（计算机应用技术专业论文）基于gprs网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计.pdf

处理芯片和嵌入式l i n u x 操作系统为核心的远程自动抄表系统的解决方案。首 先介绍了远程自动抄表系统的发展现状，对目前抄表市场上存在各种抄表方案 进行了分析，确定了以g p r s 技术和r s 4 8 5 总线为基础的远程抄表系统方案。介 绍了g p r s 技术以其网络结构，研究了g p r s 网络采用的安全策略。然后根据系 统需求确定了整体设计方案并制定了通讯规约。下行通讯采用国家标准的 d l t 6 4 5 1 9 9 7 通讯规约，上行通讯采用自定义的应用层通讯规约。在系统的硬 件设计中，选择s 3 c 2 4 1 0 a 作为系统的处理器，设计了外围接口电路。在系统的 软件设计中，以嵌入式l i n u x 为核心构建了系统的软件平台。采用客户端一服务 器模型设计了系统的应用软件，抄表终端采用多线程技术提高了程序执行的效 率，抄表中心管理程序采用c # 和s o ls e r v e r 工具完成了功能和界面设计。 在远程抄表系统中移植了嵌入式数据库s o l i t e ，通过s o l 语言管理应用程 序数据，使得对数据的操作更有效率安全性更高。另外，使用b p 神经网络技术 分析电量数据预测未来电量，仿真结果表明，预测负荷曲线与实际负荷曲线拟 合度较好，能够达到预期要求，应用前景十分广阔。 关键词：远程抄表嵌入式系统g p r s 神经网络 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no fe 正i e d d e d r e m o t e 卫讧e t e r r e a d n 呵gs y s t e m b a s e do ng p r sn e t w o r k a b s t r a c t c o m b i n e d 、i lg p r st e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dn e u r a ln e t w o r k t e c h n o l o g y , as o l u t i o nf o rr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mw a sp r e s e n t e db yu s i n g s 3 c 2 410 ap r o c e s s o rc h i pa n de m b e d d e dl i n u x f i r s t , t h er e m o t ea u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e md e v e l o p m e n tw a si n t r o d u c e d t h e nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h ev a r i o u sm e t e rr e a d i n gp r o g r a mi nc u r r e n tm e t e rr e a d i n gm a r k e tw a sa n a l y z e d a n dt h er e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e ms o l u t i o nb a s e do ng p r sa n dr s 4 8 5w a s p r o p o s e d a f t e rt h a t ，t h eg p r sn e t w o r k ss e c u r i t yp o l i c yw a sa n a l y z e da n dg p r s n e t w o r kw a sr e s e a r c h e d a f t e ra n a l y z i n gf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ， o v e r a l ld e s i g nw a sd e t e r m i n e da n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a sd e v e l o p e d t h e b o t t o ml a y e rc o m m u n i c a t i o nu s e dt h ed l t 6 4 5 - 19 9 7p r o t o c o la n dt h et o pu s e d c u s t o ma