（计算机应用技术专业论文）基于GPRS智能煤气表的远程抄表系统.pdf

硕士论文 abs t ract 丁 七 e sy st c m 旧 e d o o 巩one g asm e t e r ， h asbeen 韶 hi e v ed inc h 山 a . b e c auseth e 9 韶 m e n needm ak e r e c o r d s one byo ned o o r， al 1 k i n dsofprobl e m s 卜 w e emer g e d aj l d h a v e 悦e n n otad a p t edtoth e m 司e mc o n s o u c ti on ofthe ci ty. the 砂 s y st e m“ g asm e t e r s ce ni r al i z e d -con tr o 】 ” willbe ado p t e d ， d u e tothe adv anc e dsc i 即c ete c hno 】 o gy 胡dthe d e v e l o p m e n t ofartifici alin 抚 1 1 i g enc e and c o n 刀 刀 u m c ation inthe re si d enti alareas， su比as w 鱿 。 叭 9 韶即d el e c 颐c 沁m 以 e 招c e n 。 习 1 故d -c o n tr o 1 sy st eln b asbeenind e m and s. t h e c h arge s for 此 use o f g asare performedac c o r d i ngtothe 比 c o r d s ofg as m enatthe p r e se n t . o bvi ous l y，itin di c ates a 协 吸 st e ofm anp o w e r s o m e h um助errorsand th e l agg e d s y s t e m . inv 扮 tu e ofth e a d y 助c e d c o 功 p u t er，c ommum“ 时 i onand m e a u 江 e m ent t e c ho0 1 o gy， 胡怕 m a t ic con tr o l s y 引 e mo f g asm e te r will bei n v e stig ated in面s p a p er.t b e a d v ant a g e s o f the g asc o n tr o l s y st e m毗 r a p i dre cord s ， hi gh px e c i si 叽 g oods 冲c hr o n o us ande as y c o n tr 0 1 andso o n . b y ana l y 幼 s o f d o m e st ic an d 0 u ts i dea u t o m at i c g asm e t e r，a u 1 0 m at i c c 0 n tr o l sy s t e m 诫n 玩代 ， ， u h e d d e e p ly in面s p a per 助d 诫u bev e ryrell a b 】 e inc o 几 ” n u 川 c ati叽 t 七 1 5 sy， 曰 mn o10 川 yc an com p u t e the c o sts o f g as ， m ake re l e v a d t s ta l 曰 . e n t reco r d s ofg as m e te r，but al so can p re v e ntthie v e 以 s h o rtc irc血 ando pe nc i rc 血 so on. itwill be a u l o m a l i c 即din l e l l e c 妞 ia l 远d . t 卜 c sy st e mb 民 犯 don the gprs tech n o l o gy c an p 叮 fo rm re al . t 如e m o o it ot助d tr . 巧 mjt byn d w o 比 t b e p r a c l i c able m e th o ds ， the c 加 阳c t er i stic of th e g asm e t e r an dthe a p i l i c a t i on inprev enti on of面e v e ry幼ube di scus se dan dthe 即p l ic atione x pec ta t i on衍11 阮re s e a r c h ed the r e s 已 盯 c b is虹 咖万 c 即 仁 vi able ad d l d e n t i c al侧t h the 访 t e l l e c t . 目 远d d e v e 1 0 p m e n t in resi d e n t i aiaxe a s athome ando u t . k 弓 ，。 