量、数据采集、传输、处理于一体，将城乡居民用电信息 加以综合处理的系统。该系统使电力公司及物业管理部门从根本上减轻了人工上门抄表的 劳动强度，克服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性，推进了电能管理现代化的发展 进程。该系统对提高电力部门的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义。配电网中 的自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。准确而便捷的自动抄 表系统，既可节省人工又可减少供电部门与客户之间的纠纷，不但能提高管理部门的工作 效率，也适应现代用户对用电缴费的新需求哺1 。 1 1 1 自动抄表技术的发展过程 自动抄表技术的应用经历了从原始到现代的发展过程，主要分为以下几个阶段： ( 1 ) 从2 0 世纪9 0 年代早期至中期，这一阶段自动抄表系统的数据传输方式主要是 4 8 5 总线、电力线载波自制总线。这几种方式都存在各种不足之处在于：4 8 5 总线过多的 分支造成维护和使用过程中很不方便。电力线载波，抄表很不连续，能连贯传输数据的系 统很少。而这时期的采样方式主要采用脉冲采样和机械采样。系统结构形式主要是：脉冲 表+ 集中采集器。在协议方面都十分简单，基本只是几条命令。以上各种自动抄表方式工 作都不是太理想，个别的有较大误差。 7 ( 2 ) 从1 9 9 7 2 0 0 1 年，采样方式多改为磁敏传感，传输方式则以4 8 5 为主流。4 8 5 方 式下的分支问题则使用集中器、h u b 解决，此种方式可以较好地正常运转。关于系统结构， 多数厂家用增设集中器来解决用户增加的问题。电磁兼容成为这一时期系统的设计难点， 因为电度表存在瞬时功率脉冲和平均功率脉冲的不同步的问题。位置识别法在这一时期也 有较广泛的应用，因为机械位置识别的方法有较好的电磁兼容能力，无需电子存储数据， 同时也就不存在因为干扰造成数据突变的弊端。也不存在u p s 电源供电的问题。这种方式 对于机械加工及装配精度要求较高，生产过程中成品率较低，而且在读数需进位时读到的 数据产生混乱或错误。 ( 3 ) 从2 0 0 2 年至今，主流模式是数码表。完善集中抄表系统主要有几大难点：设 计时无统一标准，基本都是各自为政，使产品的普及存在难度；调试时只靠人为的标识 来区别线路施工中容易造成混乱；由于系统环节繁多，导致系统出问题的点比较多，又 由于采用集中采集的特点，一个地方出现问题可能会导致一大片出问题，因此问题很多。 1 1 2 自动抄表系统的分类 目前自动抄表系统可分为三大类砼： ( 1 ) 电力载波自抄表系统。电力载波的基本原理：通过采集终端将电度表的表头数 据调制后，通过电力线传送，在接收端解调还原成表头数字信号，在同一台变压器供电范 围内用户统一编址，并由采集器巡回读写。电力载波重要优点：利用电力线传输，节省资 源。但是我国的电网在传输过程中，经常会受无线电、电磁、脉冲信号的干扰，导致数据 传输错误，要解决我国电网的纯净度，就需要相当大的投资，并且必须解决许多关键性技 术问题。抗干扰接收问题和信号处理问题，与我国电力线上的电磁干扰和负载变化产生干 扰是电力载波抄表系统的难题。电力线各种干扰幅度很大，数据信号可能完全被淹没在噪 声之中，无法提取。因此电力载波抄表系统在我国还不太适合。 但由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据 传输有许多限制：配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一 个配电变压器区域范围内传送；不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同；电力线 存在本身固有的脉冲干扰另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不 理想的通信媒介。 ( 2 ) i c 卡预付费电度表系统。简单来说，i c 卡预付费电度表是以i c 卡作为电能量 值数据传输介质，在电度表中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结 算的智能型电度表。具体来说，在此系统中i c 卡充当信息传递的媒介，经过单片机的处 理和控制，用户从电力管理部门购买的电量通过王c 卡传递给电度表。单片机将新的购电 量和原表内剩余电量相加得到新的剩余电量，存于可断电保存的e 2 p r o m 芯片中。每用一 度电，单片机内剩余电量减一度，当单片机内剩余电量减到0 时，通过表内继电器切断用 8 户供电，用户需通过i c 卡再次购电，方可得到供电。