p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 i nh a r d w a r ed e s i g n , $ 3 c 2 410w a ss e l e c t e da st h e s y s t e m sp r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t sw e r ed e s i g n e d i nt h es o f t w a r e d e s i g n , s o f t w a r ep l a t f o r mw a sb u i l tu s i n ge m b e d d e dl i n u x a st h ec o r e t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a sd e s i g n e dw i t ht h ec l i e n t - s e r v e rm o d e l i nt h er e a d i n gm e t e r t e r m i n a l ，t h ee f f i c i e n c yo fp r o g r a me x e c u t i o nw a si m p r o v e db yu s i n gm u l t i t h r e a d i n g t h ep r o g r a mo fm e t e rr e a d i n gc e n t e rc o m p l e t e df u n c t i o n a l i t ya n di n t e r f a c ed e s i g nb y c 撑a n ds q ls e r v e rt o o l s t h ee m b e d d e dd a t a b a s es q l i t ew a sp o r t e di nt h em e t e rr e a d i n gt e r m i n a l t h u s a p p l i c a t i o nd a t aw a sm a n a g e db ys q ll a n g u a g ea n dt h i sm a d ed a t ao p e r a t i n gm o r e e f f i c i e n ta n dm o r es e c u r e i na d d i t i o n , t h ee l e c t r i c a lq u a n t i t i e so ff u t u r ew e r ef o r e c a s t b yu s i n gn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h a tf o r e c a s tl o a dc u r v ef i t w e l lw i t ht h ea c t u a ll o a dc u r v ea n dm e te x p e c t a t i o n s i th a sab r i g h tf u t u r ef o r a p p l i c a t i o n 青岛科技大学研究生学位论文 k e y w o r d s ：r e m o t er e a d i n gm e t e r , e m b e d d e ds y s t e m ，g p r s ，n e u r a ln e t w o r k i i i 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 i v 青岛科技大学研究生学位论文 目录 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 2 远程自动抄表系统的研究现状 1 3 远程自动抄表系统组成方案选择 1 3 1 远程抄表系统结构分析 1 3 2 远程抄表系统方案选择 1 4 本文研究的主要内容 2g p r s 技术的研究及其安全性分析 2 1g p r s 技术综述 2 1 1g p r s 技术的特点 2 1 2g p r s 技术的应用 2 2g p r s 系统网络结构1 0 2 3g p r s 技术通信的安全性分析1 3 2 3 1g p r s 系统的安全威胁1 3 2 3 2g p r s 系统的安全性分析。