川， 月五 c c oal g asfo rm， 山 e c onc e n l ra t e d m achi ne， con e cts th e m 即h ine月 。 切 1 1 i neof r s 礴8 5 ， g p r s 声明 本学 位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在本 学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或 公 布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明确的 说明。 读 金 。 么 研 究 生 签 名 伙 书u逃 卿石 年;， 月 如日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对于保密 论 文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 革走 也 1 知乙 年;1 月 扣 日 南京理工大学硕士学位论文基于 g p r s智能煤气表的远程抄表系统 1绪论 1 . 1 引言 抄表自 动化是近几年来兴起的新技术。 由 于计算机和网 络技术的飞 速发展，自 动 化抄表领域也出 现了 前所未有的发展趋势。 煤气表自 动抄表技术集计算机技术、 通信 技术及计量技术于一体， 具有计量准确、方便， 抄收速度快、 易于管理等优点，既节 省人力又可以避免人为因素造成的误差， 是煤气收费的主要趋势， 同时也符合国内 住 宅小区智能化的发展需求。 随着国家“ 康居工程” 的推广，智能化小区的建设，自动 抄表系统也逐步普及，目前已 推出的的抄表系统覆盖了很多应用领域， 所使用的通信 媒体包括: 红外线、 双绞线、 无线电、电 话线、 光纤、 电力线、同 轴电缆及g p rs 等。 但寻求更简单更可靠的自 动化抄表方法，仍旧是一个热门话题。 1 . 2 课题研究的目的和意义 21 世纪住房需要解决的已 不仅仅是一个可提供优美的 环境、房型的优化设计等 传统意义上的问题， 而是更多地考虑人性化、智能化的舒适、 安全、 私密、 方便及个 性化的生活空间。 随着电子计算机、 网络信息技术和微电子技术的飞速发展给世界的 各个领域带来了无限的发展空间， 建筑领域也不例外， 先是智能大厦后是智能小区的 出 现， 各种智能化示范小区， 实现了家庭宽带上网、 家庭大户室网上妙股， 小区网上 物业管理、 保安防盗联网报等， 网上购物等功能， 但计量技术和抄表方式还处于低水 平状况。 目前为止， 我国大部分的煤气表收费还是入户抄收， 不仅浪费人力而且又不可避 免的存在着人为因素造成的抄表误差， 若赶上经常不在家的用户， 抄表及收费更是困 难。 随着我国人民生活水平的不断提高， 人们对生活的舒适性和便利性提出了更高要 求， 挨家挨户敲门抄收煤气费的方式也是越来越不受欢迎. 而计算机技术和通信技术 以及计量技术的发展使得煤气表自 动抄表技术得以实现。自 动抄表具有抄收速度快、 计算精度高，抄收同时性好、易于管理等优点。 面向二十一世纪中国能源供应事业的发展目 标是按照中国建设部21世纪的远景 规划， 在国内 实现小 康住宅水电、 煤气、 纯净水、 热水及大口 径水表全部信息出 户111 ， 彻底填补国内能源供应计量及管理方面的空白， 打破国内能源供应计量管理落后的局 面。 “ 九五”初期，建设部首先在小康住宅标准中提出了水表、电表和煤气表 “ 三表 出户” 的新要求， 之后， 北京、深圳等地相继出台相关政策， 促进 “ 三表出户” 等工 作的 落实。 煤气表作为三表之一，实现其自 动抄收迫在眉睫2 。 1 绪论 硕士论文 1 . 2 . 1课题国内 外概况 在国外，自 动抄表技术发展较早， 二十世纪八十年代中期， 国 外就开始安装和投 入使 用自 动抄表a 划 r( a u t o m a l l c m e t e r r e a d ing s y s t e m)系统。 现在己 有不 少著名厂商己生产出a m 又系列产品， 而且对a m 叹的研究也越来越深入。 美国于1 9 86 年就 建立了自 动抄表 技术协 会 ( a n 眼 人 ) ， 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 田 k .a m r a ) f3 。 a n 眼 a全 称 为自 动 仪 表 读 数 联 合 会， 该 组 织 是ie ee ( 电 气 和 电 子工程师协会) 认可的 标准委员 会，旨 在开发便于a 州 叹设 备使用的 标准4l ，但由 于各国情况不同，迄今为止仍没有统一的自 动抄表标准，导致抄表方式的多样化。 目 前， 许多发达国家采用遥读方式读取用户用气量后， 在银行通过用户帐户进行 结算。 在美国等国家多半是采用无线遥读方式， 而在欧洲许多国家采用的是有线集中 读取， 用户在银行结算的方式。 近年日 本等国家又发展了 通过电 话线采集用户消费量， 银行结 算的 方式， 与欧美等国 家相比 技术上有一定优势，具有遥读和遥控双向功能， 且方便、 准确【气 美国的west e r n m 韶 眺h usetts电 力公司 网 ， 在它管辖的 辖区内 有40% 的 用户已 经 使用了自 动抄表系统，利用车载或手持式抄表器来读取用户的用电量。