达到先购电后用电，方便电力部门 收费管理。但i c 卡电度表存在无法实时监测和维护费用高等不足。 ( 3 ) 远传抄表系统。远程抄表系统是指在用户或变电站内计量点和供电公司的监控 中心间通过通信通道连接，通过特定的装置，借助特定的应用软件，使供电公司相关部门 或人员能够及时准确得到电度表计所记录的各种信息，从而方便用电管理和决策的综合数 据应用系统。从具体实现技术和功能上说，远程抄表系统是指从电度表输出端子将信号 ( 或数据) 输出到采集器中，经过采集器的适当处理后将数据暂时存储在采集器的存储器 内，而后在采集器的控制下按照主站的命令要求或者按照约定的规则将存储器内的数据通 过远程数据传输方式传到监控中心，在监控中心应用软件的管理下对数据分析处理，存储 到服务器数据库中，通过对这些数据的处理，可开发出各种功能应用。譬如，可以用来计 费、计算线损、开展负荷或电量预测、监测用户用电情况等。 1 1 3 自动抄表抄收模式 当前远程抄收电度表数据的方式基本分为两种。 ( 1 ) 直接抄表：简要的说就是中心站发出抄表指令后，通过采集装置直接抄读电度 表底数据，采集装置在这里只起到一个通道媒介的作用，它对表底数据不进行任何数学运 算，在这里采集装置只负责接收、传递、发送数据并且负责校验数据的准确性，以确保中 心站接收到的数据完全与远端的电度表底数据相一致。 ( 2 ) 间接抄表：与直接抄表方式不同的是中心站抄回的电度表底数据是经过采集装 置存储处理过的数据，简言之中心站将所有任务交付采集装置，它负责冻结、抄录存储相 关表底数据，比如说日电量、月电量数据，它是通过采集装置抄收本日、本月和上日、上 月同一时刻电度表的总计电量后，再通过两值相减得出的日、月电量数据，该数据不是表 内冻结电量数据值，是一个经过采集装置处理过的数据，由于表计与采集装置的时间差， 以及同一采集装置在抄收同一表计的时间唯一性上的不确定性，因而造成了该数据与表内 的冻结数据存在的一定误差。 1 1 4 自动抄表通信方式 1 1 4 1 通信信道 就通信信道而言，自动抄表系统的通信方式主要有光纤通信、有线通信、无线通信、 载波通信等n 舯。 ( 1 ) 光纤通信 光纤通信技术在近几年来获得了巨大发展和广泛应用，具有容量大、中继距离长( 在多 9 模光纤中光信号可传6 k m ，在单模光纤中可传3 0 k m 左右) 、传输速率高、不受雷电和开关 操作的影响、抗电磁干扰能力强等优点。 ( 2 _ ) 有线通信 有线通信是通过专用的有线通信线路( 如电信本地网、电话线等) 来实现通信。目前， 使用较多是租用电话网。由于电话网在城镇中快速扩展，只需要在主机、台变终端上分别 安装调制解调器即可。但应用此方式进行数据通信的缺点在于：线路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需要几秒到几十秒；当集中器数目较多时，通信效率将大幅度下降；租用 电话线路多，其租用费用也很大。租用电话线方式不适合大容量系统，但只要设置适当的 呼叫时间就可以缓解这一问题。 ( 3 ) 无线通信 无线通信是通过无线收发模块来实现通信，是_ 种广域通信手段，不需要敷设物理线 路，以双工方式工作的通信技术。一 ( 4 ) 载波通信 载波通信是利用某一种载波频率经过非通信线路传播信息的通信方式，有电力线载波 ( p o w e rl i n ec a r r i e r ，p l c ) 和配电线载波( d i s t r i b u t i o nl i n ec a r r i e r ，d l c ) 等。载波通 信的特点是只要在电力线路架设的地方配以相应的载波设备，载波通信就能进行。这种通 信方式传输速率较低，误码率较高。 1 ，1 4 2 连接方式 m 星型连接 本连接是以工作主站为中心j 以星型发散的形式通过信道与分散于各地的集中器连 接，形成了1 对n 的连接形式。这种连接方式的信道通信数据量大，要求有一定的传输速 率和带宽。 ( 2 ) 总线型连接 本连接是用1 条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互连。这种方 式下，信道上节点多，具有维护难，分支节点故障查找难、传输速率较低的缺点，一般用 于底层电能数据的采集。 ( 3 ) 网络型连接 本连接是采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操 作，因而具有很高的可靠性；网中的路径选择最短路径算法，故网上延迟时间少，传输速 率高。但控制难度大、网络管理软件复杂1 。 