1 4 2 3 3 远程抄表系统数据传输安全性解决方案1 6 2 4 本章小结18 3 远程自动抄表系统的总体设计1 9 3 1 系统总体架构1 9 3 2 系统功能设计2 0 3 3 远程抄表系统的硬件设计方案2 l 3 4 远程抄表系统的软件设计方案2 l 3 5 系统数据传输流程2 l 3 6 系统的通讯规约2 2 3 6 1 下行通讯规约2 2 3 6 2 上行通讯规约厶2 3 3 7 本章小结2 4 4 远程抄表系统的硬件设计2 5 4 1 处理器选型2 5 v 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 4 2 硬件整体结构2 6 4 3r s 4 8 5 接口电路2 7 4 4j t a g 接口电路2 8 4 5 以太网接口电路2 9 4 6g p r s 通信模块3 0 4 7 本章小结3 1 5 系统软件平台的组建3 2 5 1 嵌入式操作系统的选择3 2 5 2 交叉编译环境的建立。3 3 5 3b o o tl o a d e r 的移植3 4 5 4l i n u x 内核移植及配置3 5 5 5 文件系统的制作3 7 5 6 嵌入式数据库s q l i t e 移植和使用3 8 5 7 本章小结4 0 6 应用软件的开发。4 1 6 1 远程抄表终端软件开发4 l 6 1 1 系统初始化模块4 2 6 1 2 主控制进程模块4 3 6 1 3s o c k e t 通讯线程。4 6 6 1 4 心跳检测线程。4 7 6 1 5 协议转换线程。4 8 6 1 6 定时抄表线程4 9 6 2 电力中心软件开发5 0 6 2 1 软件的需求分析5 0 6 2 2 软件的总体设计5 2 6 2 3 软件的详细设计5 4 6 2 4 软件的实现5 9 6 3 本章小结6 1 7 电力数据分析和其在反窃电中的应用6 2 7 1 电力数据分析6 2 7 2 反窃电的对策。6 3 7 2 1 电网线损分析6 3 7 2 2 防窃电对策“ 青岛科技大学研究生学位论文 7 3 本章小结。6 9 总结与展望7 0 参考文献7 l 致 射7 4 攻读学位期间发表的学术论文7 5 v i i 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 1 绪论 近年来，国家提出了智能电网【m 】的建设计划，这标志着我国电力行业信息化 进入了一个新的阶段。智能电网是电力和通信架构的集合，并将自动化和信息技 术结构结合到我们现有的电力网络中。而实时获取电力设备运行参数和电能数据 是实现智能电网的基础，解决这一问题的关键是建立远程电力数据采集系统p 叫。 然而，目前我国的电力抄表领域，人工抄表还处于主流。这种传统方式，工作量 大，效率低，差错率和误差较高。同时，人工抄表导致对电力数据的掌握不够及 时，因而无法实时分析电量消费情况。可见，实施远程自动抄表是电力行业信息 化的必由之路。 所谓的远程自动抄表【5 1 ，就是通过有线或无线通信网络等方式，建成覆盖所 有城乡居民用户的智能用电信息采集系统，实现居民用电信息远程自动实时采集 等功能。自动抄表方式通过在用户端安装智能电表，再通过通讯网络将居民的用 电信息及时、准确地发送到电力部门的电脑采集系统上，无需抄表人员到小区逐 一抄表。实现远程自动抄表对于电力部门的经济效益、信息化水平、甚至管理决 策都具有十分重要的意义。目前，我国电力行业线损率居高不下，窃电是一个重 要原因。远程自动抄表的实施，可以实现对用户用电量的实时监控，借助数据挖 掘思想分析电量数据，以最快的速度找出电量波动较大的用户，及时发现用户中 存在的偷电、窃电行为，保护企业的经济利益。 随着g p r s 高速无线数据传输技术的成熟，采用g p r s 网络进行抄表数据传 输逐渐成为当前无线抄表技术发展的主流【”】。g p r s 永远在线的特点，使得数据 传输的实时性得到保证，网络覆盖范围广的特点使得其可以应用在偏远地区，按 流量计费的特点也使得数据传输的费用较为低廉。同时，由于g p r s 网络采用m 技术，会面临很多网络威胁。g p r s 网络设计之初，就考虑到了安全性问题，通 过认证和加密算法保证数据传输安全。然而，g p r s 网络供应商和电力公司之间 一般通过公共网络传输数据，因此保护这一段网络的数据传输安全对于远程抄表 系统的稳定运行至关重要。v p n 技术是近年来随着i n t e m e t 的发展而迅速发展起 来的一种技术，利用公用网络传输私有数据，通过认证和加密算法能够有效保证 数据的安全传输，在抄表系统中有着广泛的应用前景。 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 1 2 远程自动抄表系统的研究现状 随着计算机和通信技术的发展，新的自动抄表技术和方案不断涌现。自上世 纪九十年代以来，国内外众多专家致力于研究新的自动抄表技术，先后出现了基 于红外或无线射频技术的便携式手持抄表设备和车载抄表设备，随后出现了采用 电话网、电力载波、有线网、无线网络等通讯技术的抄表技术【8 - 9 】。 在国外，基于手持设备和预付费i c 的抄表技术已经非常非常成熟，不过这 两种方式只是实现了集中抄表，仍然需要抄表人员去现场进行抄表。近年来，使 用电力线载波和无线网络通讯手段进行远程抄表成为了发展的趋势。