而d e d v e r 供 水公司从2 0 01年3 月开始在其负责的范围内进行水表抄表系统的改装， 计划到2 0 05 年 将有2 00， 0 00 户都改 用车 载式自 动抄 表门 。 另外， 基于 低压电 力 载波技 术的 抄表 方式在国外发展也较为成熟。 近年来我国智能小区建设发展也很快， 从沿海的经济发达地区深圳、 广州、 上海 到政治文化中心北京，以及其它城市如成都、 重庆、贵州、昆明、 安徽等地均不同程 度 地建 设了 智 能 化 示 范 小 区 阁 。自 动 抄表 技 术 经 过若干 年 的 发 展， 技术 上 趋于成 熟， 己 经达到了可以实用的地步。目 前国内外普遍采用的三种自 动抄表方式:ic 卡表、 电 力 线载波抄表、 远程抄表网。 1 . 2 . 2自 动抄表主要方式 1 .2 .2 . i i c卡表 ic 卡表的工作原理是在计量仪表中加入ic 卡及负荷开关控制或阀门开关控制等 功能模块，用以完成抄表和结算的新型表计。ic 卡表通常采用先付费后用电，可以 避免用户拖欠电费。 但是， ic卡有一些致命的技术隐患， 如ic卡质量不过关， 很容 易 被解密， 造成假卡情况;并且利用ic卡预付费这种方式， 只适合于散户，不便于 物业管理; 难以上网抄读耗能表数据， 更不能实现整个小区及城市水网、 气网、 电网 的自 动抄收银行收款; 难以 实现水、电、 气的动态管理。 这些缺点决定了ic 自 动抄 表系统不能满足国内当前的实际需要。 南京理工大学硕士学位论文基于 g p r s智能淇气表的远程抄表系统 1 2. 2. 2 电 力 载 波自 动 抄 表 系 统 【1叩111 121 电力载波自 动抄表的基本原理是:在发送端由采集终端设备对表计数据进行调 制， 并通过电 力线传送; 在接收端解调还原成数据 信号; 同一台配电 变压供电范围内 用户统一编址， 并由 采集器巡回读写。由于国外公共电力网相当纯净， 有专用滤波系 统， 保证数据在传输过程中不会受外界干扰。 而我国的电网在传输数据过程中， 经常 会受无线电信号、电 磁信号、 脉冲信号的干扰， 导致传输数据错码、 丢码的情况。 另 一问题是在上位设备接收端要同时一处理多个发送信自、 ，这些信息相互提取具有很 大的难度.因此电 力载波抄表系统在我国也并不是 很合适11 5. 1 2. 2. 3 远程抄表系统 远程抄表的工作原理是: 利用电 子技术和传感技术，对传统电 表、 水表、气表加 以改进， 使其成为远传表， 将传感器传出的数据转换成数字信号， 送到对应的采集器 存储， 再由 采集器转发给上位机，由 上位机存储、 处理所有数据， 各单元通过数据总 线或无 线网 络连 接， 完成表 计 数据的自 动抄收 11 ，. 远程集中抄表系统的特点有: 模块化开放型网络: 系统连接采用总线方式， 各用户并接在总线上， 在网上任意 一点都可抄读三表数据， 便于整个小区及城市水网、 气网、电网的自 动抄收， 银行划 拨收款。可组成百万户以上的大网。 具有独立的用户处理装置: 各用户独立运行， 不会因相互间的干扰及系统连接总 线的短路或断路造成数据丢失和混乱， 确保抄收及时， 数据准确， 达到计算机抄表精 度与原来( 一次表) 相同. 网络传输准确无误。不怕任何脉冲叠加干扰. 网 络具备报警功能: 将煤气泄漏、 盗水电 气等报替集为一体， 发生任一报替即上 报管理中心，以便及时处理。 网络具有控制功能:如用户不交费，可通过网 络控制断气、断电、 断水，起到与 卡表强制收费的同等作用。 网络系统具有防断电功能:停电时，系统的备用电源可确保本系统在 72 小时内 安全可靠地工作。 网络能方便地利用公用电话网进行数据传输并可以通过市话对抄表进行控制。 网络能在小区内方便地利用现有网络进行整个小区的通讯， 不用再布线，从而节 约运营成本。 远程自 动抄表主要方式: 电 话线自 动抄表 1 即目 : 由 于电 话的 普及率很 高， 所以 采取 这种方式初期 成本较低 而且干扰小， 通讯可靠性高， 但由于在以后的传输中接通时间较长， 需支付很高的费 用，故此种方式有一定不利因素。 绪论 硕士论文 无线电自 动抄表: 利用控制端的小功率无线发送器和接收 器实现数据的传输， 系 统结构清晰， 施工方便， 这种方式主要用于单一类型的表的自 动抄表， 对于不同类型 的 表就比 较麻烦， 如编号、 信号频率通道的设置都有所不同。 国 外普遍采用此种方式， 但此种抄表更适合应用于分散的关口计量仪表的抄收。 有 线 电 视网 (c a r y ) 自 动 抄 刹呵川 : 利 用 现 有的 有 线电 视 网 实 现自 动 抄 表， 这 种 网 络是可视的， 但实现起来较为复杂，此种方式正处 于探讨阶段。 电缆线自 动抄表: 按照线路的 连接结构不同， 可分为 星型和总线型。 星型连接是以工作主站为中心， 以星型发散的形式分别通过通信信道与分散于各 地的 集中 器连接。 这种方式下总信道长度大，需大量的电 缆线， 成本较高。 总线型通讯以 一条串 行总线连接各分散的 节点， 实现各节点的 互连。 这种方式下 信道上节点较多， 传输速率也不 会很高， 一般用于低层的计量数据的 采集。 