1 0 1 1 4 3 通信方式分类 自动抄表系统的通信方式按通信距离可分为两大类：近程通信和远程通信，前者适合 住户电度表到采集器或采集器到集中器之间的通信，其通信距离一般小于1 公里；后者适 合于集中器到管理中心，其通信距离一般大于2 公里。表1 列出了几种抄表系统常用的通 信方式。 适于近程通信的有五种：低压电力线载波通信的速率低，还没有完全解决传输可靠性 问题；蓝牙通信价格偏高，通信距离太短；r s 4 8 5 总线技术已成熟，是目前国内抄表系统 中使用最多的一种通信方式，但系统容量有限；m b u s 总线与r s 4 8 5 一样，都需要布线， 而且通信速率不高；射频( r f ) 无线通信相对其他近程通信方式，优点突出，各方面都能 很好满足抄表系统的要求。对于远程通信来说，利用现有的覆盖面宽、技术成熟、可靠性 高以及经济高效的公用电信网是首选方案，而相对与g s m 短信，基于g p r s 的通信方式 性能更优n 引。 表1 抄表系统通信方式 方式r s 4 8 5m b u s电力 蓝牙r f 无g s m g p r s宽带 线载线通短信 以太 波 信 网 通信速率中中低高高尚高问 可靠性 间 高 差局 鬲 中同中 实时性好好中好好中好好 系统容量 1 0 0 论上较为便宜。 与原有g s m 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 ) 资源 共享，频带利用率高，用户只有在进行数据传输时才占有系统资源；( 2 ) 实时在线，接入 速度快，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接；( 3 ) 传输速率高，g p r s 采用 分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享， 最高速率可达1 7 1 2 k ；( 4 ) 支持x 2 5 和口协议，可与现有的数据网络进行互连互通；( 5 ) 计费合理，以流量计费，通信成本低；( 6 ) 快捷登录，g p r s 用户开机后就始终附着在g p r s 网络上，每次使用时只需一个1 3 秒的激活过程。因此，g p s 车载终端、自动抄表系统 等远程遥测遥控系统利用g p r s 实现数据传输将成为今后发展的趋势。 面向分组的g p r s 网络基于现有的g s m 网络并引入新的网络接口和通信协议。例如 在网络中增加节点g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( j 艮务g p r s 支持节点) ，通称为 g p r s 支持节点( g s 。g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点。s g s n 的主要作用是记 录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 g g s n 是g p r s 网络与外部数据网络相连的边界节点，主要是起网关作用，它可以和多种 不同的数据网络连接，如i s 2 d n 、p s p d n 和l a n 等。对外部网络来说，g g s n 相当于子 网路由器，负责存储已获得g p r s 服务的用户的路由信息，同时也负责与外部网络的协议 转换。g g s n 接收移动台发送的数据，选路到相应的外部网络，或接收外部网络的数据， 根据其地址选择g p r s 网内的传输信道，传送给相应的s g s n 。 在以g p r s 通信网中i p 报的形式传输数据时，系统终端和g p r s 网关支持节点( g g s n ) 之间利用g p r s 网络传输，在g g s n 和用电管理中心之间采用有线( i n t e m e t ) 传输。g p r s 网络传输包括g p r s 附着过程和p d p 激活过程。当终端进入一个g p r s 网络时，终端首先 进行附着，使得网络知道终端的出现，这样就可以通过g p r s 网络接收信息，接着终端可 以进行p d p 报文激活，终端需在接收和发送g p r s 数据报文之前完成这个过程，进而与 g p r s 网络交互数据，在上行链路上发送终端用户分组数据，在下行链路上接收终端用户 分组数据，如图2 3 所示。 图2 - 3g p r s 网络结构 1 8 电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，而传统的电量结算是依靠人工定期 到现场抄取数据的，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处。将现代通信 技术、计算机技术和电量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量的使 用。