国外很早对 电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波m o d e m 芯 片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网 ( 4 8 0 y 2 7 7 v ，2 0 8 y 1 2 0 v a e ) 的标准频率范围1 0 0 k h z 4 5 0 k h z 和针对欧洲地区 电网( 4 0 0 y 2 3 0 v a e ) 的标准频率范围9 k h z 15 0 k h z 。从2 0 0 3 年开始，p l c ( 电 力线载波) 【l o j 技术开始就已在中国探寻商用的可能性，这就是当时人们口耳相传 的电力线上网技术。然而受中国传统电信运营商的网络资源和技术限制，p l c 市 场远未发展普及。p l c 在家庭内的联网谈了很多年了，但是在中国市场一直是雷 声大，雨点小，最主要的原因有两条。一是技术门槛高、应用方案开发困难；二 是中国电网环境不好，波动大、噪音大、拓扑结构复杂。但是由于p l c 的实用性 和巨大的市场前景，而且国家政策大力支持，是未来发展的方向【1 1 1 。 随着无线网络技术的不断发展，基于无线网络技术的应用逐渐成为当前无线 通信的主流，无线网络技术自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制， 使无线网络通讯技术迅速成为国内外远程数据采集系统中解决监控点地域广、设 备布局分散等问题的主流技术【1 2 1 。目前，远程抄表监控系统主要基于微处理器， 通过g p r s 、c d m a 等无线通信网络，向电力管理系统传送采集的数据。由于 g p r s 技术有着覆盖面广，速度快，永远在线，接入方便等优势【1 3 1 ，非常适合应 用在远程抄表系统中。典型的远程抄表系统有远程服务器端和现场电量采集终端 组成，电量采集终端负责采集电量数据，然后将数据传输至抄表集中器，集中器 通过g p r s 网络将数据传送到远程的服务器端，远程服务器端对收集到的数据进 行处理，从而实现了远程抄表功能【1 4 1 。 无论是智能电表还是抄表集中器都是基于嵌入式技术【1 5 】，目前嵌入式技术在 需要进行现场数据采集的很多领域的应用越来越广泛。嵌入式系统以高性能微处 理器和嵌入式操作系统为核心，这些嵌入式系统除具备快速的数据采集能力，大 容量的数据存储设备，还可以支持多种形式的网络接入，将其应用于工业现场进 行数据采集，可以使系统平台更具开放性和伸缩性【1 6 1 。此外，嵌入式软件可提高 2 青岛科技大学研究生学位论文 无线产品的通信能力，将g p r s 等相关技术与嵌入式软件相结合，也有望推动自 动抄表技术的进一步发展。 远程抄表系统需要通过通讯信道传输数据，随着i n t e r n e t 和无线网络在抄表 系统中的应用越来越广泛，数据传输的安全性问题日益突出。保证数据的传输安 全对于远程抄表系统的稳定运行至关重要。v p n t l 。7 】是通过封装技术实现虚拟通道 的一项技术，目前比较流行的v p n 实现方式有p p t p , g r e ，i p s e c ，m p l s ，s s l 等类 型【1 8 】。i p s e cv p n 是目前v p n 的工业标准，其主要优点在于能在网络层提供对 系统的安全性保证，i p s e cv p n t l 9 】提供点到端、端到端的解决方案，功能较全且 安全级别高，通过转发技术可以实现网络互连。基于i p s e cv p n 的各厂商设备的 互连性可以得到保证，因此，i p s e cv p n 技术被各大厂商所广泛采用。v p n 己被 普遍认为是当前实现远程安全访问理想的新一代技术，是解决远程抄表系统数据 传输安全经济实用的手段，在世界各发达国家已经被越来越广泛地使用。 电力部门在给用户供应电能的同时，也存在大量的电能线损。窃电是导致线 损居高不下的一个重要原因。现在很多半导体公司的方案对于防窃电都是通过 m c u 软件来实现的，以费思卡尔的m c f 5 1 e m 2 5 6 为例，m c f 5 1 e m 2 5 6 加入了 可编程延迟模块( p d b ) ，集成了防盗电检测的实时时钟( i r t c ) 。在反窃电领域，另 外一个研究热点是借助数据挖掘思想【2 0 l 。将数据挖掘的思想应用于电力行业的用 电异常分析，采用纯技术手段，从大量数字中进行分析，在反窃电工作上，可谓 另辟蹊径。使相关电力部门对漏窃电的预防工作由被动变主动，有效防止国家电 力资源的浪费，防止盗窃者对国家资源的肆意浪费，为国家节能减排的关键技术 提供一套新的理论，其应用前景十分广泛。 近年来，随着中美等国家提出了建设智能电网概念，未来的智能电网可以拥 有和互联网一样的智能性和交互性。