总的 来说 电缆线自 动抄表方式需专门 铺设电缆线， 给施工带来不便。 但是其它几种方式为给系 统供电也需要专门 铺设一对电 源线，否则就需要将市电 做a c 瓜c转换稳压后给系统 供电， 这也增加了成本， 而利用专门 铺设的电 源线线上电 压较低，比 较安全。 所以这 种方式是可行的。 rs碑 85总线自 动抄表方 式是一 种电 缆线 抄表方 式 1 191 ， 采 用屏蔽 双绞线 进行数据 传输， 该方式在抗扰性、 广泛的 共模范围、 充足的 数据速率以 及多点功能方面具有众 多 优势， 所以本系统气值采集器与 集中器之间采用的是rs一 85总线的通讯。 随着计算机网络和嵌入式技 术的发展， 远程抄表是将来自 动抄表的发展方向。 我 国近年来无线通信事业和计算机网 络事业发展迅速， 因 特网 在全国大多数地区有网 络 建设;中国移动的o p rs 网络及中国联通的c d m 人网络几乎遍布全国所有地区;而 固定电 话更是遍及全国每个行政村， 这些都间接为远程抄表系统的发展开辟了道路。 本系统的采集器与集中器之间采用的是r s 4 85总线的通讯，而集中器与管理中心的 通信采用的是g p r s 。 12 . 3 gpr s 技术简介 g p r s 是 通用分组无线 业务 ( g 即 e t 目p a c k e t r a d i o s 。 附 i ce ) 的 英文 简称120，是 在现 有g s m系统上发展出 来的 一种新的承载业务，目 的是为g s m用户提供分组形式的 数据业务， g p r s 采用与g s m同样的无线调制标准、 同样的频带、 同样的突发结构、 同样的跳频规则以及同样的t d m a帧结构.这种新的分组数据信道与当前的电路交 换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统 ( b s s) 从一开始就可提供全面 的gprs 覆盖。 g p r 名允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据， 而不需要 利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 特别适用于间断的、 突发性的和频繁的、 少量的数据传输， 也适用于偶尔的大数据量 南京理工大学硕士学位论文基于 g p r s智能煤气表的远程抄表系统 传输。 gprs 业务具有接入迅速、 永远在线、 流量计费等特点， 在远程突发性数据实时 传输中 有不可比 拟的 优势， 特别适合于频发小 数据量的实时 传输， 因而g p r s 业务在 某些行业上有特殊的应用，比 如: 运输业、 gps 汽车定位: 金融、 证券和商业， 无线 p o s 、无线 a i m、自 动售货机、流动银行等; 遥测、遥感、 遥控， 如气象、水文系 统收集数据，对灾害进行遥测和告普， 远程操作: 城市公用事业实时 监控维护系统， 如水、电、 气以 及热水系统、 污水管网等的 实时 监控和维护， 等等。目 前， 我国 移动 推出的gprs 上网 业务， 用户可以 根据自 己 的需 要， 以月租、 包月等多种形式进一步 降低g p r s通信的费用。 应用在集中抄表系统中，g p r s具备一些特点: ( 1) 覆盖范围广:g p r s依托于g s m网络提供服务。中国移动的g s m网络是 覆盖范围最广的网络之一， 特别是发达地区少有盲点， 一般来讲电力网 所到之处肯定 在o s m的覆盖之内， 这种特点能够满足集中抄表特别是居民集抄这种分散程度很大 的监控系统的要求。 (2) 投入不高:随着移动通信的快速发展，g p r s终端的 价格在很短的时间之 内已 经降到了可以 接受的水平，相对于铺设有线监控网络，成本不高。 (3) 永远在线:不像传统拨号上网那样，断线后需重新拨号， 才能上网冲浪。 客户随时都与网络保持联系， 即使没有数据传送时， 客户仍然在网上与网络之间还保 持一种连接。 (4)快速登录:连接时间很快。g p r s无线终端一开机，就已经与g p r s网络 建立了连接，每次登录互互联网，只需要一个激活过程，一般仅需1 到3 秒。 (5)高速传输:由于g p r s网络采取了先进的分组交换技术， 数据传输最高理 论值可达1 71. z k 日 5 . ( 6 ) 按量收费: g p r s网 络按照客户接收和发送数据包的数量来收取费用， 没 有数据流量的传递时，客户即使在线，也不收费。 c p rs 技术使得自 动抄表系统利用h n o . d实现远距离、宽范围的数据传输和管 理成为可能。 1 . 2 . 