而随着无线通信技术的发展，利用移动运营商提供的无线网络实现远程监控和数据传 输已被广泛应用于各个领域。通过中国移动通信有限公司的g p r s 网络，电力部门可将工 业和民用电度表采集的电力系统实时数据传递到地、市、省级的集中监控中心，以实现对 电力监测设备的统一监控和分布式管理。利用g p r s 技术组建的无线远程抄表网络具有实 时性强、建设成本少、抄表范围广、系统的传输容量大、数据传送速率高、通信费用低等 优点。 1 9 第三章系统硬件设计 3 1 系统的总体设计 本方案采用先进的基于嵌入式| lc o s i i 操作系统的a r m 平台，设计了基于g p r s 技 术的嵌入式远程抄表终端系统。本设计采用固定公网口地址方式接入i n t e r a c t ，实现与 g p r s 网络通信。短消息通信和点对点的g p r s 通信方式，可作为g p r s 方式的有效补充， 一般当g p r s 与i n t e m e t 网络连接不畅通，不能进行g p r s 通信时使用，进行少量数据的 传输。如图3 1 所示，无线抄表系统由监控中心、g p r s 模块、集中器、采集器和用户电 度表等组成，其中以固定i p 地址的p c 机为监控中心，通过g p r s 网络和i n t e m e t 网络与 监控中心进行数据交换，其主要功能是：数据采集器通过l p c 2 1 3 8 串口定时采集用户电度 表数据，并存储在采集器的存储器中。当集中器发送指令时，采集器就可以根据指令内容 进行相应操作，通过射频模块把用户电度表的历史电量数据和当前电度表数据发送给集中 器，经集中器处理后存储起来，用户可以通过键盘和l c d 查询并显示出来。集中器再与 g p r s 透明数据传输终端m c 5 5 相连，g p r s 透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据 进行处理、协议封装后发送到g p r s 网络，通过g p r s 网络发送到电力公司的监控中心。 另外，监控中心也可通过g p r s 网络和射频模块向集中器和采集器发送控制信号。监控中 心对用电数据进行统计处理，实现对用户电度表的自动采集数据、自动传输数据和远程自 动化监控。同时，通过g p r s 的双向系统实现对采集器、集中器和各种电度表的远程控制， 进行参数调整、开关等控制操作。该设计能够满足系统实时性的要求，便于系统的软硬件 升级，提高了装置的性能，同时也降低了研发成本。 g g 曲 pp rr s s 横模 块块 + 计算机计算机计算机 图3 - 1 系统总体设计 通过本系统，用户可以通过网上银行预交费，监控中心每月扣除用电费用，如果余额 不足，就通过手机短信等形式向用户发送缴费通知；若在规定的期限内没有缴纳，本系统 向该用户电度表发送控制信号，进行断电等操作。另外，监控中心可以通过局域网进行 w e b 发布，用户就可以通过上网查询用电信息。 3 2 系统工作流程 本系统大体上可分为三级：带通信接口的用户电度表、采集和管理周边若干住户电度 表的采集器和集中器、电业主管部门的监控中心，三级之间通过某种方式相连，进行数据 通信。各种形式的抄表系统之间，主要区别在于所采取的级间通信方式不同。本文在讨论 了各种通信方式并进行比较后，提出一种性价比较高的方案。本系统采用了以串行接口、 射频模块和g p r s 为基础的自动抄表系统。其中用户电度表与采集器之间通过串行接口通 信，采集器与集中器之间通过射频模块通信，集中器与监控中心之间通过g p r s 通信。 系统的流程为：采集器定时从电度表采集数据，存储到存储器中；集中器定时从采集 器采集数据，处理后存储起来；监控中心每天通过集中器和采集器采集用户电度表数据， 经统计处理后存储起来，供工作人员和用户查询；若用户的预付电费余额不足，监控中心 就通过手机短信等形式向该用户发送催缴通知，如果过期未交，就对用户进行断电。同时， 本系统能实现实时监控，具体过程是监控中心通过g p r s 网络向集中器发送查询或控制指 令，集中器接收到指令后从采集器采集当前用户电度表数据，然后传送给监控中心，或者 通过采集器对电度表进行控制，实现实时监控。在本系统中，集中器主要起通讯中转的作 用。整个网络各种设备都有唯一地址，且整个网络参数的配置可通过监控中心主站系统设 备，再自动设置到各个设备。因此，无线远程抄表的建立，配置极为方便、灵活。 3 3 系统硬件电路设计 该系统的硬件可分为两个模块：采集器模块和集中器模块。其中，采集器和集中器可 供选择的微控制器、无线收发芯片和g p r s 模块较多，本系统是以a r m 微控制器l p c 2 1 3 8 、 n r f 9 0 3 和m c