据预测，全球年需求量仅美国智能电网计划 就会增加1 8 0 0 万块智能电表，使美国智能电表总数达到4 0 0 0 万块，这还不包括 配套的抄表系统。国际能源署预计，到2 0 2 0 年，智能电网将覆盖全世界8 0 的 人口。2 0 1 3 年，与智能电网配套使用的智能电表安装数量将达到7 6 亿块。中国 政府计划未来五年全国范围内，安装2 4 亿块智能电表。这意味着在2 0 1 2 年到 2 0 1 5 年之间的三年内，中国每年新安装的智能电表将高达到8 0 0 0 万块。分时电 价【2 1 1 ，是智能电网首先需要实现的功能。遇到用电高峰时，电网的压力可能会较 大，存在安全隐患；而用电低谷时，电力资源的浪费又很严重。因此，需要通过 智能电网，来分时管理。分时电价，能平衡电网负荷，同时方便人们选择合理而 省钱的用电方式。目前一些地方采用的“冰释冷空调”，就可选择在电价最低的晚 上，进行空调系统的储能。而普通居民也可选择在此时为电动汽车、电动自行车 充电。然而，分时电价并不是智能电网要实现的终极目标。未来，国家可能会根 3 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 据电网的负荷情况等，发布实时电价，到那时，对电价的随时掌握，将大有裨益。 1 3 远程自动抄表系统组成方案选择 1 3 1 远程抄表系统结构分析 一个典型的远程自动抄表系统主要由五个部分组成：远程抄表中心、抄表集 中器、数据采集器、电能表和传输信道。远程抄表中心位于电力公司，负责通过 网络下达抄表命令。抄表集中器、数据采集器、电能表组成抄表系统的前端子系 统，负责接收远程的抄表命令，将抄收的电表数据传送到远程抄表中心。传输信 道就是系统各部分之间采用的通讯媒介，包括无线信道和有线信道。远程抄表系 统结构图如图1 1 所示。 图1 - 1 远程抄表系统结构图 f i g 1 - 1r e m o r am e t e rr e a d i n gs y s t e ms t r u c t u r e 1 3 2 远程抄表系统方案选择 从图1 1 可知，远程抄表系统的实现关键就是将系统中的功能部件通过网络 连接起来。因此，选择何种通讯技术，成为构建远程抄表系统的关键。此外，系 统的设计要根据成本、安全性、应用环境、可扩展性、可升级性统筹考虑。 现阶段远程集中抄表系统中的通讯方式主要分为有线信道通讯、无线信道通 4 青岛科技大学研究生学位论文 讯和混合信道通信。下面对采用以上几种通讯方式的抄表系统做简要介绍。 1 有线网络远程抄表系统 随着有线网络技术的飞速发展，越来越多的抄表系统采用有线网络作为传输 信道。有线网络通讯技术主要有公用电话网、以太网、各种工业总线、有线电视 网络，这些通讯技术各有适用范围和优缺点。 公用电话网，成本低，技术成熟，信号的传输比较稳定，抗干扰能力较强， 适合上行通讯田】，但是这种方式连接时间较长，数据传输速率较低，不适合频繁 抄送数据或大数据量传输，受限于电话网，应用的地区有较大的局限性，随着新 技术的出现，该技术的应用已越来越少。 随着网络技术的发展，尤其是f d d i 和工业以太网技术，以太网抄表方式在 抄表领域的应用越来越多。优点有：实施简单，可以利用现成的网络，无需重建： 网络速度较快，采用t c p i p 协议，公开统一，便于接入互联网，上行和下行通 讯都适用团】。缺点是：现在网络接入的方式比较多，实现不同方式网络接入势必 会增加成本，一些落后偏远地区还无法通过有线接入网络，若租用专线成本比较 高，若采用公网则用户则需要考虑安全问题，而且用户的电表不一定一直在线， 另外数据传输安全性较低。 电力线载波，是利用现有电力线，通过载波方法将模拟或数字信号进行高速 传输的技术，国外该技术应用已经非常广泛。使用电力线作为载波信号的传输载 体，因此无需布线，通信线路不易破坏，基本不需维护，是研究热点，有很多相 应的器件产品，上行和下行通讯都适用。但是这种技术还有很多技术难点，电力 网络存在阻抗特性及其衰减，噪声的干扰，尤其在低压传输中，信号不够纯净， 干扰大，相关技术正在研究中。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据传输质量，目前很难真正地在国内推广应用，是未来发 展的趋势。 利用有线电视网络是进行远程抄表，是抄表领域的新趋势 2 4 1 。有线电视网络 采用光纤和同轴电缆，带宽容量相当大，用户覆盖面广，下传速率可以达到 3 4 m p b s 。目前，这种技术仅有一些试点，但发展前景广阔。 各种工业总线，如r s 4 8 5 、c a n b u s 、l o n g w o r k s 、m b u s 2 5 】，越来越多的 应用到远程抄表领域。工业总线一般用来连接抄表集中器、数据采集器和智能电 表，适于下行通讯。由于目前市场上的智能电表一般都带有r s 4 8 5 接口，而且 r s 4 8 5 总线技术成熟，在抄表行业应用非常广泛，市场占有率高。