4 rs一 4 8 5 标准简介 rs一 232 ，rs碑 22 与rs礴 85 都是串 行数据接口 标准，最初都是由电 子工业协会 e l a 制 订 并 发 布的 113 . rs一 32在1 9 6 2 年 发 布， 命 名为e ia. 2 3 2 一作为 工 业 标准， 以 保证不同厂家产品之间的兼容;rs礴 2 2由rs屯 32 发展而来，它是为弥补r s 一 32 之 不足而提出的， 为改进rs一 2 32通信距离短、 速率低的缺点rs碑 2 2 定义了一种平衡通 信接口，将传输速率提高到 1 0 mb / 5 ， 传输距离延长到4 0 00 英尺，速率低于 l ook b l s 1 绪论硕士论文 时， 允许在一条 平衡总线上连接最多ro个接收器， r s 一 22是一种单机发送、 多机接 收的单向 平衡传输规范， 被命名为1 1 a j e ia. 4 2 2 一 a标准: 为扩展应用范围， e ia 又于 1953年在rs书2 基础上制定了rs一 85标准， 增加了多点双向 通信能 力，即允许多 个发送器连接到同 一条总线上， 同时增加了 发送器的驱动能力和冲突保护特性， 扩展 了总线共模范围，后命名为t i a 佗 认碑85一 标准;由于e ia 提出的建议标准都是以 rs 作为前缀， 所以 在通讯工业领域仍然习惯将上述标准以rs 作前缀称谓。 r s 一 232 ，r s 碑 22与r s 礴 85标准只对接口的电 气特性做出 规定， 而不涉及接插 件电缆或协议。 所以 用户可以 在此基础上建立自己的高层通信协议。 例如在视频界， 许多厂家都建立了 基于这二个标准的高层通信协议， 或公开或厂家独家使用， 像录像 机厂家中的索尼与松下，这两个公司规定的录像机的rs一 22控制协议是有差异的， 视频服务器上的控制协议则更多了，如公开的 1 习 u t b ode t i s协议和基于 p r o file上的 p r 0 l 刃 呀 k协议等等。 本煤气表抄表系统主要由 煤气表、 采集器、 r s 一 85、 集中 器、 c p r s 以及主站计 算机组成， 其中采集器负责将煤气表的数据进行采集及打包向 上发送， 若干个采集器 通过r s 一 85与 集中 器相连， 组成 一个4 95网 络。 集中 器 一方面负责 采集若干个采集 器的数据，另一方面负责通过g p r s 与主站计算机进行通讯。 1 . 3 本系统概述 管理中心 基站 图1 . 31系统总体结构 本系统由 煤气表、 采集器、 集中器、 通讯信道、 小区管理计算机和主站管理计算 机构成。系统结构图如图1 .3. 1 ，各部分功能如下: 1 .煤气表 采用机械字轮表加传感器和控制部分改造成的脉冲式煤气表， 煤气表的控制部分 与采集器采用同一个单片机。 南京理工大学硕士学位论文基于 g p r s智能煤气表的远程抄表系统 2 . 采 集 器 ( 智能 终 端 ) 流量表的脉冲记数、存储、上传。 窃气、计量短路、断路情况下的报普、记录和上传. 用户总线的rs礴 85的收发器。 3 .集中器 作为 用 户 总 线 的 主 控 节点 定 时 轮 流访问 下 属 各 采 集 器 (3 2 只 ) ， 实 现 控制 信 息的 发 布，各采集器数据的收集、记录和上传。 作为 系 统 总 线的 节点 之一与 管 理 计算 机 ( 系 统 总 线的 主 控 节 点 ) 通 过rs4 85 总 线 进行通讯，实现控制信息、采集数据的双向传输。 内 置时钟电 路。实 现采集数据的定时查询、 各采集器的 报警时间实时记录。 内 置较大规模的护p r o m， 用以 存储各采集器的 主要数据. 4 .通讯信道 由于每一个采集器可采集十六只煤气表的数据， 所以 采集器与煤气表之间是一般 导线连接; 采集器与集中 器之间是rs4 85总线的通讯方式， 采用屏蔽双绞线;集中 器与煤气站管理中心p c之间通过g p r s 进行通讯。 5 .煤气站管理中心计算机 中心管理计算机负责与小区管理计算机通讯、 对特定用户用气的控制、 与银行联 网收费。 中心管理计算机还具有智能分析的功能， 可了解用户的用气状况并进行相应 处理。 由于时间有限， 本系统主要研究煤气表自 动抄表电气部分的实现， 其中包括采集 器和集中器的软硬件设计。 1 . 4 论文的课题背景及意义 本论文源于南通大众嫩气公司的项目 “ 基于g p r s 的智能煤气表远传抄表系 统” ， 属计算机应用领域. 针对公司提出的技术指标要求， 结合自 动抄表技术的发展， 根据以往对自 动抄表设计的实际经验， 设计出能适应城乡环境使用的煤气表自动抄表 系统。 1 . 5 论文研究的内容 本论文着重于煤气表气量的采集与传送的 设计， 完成了用户所用煤气量的 采集， 并通过gprs实现数据的远传及防窃气、 断线等。 论文主要做了以下几个方面的工作: 煤气表自 动抄表系统的智能终端采集器以及通讯模块的设计。 煤气表自 动抄表系统的 通讯中继集中器以及通讯模块的设计。 煤气表自 动抄表系统中煤气表计量的准确性、稳定性、防窃气的设计。 1 绪论硕士论文 煤气表自 动抄表系统的 通讯可靠性设计。 在本课题研究中要解决的技术问题: 智能 终端采集器实时 采集煤气表气值及状态并处理和保存。 通讯中继集中器循 环采集各采集器中采集的煤气表数据， 并实时响应管理计 算机指令， 或上传相应煤气表气值和状态， 或给采集器下发指令使其对相应煤气表进 行相应控制。 该系统具有可兼容性和可扩展性。 1 . 6 论文的组织结构 第一章 绪论部分， 介绍了煤气表自 动抄表的现状、国内 外的发展情况和关键技 术，说明了 本课题的 背景 和研究内 容。 第二章 印rs网络技术介绍。 第三章 介绍了 气值采集器的整体方案， 包括软件、 硬件的设计。 着重介绍了 各 硬件的选型及其所具有的特点等。 第四章介绍数据集中器的硬件组成， 包括软件、 硬件的设计。 着重介绍了各硬 件的选型及其所具有的特点等。 第五章抄表系统设计的抗干扰研究。 南京理工大学硕士学位论文墓于 g p 倪 5智能煤气表的远程抄表系统 z g p rs 网络技术 gprs 的 英文全 称为g e n 目 目p ac k e t r ad i o s 。 ， 1 “， 即 通用 分 组 无 线 业务121 】 ， 是第 二代移动通信技术g s m向 第三代移动通信 (3g ) 的过渡技术， 是由 英国b tcellent 公司早在1 9 83年提出的，是g s m p 加 以 汁 2 ( 1997年)规范实现的内 容之一，是一 种基于g s m的移动分组数据业务。 g p rs 与g s m系统最根本的区别是: g s m是一 种电 路交换系统，而 g p r s是一种分组交换系统。c p r s把分组交换技术引入现有 g s m系统，为移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线ip 和x . 25服务。 o p r s以 其“ 按流量计费气“ 永远在线” 等 特点， 倍受国内 外电信业 的青睐。 2 . i g p r s 相对干gsm 的特点 1 . 数据速率不同 22123 o p r s可以提供四种不同的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的纠错能 力。 ets l 采 用四 种不同 的 编 码方 式， 每 个时 隙 能 提供的 速率 为c s 一 1 (9 .05k b p s ) ， c s 一( 1 3 .4 k b p s ) ， c s 一 3 ( 1 5 .6 k b p s ) 及c s 4( 2 1 .4 k b ps ) ， 其中c s 一 1 的 保护最为 严密，c s 礴则完全未加任何保护. gprs 可以利用多个时隙来增加带宽， 设备可以用下行的最大时隙加上上行的最 大时隙如“ 2+1 ” ， “ 4 +l” ， “ 3 +2” 来描述。时隙可以 根据可用性动态分配， 蜂窝内的 每个频道最多有8 个时隙可用，设备和网络之间通过协商来管理这些资源，g s m通 常比gprs 的 优先级高， 所以当 话音数量增多的时候， 时隙的可用性就会降低。 然而， g p rs 的优点是一旦时隙可用，就能为用户传送数据。在理论上， g p r s可以将最多 8 个时隙组合在一起， 所以gprs 号称给用户提供高达1 71.z k b p s 的 带宽。 但是实际 的传输速率取决于移动运营商的网络设置，目 前，中国移动网 络支持c sl 和 c s 2， 目 前可以 稳定 在2 叼o k b p s 的 数据 传输。 基于电 路交换的g s m移 动 通信网只能 提供 9. 6 k bps 的 数据业务. 2 . g p r s 资 源利用率高 g p rs 采用分组交换技术， 分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据 包， 通过不同的路由，以存储转发的方式传送至目 的端，再按规则组合成完整数据。 基本上来说，分组交换是非实时性的，延时也不固定，g p r s可灵活运用无线信道， 使多 个gprs 数据用户共享带宽，极大地提高 无线资源的利用率。 g s m网 络采用的是电路交换技术 ( c s d ) ， 无论有无数据传送， 信道都被占 用， 所以资源利用率低。 3 . gprs 更适合数据应用 z c p r s网络技术硕士论文 g p r s的分组交换技术提供灵活的差错控制和流量控制， 主要是在终端到应用层 进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销，也可以 在网 络部分环节上增加控制， 提高 安 全性， 另 外， 通过设 置 服务 等级q os 等手 段， 可以 有效控制和 分配延时、 带 宽等性能， 因此， 分组交换非常适用于数据应用， 特别 适用于间断的、 突发性的或频 繁的、 少量的数据传 输， 也适用于偶尔的大数据量传输。 g s m 采用的电 路交换需要建立端到端的 连接， 在通信过程中独占 信道，属于实 时或固定延时通信， 特别适用于话音传输。 4 .上网方式不同 g s m一 认 叭 r方式上网犹如在家中拨号上网， 上网后便不能同时使用该电 话线。而 gprs 上网则 较为 优越， 下载资料和打电 话可以 同时 进行。 5. gpr s 永远在线 g prs 用户随时与网络保持联系，当用户访问互联网时，用户终端在无线信道上 发送和接收数据。 当 用完后， 用户终端释放所用的无线频道给其它用户使用， 这时网 络与用户之间还保持一种逻辑上的连接. 当用户再次要上网时， 终端立刻向网络请求 无线频道来传输数据。 g s m-从 叭 矛上网方式在断线后还需要重新拨号后才能上网。 6 .计费方式不同 c p rs 按流量计费，采用分组交换技术的好处是按照发送和接收数据包的数量来 计费，这对用户来说比较合理。 g s m一 硒 凭 p 上网按时间计费， 因为 采用电 路交换的形式， 就像用户在使用打电 话 时一样， 不管你是否开口 说话， 系统都会在上下行的频段中 保留 一个时隙给用户， 费 用是以使用的时隙数目 和使用时间的长短来计算的。 