本文采用r s 4 8 5 总线作为下行通道的通讯方式，它有以下特点： ( 1 ) 逻辑0 和逻辑1 用两条线的电压差来表示，( 2 6 ) 表示逻辑0 ，+ ( 2 6 ) 表示 逻辑l 。 5 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 ( 2 ) 接口采用平衡驱动器和差分接收器，抗共模干扰能力强。 ( 3 ) 最高传输速率为1 0 m b p s ，最大的通信距离约为1 2 1 9 米，实际可达3 0 0 0 米。 ( 4 ) r s - 4 8 5 标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插 件、传输电缆和应用层通信协议。 ( 5 ) 总线上允许连接多达1 2 8 个收发器，具有多站能力。 2 无线网络远程抄表系统 无线方式无需布设线路，节省了线路投资，有些比较偏远的地区也可以使用。 目前比较常用的无线抄表方式有：利用手持或车载设备集中抄表、无线自组网、 g p r s c d m a 方式。 手持和车载抄表设备一般利用红外线或无线射频技术，需要抄表员到电表箱 附近集中抄表，这种方式并非远程抄表，但是实施比较容易，不受环境限制，无 需铺设专用线路，成本较低，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，在现阶段是一种经济的方案。它的缺点是：设备改造成本较高，需要 抄表人员到现场抄表，抄表实时性差。 无线自组网是近来比较流行的抄表组网方式，通过对智能电表进行改造加装 无线收发模块，通过无线方式进行通讯，主要用于下行网络。主要技术有低频段 无线自组网和z i g b e e 技术【2 6 j 。无线自组织网能自动组建网络，自动发现与自动删 除节点，无需配置路由，通讯速度快，维护简单。目前普遍采用的低频段包括 9 1 5 m h z ，8 6 8 m h z ，4 3 3 m h z 以及刚刚释放出来的4 7 0 5 1 0 m h z 频段。与z i g b e e 相比，低频段组网还具有距离优势，比如在4 3 3 m h z 和4 7 0 5 1 0 m h z 频段下，距 离是z i g b e e 的五倍。z i g b e e 存在着与w i f i 、蓝牙有同频干扰问题【27 。，穿透性和 灵敏度较差，距离一直不尽人意，另外z i g b e e 解决方案复杂程度太高，在导致系 统性能、稳定性和成本问题同时，通常还需要许多工作来达到规定的严格标准。 除无线自组网方式外，国内外还较多采用了g p r s 技术。g p r s 抄表只需要 在抄表集中器中加装无线通讯模块，不需重新组建网络，通讯速度较快，且易于 维护。g p r s 技术具有以下特点：通信速度快，接入范围广，通信费用低质量好， 信号覆盖范围广，通信实时性强，通信安全性高。采用g p r s 作为嵌入式系统中 的无线传输层，将从根本上解决目前移动i n t e m e t 费用高而速率低的瓶颈问题。 同时在链路层，采用p p p 协议【2 8 】作为串行链路的通信协议。p p p 协议作为l i n u x 操作系统的一个重要组成部分，能够支持在串行线上的t c p i p 的使用，这就使 用户可以通过串口与g p r s 模块通信，并通过g p r s 网络连入i n t e m e t 中。g p r s 技术运用于电力企业运营管理，具有广阔的发展前景。 6 青岛科技大学研究生学位论文 3 混合网络远程抄表系统 混合网络是指在一个系统中综合利用多种网络技术，各种网络通讯方式有各 自的应用范围，因此根据系统需求采用合适的技术构建抄表网络是远程自动抄表 系统发展的趋势。根据抄表系统的构成可以将网络分为上层通讯网络和下层通讯 网络。根据应用范围不同，上层网络可以选取公用电话网、以太网、有线电视网 络、g p r s 等通讯方式，下层网络可以选取各种工业总线、抄表器、无线自组网 等抄表方式。 本文研究的抄表系统，主要对小区的电度表进行采集，由于电表都位于电表 箱内，因此采用成熟的r s 4 8 5 技术进行布线，电表数据汇总到抄表集中器，通过 g p r s 网络传到远程抄表中心。 1 4 本文研究的主要内容 本文首先对自动抄表系统的发展现状进行了论述，指出了基于g p r s 技术和 嵌入式技术构建远程抄表系统的可行性和优势，分析了g p r s 网络数据传输的安 全性，接着分析了系统的实际需求并在此基础上完成了抄表系统的硬件和软件设 计，最后分析使用神经网络技术分析电量数据预测未来电量负荷曲线，并研究将 其用于反窃电的可行性和方法。 本文的主要内容 第一章，绪论，介绍课题背景、国内外研究现状、常见的远程抄表系统并确 定了抄表系统的组成方案。 第二章，介绍g p r s 技术及其网络结构，分析g p r s 网络数据传输的安全性。 