7 .访问的内 容不同 g s 协场 叭 p终端上网智能浏览专门为认 映 1 ， 设计的网站，而gprs 终端则可以 浏 览普通的inte m e t 网页。 2 . z g p r s 网络结构 2 . 2 . 1 系统结构 g p r s 采用了g s m同样的无线调制技术， 一样的频率，同样的t d m 丸帧结构。 g p r s是在 g s m 网的基础上通过增加服务支持节点 ( s g sn ) 、网关支持节点 ( g g s n) 、分组控制单元 ( pcu )等设备， 升级基站子系统 ( b s s) 系统软件、计 费软件发展而成， 使得用户能够支持分组数据和最大限度地利用现有网络设备以 及对 现有网 络的改动最小， 同时考虑了网 络能够平滑向3 g过渡。 其整体的网络结构181 9110 如图2. 2 . 1 所示。 南京理工大学硕士学位论文墓于 g p r s智能煤气表的远程抄表系统 图2 . 2 . i g p r s网络系统结构 从图中可以 看到， 原有的g s m网络结构不变， 只是在b ss 部分增加了p c u ， 新 建了一个分组网络， 分组网 络中有两种gprs 节点: s g sn 和g g sn。s g s n主要负 责6 p r s 用户移动性的管理、 用户的接入、 短消息的收发、 分辑数据的转发等。 g g s n 主要负责通过 任 接口 ( c p r s与外部分组数据之间的参考点)转发用户数据到其它 分组数据网络 ( p d n ) 。 用户终端如手机、电脑等通过无线方式与g s m基站通信，但与电路交换方式不 同，g p r s分组数据是从基站发送到g p rs 支持节点 (sg s n) ，而不是通过移动交换 中心 ( ms c )连接到语音网络上。s g sn 与g p r s网关支持节点 ( 6 c s n )进行通 信， c g s n对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络， 如因特网。来自因特网 标识有移动台地址的ip包，由g g sn 接收， 再转发到s g s n ， 继而传送到用户终端。 2 . 2 . 2 逻辑体系结构 c p r s是在网络结构中增加s g s n和c g s n两个新的网络节点来实现的， 由于增 加了新的节点， 逻辑上来说需要命名新的接口，现有的g s m网只需进行软件升级就 可以 支持相应的接口.图2 .2. 2 是gprs 网 络的 逻辑体系124 推 习 结构图. z g p r s 网络技术硕士论文 图22 . z g p r s 逻辑体系结构图 表22 . 1主要g p r s 逻辑参考点说明 接口或参考点说明 cbg s g n与p c u之间的接口 gc6 c sn 与h l r之间的 接口 ，一般不用 gds ms 毛ms c之间的接口，s ms- i w ms c与s g s n之间的接口 gig p r s 与外部分组数据之间的参考点 cn同一c p r s 网络中两个g s n之间的接口 饰不同c p r s网络中两个o s n之间的接口 grs g s n与h l r之间的接口 gs s g s n与m s c 八 飞 r 之间的接口 gfs g sn 与e ir之间的接口 cmms 与o p r s 固定网部分之间的无线接口 ( 空中接口) 其中p c u使b ss提供数据功能、 控制无线接口、 使多 个用户使用相同的无线资 源。 g b iu提供从b s s 到s g s n的 标准接口 。 可以 和p c u合并 在同一个物理实体中。 由于g p r s 在g s m网 络中引入了两个g p r s 支持节点和新的接口及单元， 会对g s m 网络设备产生以下的影响: . h l r现有软件需更新，以支持gc，gr 接口; . ms c现有软件需更新，以支持gs 接口; . 在b s c中引入p c u ，并且软件需要升级。 2. 2. 2. 1 主要接口 1 .g b接口 南京理工大学硕士学位论文基于g p rs 智能煤气表的远程抄表系统 gb 接口 把b s s 同s g s n连接起来， 以 进行信令信息和用户数据的交换， gb 接口 能使多用户复用同一物理资源。 资 源在用户活动时( 当 数据发送或接收时) 分配给用 户，而在活动结束时 会马上被收回 并重新分配。 这与a接口( 基站与移动交换之间 的接口)相反。在a接口 ，单个用户在一 个呼叫的 整个生命周期中 独占一套专用物 理资源，不管是否在活动。 2 .u m接口 无线接口u m是移动台 ( m s) 与基站 ( b ts) 之间的连接接口 。 g p r s中无线接 口 标准遵循g s m系统的标准。 与g s m系统相同，在gprs 系统的 空中 接口中，一 个t d m 人帧分为8 个时隙，每个时隙 发送的 信息称为一个 “ 突发脉冲串” ( b ur st ) ， 每个t d ma帧的一个时隙构成一个物理信道。物理信道被定义成不同的逻辑信道。 与g s m系统不同， 在o p rs 系统中， 一个物理信道既 可以定义为 一个逻辑信道，也 可以定义为一个逻辑信道的一部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构 成。 ms 与b ts 之间需要传送大量的用户数据和控制信令， 不同 种类的 信息由不同的 逻辑信道传送，逻辑信道映射到物理信道上。 2. 2. 2. 2 g p rs 网络主要实体 1 .c p r s支持节点 ( g s n ) g p rs 的支持节点o s n是g p r s网络中最重要的网络节点，它们构成网络骨干， 并提供接口给其他系统， 如b s s 、 外部网 络如企业内部网等. 包含了支持g p r s 所需 的功能。g s n具有移动路由管理功能，可以连接各种类型的数据网络。g s n可以完 成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。 g sn 是一种类似于路由器的 独立设备， 也与g s m中的ms c集成在一起。 在一个g s m网络中允许存在多个g s n 。 o s n有两种类型: s g sn 和c c sn。 s g sn 与g g sn 的功能既 可以由 一个物理节点全 部实现，也可以 在不同的物理节点 上分别实现。它们都应有ip路由功能，并能与ip 路由 器相连. 当s g sn 与g g sn 位于不同的p l m n时， 通 过饰 接口 互联。 s g sn 可 以 通过任意gs接口向m s c /vl r 发送定位信息， 并可以 经gs接口 接收来自 ms c /vl r 的寻呼请求。 s g s n是为移动终端 ( ms) 提供业务的节点 ( 即gb 接口由s g sn 支持) 。在激 活g p r s业务时， s g sn 建 立起一个移动性管理环境， 包含关于这个移动终端 ( m s) 的 移动性和安全性方面的 信息。 s g sn 的 主要作用就是记录移动台的当 前位置信息， 并且在移动台和s g s n之间完成移动分组数据的发送和接收。 o g s n主要是起网关作用， 它可以 和多种不同的数据网络连接， 如is d n和l a n 等。另外， c g s n也又被称作g p r s 路由 器。 c g sn 可以 把g s m网中的gprs 分组 数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p / ip或x.2 5网 络。 z g p r s 网络技术硕士论文 2 .本地位置寄存器 ( h l r ) 在h 工 r中 有g p r s 用户数据和路由 信息。从s g sn 经伽 接口 或g g sn 经g c 接口 均都可访问hlr ， 对于漫 游的m s 来说， h l r可能位于另一个不同的p l m n中， 而不是当前的p l 州 n中. 3 .消息业务网关 移动交换中心 (sm s 一 g m s c ) 和短消息业务互通移动交换中 心 ( s ms 一 i w 入 i s c ) ， s m s 一 6 m s c 和s ms 一 i w ms c 经g d 接口 连接到s g sn 上， 这样就 能让c p r s m s 通过c p r s 无线信道收发短消息 ( s m)o 4 .用户终端 gprs 定义了a 、 b 、 c三类终端; a类终端能够同时处理电 路交换 话音) 和分组交换 ( 数据)业务，两种业务互 相独立，互不影响; b类终端在同一时刻只能处理两种业务中的一种， 但二种模式之间可以切换， 在 接到电 路交换呼叫时，可 暂时挂起分组业务，并于其后自 动恢复到分组交换模式; c类终端只能处理其中一种业务，即处理分组业务时，不能同时使用电 路业务， 反之亦然. 从技术实现看， a类终端同时支持gprs 和g s m模式下的附 上、激活、监控、 请求和数据传输功能， 在两 种模式下 都可 依 据qos 参数 发 起或 接收呼叫; b类终端 虽然也同时支持c p r s 和g s m模式下的附上、激活、监控功能， 但同一时刻只能支 持一种模式下的数据传输，当g s m设施使用时，活动的g p r s 虚电路不被清除，但 和 分 组 数 据 协议( pdp)地 址 联 系时 ， 会出 现“ b u 叮orhe ld ” 示， 例如， 当 响 应 一 个 打入的g s m呼叫时， gpr s 连接会被暂停，高层应用必须处理好由 此导致的传输协 议超时错误; c类终端同一时间内只能支持一种模式， 即同 一时间只能工作在一种模 式下，不能同时附上网 络， 一种模式必须通过手工切换到另外一种模式， a r命令 人 t + c g c las s 可指定终端当 前模式和支持哪 种模式。 5 .交换中 心 ( ms c ) 和拜访位置寄存器 ( v l r ) 在需要g p r s 网络与其他g s m业务进行配合时选用gs 接口， 如利用gprs 网络 实现电 路交换业务的 寻呼， gprs 网络与g s m网络联合进行位置更新，以 及gpr s 网 络的s g sn 节点接收m s c 刃lr 发来的 寻呼请求等。同时ms c 邝lr 存储ms( 此 ms同时接入g p r s业务和c s m电路业务)的国际移动用户识别号 ( n 讨 5 1)以及 ms 相连接的s g sn 号码。 6 .分组数据网络 (pd n )