第三章，介绍系统的总体设计，分析客户端和服务器端需要实现的功能，确 定系统的硬件设计方案和软件设计方案，分析数据传输流程制定通讯规约。 第四章，研究远程抄表系统的硬件平台的组建，介绍硬件系统的主要外围模 块的电路设计。 第五章，介绍系统软件平台的组建，包括b o o tl o a d e r 的移植、内核配置和移 植、文件系统的建立、s q l i t e 的移植和使用。 第六章，介绍远程抄表中心和g p r s 抄表终端应用软件的开发。 第七章，分析使用神经网络技术预测电量负荷曲线，研究将其用于反窃电的 可行性和方法。 7 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 2g p r s 技术的研究及其安全性分析 2 1g p r s 技术综述 g p r s 的英文全称为g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，中文意思为通用分组无线 服务，它是利用“包交换”( p a c k e t s w i t c h e d ) 的技术所发展出的一套无线传输方 式【2 9 】。所谓包交换就是将数据封装成许多独立的封包，然后将这些封包一个一个 传送出去，形式上有点类似寄包裹，由于需要寄送的物品很多，需要打成很多包 裹来寄送。采用包交换的好处是只有在有数据需要传送时才会占用带宽，而且可 以以传输的数据的大小计价，这对用户来说，减少了无用数据产生的额外费用， 是比较合理的计费方式。 g p r s 技术源于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 全球移动通 讯系统，它基于g s m 网络的基础架构，并且在其基础上增添了两个网络节点 s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 和g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) ，即 g p r s 业务支持节点和g p r s 网关支持节点【3 0 1 。s g s n 的主要作用是记录移动台 位置信息，对移动台进行鉴权和路由选择，完成移动分组数据在移动台和g g s n 之间的发送和接收【3 1 1 。g g s n 相当于移动骨干网与外围网络的网关，负责连接外 部网络，例如，因特网、x 2 5 网络、局域网、私有网络等。与g s m 不同的是， 采用通用分组无线服务方式进行数据传输时，如果没有数据通信，则不会占用通 信信道，使得通信网络资源利用率大大提高，同时还降低了用户的费用。而g s m 通信方式采用的是电路交换，在通信双方传输数据时，需要占用信道，降低了信 道的利用率。 由于g p r s 网络使用分组交换技术实现数据通信，这样用户上网时，断线的 几率大大降低，这种通信方式跟我们上网时使用支持分段断点续传的下载工具下 载资料很相似。g p r s 上网方式与w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 配j 无线通信 协议有很大不同，使用w a p 方式上网需要先拨号，上网的同时不能通话；而使 用g p r s 方式上网，语音和网络数据传输互不干扰，给人们生活和工业生产带来 了很大的便利。g p r s 技术使得连入网络更加便利有效，它的众多优点使得g p r s 技术在很多领域有着广阔的应用空间。 2 1 1g p r s 技术的特点 g p r s 技术比g s m 有着更优秀的数据传输能力，作为一种使用包交换一种数 8 青岛科技大学研究生学位论文 据传输技术，它在数据传输时更加有效率。g p r s 技术优化了无线网络的资源， 允许多个用户共享网络。g p r s 技术使得网络供应商能够提供更高带宽更高速度 的网络接入服务，同时，用户使用g p r s 移动设备可以更快更好连接因特网，这 得益于g p r s 技术所带来的优势。 g p r s 技术具有以下特点： 1 通信速度快 由于采用分组交换技术，传输速度较之g s m 有了大幅提升，最高传输速率 可达1 7 1 2 k b p s t 3 引，实际使用中速度可以达到5 6 1 1 5 k b p s ，用户可以享受高速的 网络连接，大大拓宽了技术的应用范围。 2 应用范围广 g p r s 的核心网络采用了i p 技术和t c p i p 技术，通过g g s n 可以方便地与 i r i t e m e t 互联，实现与i n t e m e t 的无缝连接，当g p r s 设备连入网络之后，会获得 公网上的一个i p 地址，因此，在工业领域有广阔的应用前景。 3 通信费用低质量好 数据是通过分组实现发送和接受，通信费用基于数据流量，另外g p r s 运营 商可提供流量包月业务，计费方式更加合理，业务类型更加多样，服务质量( q o s ) 更有保证，使得通信费用大大降低，而且用户更易于接受。 4 信号覆盖范围广 g p r s 网络的覆盖范围特别广，只要是无线信号可以到达的地方都可以接入， 因此一些偏远的地区可以很容易使用g p r s 网络，这在一些远程控制、抄表等工 业领域有着非常广阔的应用前景。 5 通信实时性强 相对于上一代的短信息服务，g p r s 网络传输的实时性优势是无可比拟的， 网络接入速度快，建立一个可靠的连接仅需一秒，响应十分迅速。 6 通信安全性高 采用针对g p r s 优化的认证技术和数据加密技术，保证数据传输的安全性。 2 1 2g p r s 技术的应用 由于g p r s 无线数据传输有上述诸多优点，因此其应用范围非常广阔。 1 通过无线终端接入网络 g p r s 网络信号稳定，接入方便，覆盖面积广，速度比较快，在移动电话接 入因特网方面有着得天独厚的优势，包括通过手机浏览网页、收发电子邮件、下 载资料、娱乐以及其他一些基于网络的应用。 9 基于g p r s 网络的嵌入式远程抄表系统的研究与设计 2 工业控制领域 在工业现场，各种数据采集设备对信号进行采集，然后将数据传输至工控计 算机或嵌入式设备，然后通过g p r s 模块将数据通过g p r s 网络传输至远程服务 器端，实现数据远程采集。通常，工控计算机或嵌入式设备通过串口r s 2 3 2 与 g p r s 模块相连，当然数据采集设备也可以集成g p r s 模块实现数据收发。比较 典型的应用领域有石油化工行业、气象行业、城市交通监控、农产品监控等。g p r s 在行业里的应用主要流程是首先进行相关数据的采集，然后通过g p r s 网络传输 至远端。 3 低压配电监控应用 随着用电需求地不断扩大，电力分配与需求的矛盾越来越明显，如何有效合 理的调度分配电能是解决供需矛盾的关键。随着电力配网技术的发展，只有提高 配网自动化水平，才能科学、及时、有效的对电网进行电力调度。电网自动化系 统可以通过g p r s 网络对传输配电数据实时、准确、高效地传输，从而实现对低 压配变的运行数据监测、采集、分析。 4 远程抄表系统的应用 由于g p r s 技术有着覆盖面广，速度快，永远在线，接入方便等优势，非常 适合应用在远程抄表系统中。典型的远程抄表系统有远程服务器端和现场电量采 集终端组成，电量采集终端负责采集电量数据，然后通过特定的通讯方式传送至 远程服务器端，远程服务器端对数据进行处理，实现远程采集功能。当集成g p r s 模块的电量采集终端接入g p r s 网络时，就会获得一个口地址，这样跟位于广域 网的远程服务器端可以很方便地进行通信，因此g p r s 网络为电力公司提供了一 种简单有效的通讯手段。另外，使用g p r s 网络无需租用专线或者自建网络，大 大节约了开发成本，而且集成g p r s 模块的电量采集设备安装方便、维护简单。 g p r s 技术由于不受气候、地理环境、时间等因素限制，而且有着覆盖面积 大、传输速度快等诸多优点，因此在我国工业自动化和其它领域的应用将会越来 越广泛。 2 2g p r s 系统网络结构 g p r s 系统的网络结构是在g s m 网络基础上构建的，它是通过改造g s m 网 络增加一些能够实现分组交换、连接因特网等功能的新节点而实现的，对g s m 网络没有任何影响。g p r s 和g s m 最大的区别在于，g p r s 使用存储转发分组交 换的方式进行数据传输，而g s m 使用的是电路交换。当使用g p r s 方式进行数 据传输时，系统把要发送的数据分割成等长的数据包，再加上协议包头，然后进 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 行路由选择，将数据发送出去，接收端收到数据时，重新将信息组装成原始信息。 分组交换功能就是由新增加的节点而实现的。这些节点被称为g s n s ( g p r s s u p p o r tn o d e s ，g p r s 支持节点) ，其功能是完成m s ( m o b i l es t a t i o n ) 移动台和外部 网络之间的数据转发和路由选择 3 4 1 。g p r s 对g s m 的扩充主要引入了一下几个 功能节点：s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节点) 、p c u ( p a c k e t c o n t r o lu n i t , 分组控制单元) 、d n s ( d o m a i nn a m es e r v e r , 域名服务器) 和 b g ( b o u n d a r yg a t e w a y , 边界网关) m j 等。 与g s m 网络相同，g p r s 用户需要一个终端m s ( m o b i l es t a t i o n ) 移动台提供 网络接入服务，然后通过无线接1 ：3 m ) 接入网络。g p r s 网络是