（电路与系统专业论文）基于GPRS的自动抄表系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 近年来，随着我国住宅产业的高速发展，能源消费计量和管理的需要，以 及广大居民生活水平的同益提高，对建筑智能化水平的要求越来越高，远程抄 表系统得到了迅猛发展。这既是提高能源管理水平的需要，也是电子技术、通 信技术和计算机技术迅速发展的必然。 本文对基于g p r s 无线网络的远程自动抄表系统的设计方案和实现方法进 行了研究。结合近年来国内外远程抄表技术的研究与发展，本文对现有的各种 抄表方式进行了综合比较，设计出一种目前最适合我国国情的抄表方式即 r s 4 8 5 和g p r s 复合通信方式，进行研究和系统设计。 本文的自动抄表系统由智能表、采集器、集中器、主站和它们之间的通信 信道组成。本文的设计分为系统的硬件设计和软件设计两部分。系统的硬件设 计是对智能表、采集器和集中器各功能模块的设计。系统中，智能表与采集器、 采集器与集中器之间由于通信距离相对较短，均采用r s 4 8 5 总线通信，可靠 性高。集中器与主站间由于通信距离很长，选用g p r s 无线通信，成本低、速 率高。硬件设计遵循低成本、高可靠性的原则，以实现基本抄表功能为目的。 系统的软件设计以数据通信协议和自动抄表系统的性能要求为依据，设计了智 能表、采集器和集中器的数据采集、时钟读写、通信协议、a t 指令控制和g p r s 通信等流程。 本文设计的基于g p r s 的自动抄表系统在每栋居民楼设置一个带有g p r s 模块的集中器，与一般的抄表系统在每只耗能表处设置一个g p r s 模块相比， 降低了投资，大大的节约了有限的网络资源。在数据存储方面，使用的是f r a m 铁电存储器，比常用的e 2 p r o m 写入次数更高，功耗更小。按照设计要求，系 统实时采集用户的能耗脉冲，定时自动抄表，并将数据存储到f r a m 中，r s 4 8 5 通信速率和g p r s 的通信波特率均设定为9 6 0 0 b p s 。系统还可完成参数自动设 置、纠错、统计分析等功能，能实时地监控各个用户的耗能情况。 关键字：g p r s ，r s 4 8 5 ，自动抄表，复合通信 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh o u s i n g i n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h en e e do fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a n a g e m e n t ，a n di m p r o v e m e n to fl i v i n g s t a n d a r d s ，w en e e di n t e l l i g e n tb u i l d i n go fh i g h e rs t a n d a r d s ，a n dt h ea u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e mh a sd e v e l o p e dv e r yf a s t t h i si st h er e s u l to fa d v a n c i n ge n e r g y m a n a g e m e n t ，a n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe 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 n t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g no ft 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 m b a s e do ng p r s i tc o m p a r e sv a r i o u sm e t e rr e a d i n gs y s t e m s ，a n dd e s i g n st h em o s t a p p r o p r i a t eo n e ，w h i c hm a k e su s eo fr s 一4 8 5a n dg p r s n ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mc o n t a i n sm e t e r , c o l l e c t o r , c o n c e n t r a t o r , m a s t e rs t a t i o na n dc h a r m e lb e t w e e nt h e m t h et h e s i si n c l u d e st h e d e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ed e s i g ni st h ed e s i g no fm e t e r ，c o l l e c t o ra n d c o n c e n t r a t o r i nt h es y s t e m ，r s - 4 8 5i su s e di nt h ec h a n n e lb e t w e e nm e t e r sa n d c o l l e c t o r , c o l l e c t o ra n dc o n c e n t r a t o r , s od a t ac a nb et r a n s f e r r e dm o r er e l i a b l y g p r s i su s e di nt h ec h a n n e lb e t w e e nc o n c e n t r a t o ra n dm a s t e rs t a t i o na st h el o n gd i s t a n c e t h eh a r d w a r ed e s i g nf o l l o w sl o w c o s ta n d h i g hr e l i a b i l i t y , a n di sa b l et of i n i s hb a s i c f u n c t i o n so fr e a d i n gm e t e r t h es o f t w a r ed e s i g nh a sd e s i g n e dt h ef l o wo fd a t a a c q u i s i t i o n ，c l o c kr e a d i n ga n dw r i t i n g ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a tc o m m a n d c o n t r o la n dg p r sc o m m u n i c a t i o no fm e t e r c o l l e c t o ra n dc o n c e n t r a t o r i nt h et h e s i s ，t h e r ei so n l yo n ec o n c e n t r a t o rw i t hg p r sm o d u l ei no n e b u i l d i n g ， i n s t e a do fo n em e t e rw i t hg p r sm o d u l e t h i sd e s i g nr e d u c e si n v e s t m e n ta n ds a v e s l i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c ：e t h es y s t e mm a k e su s eo ff r a m ，w h i c hw r i t e sm o r e f r e q u e n t l yt h a ne 2 p r o ma n dn e e d sl e s sp o w e r i na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g n ，t h e s y s t e mj s a b l et or e a dd a t af r o mm e t e r s o fc o n s u m e r s t h e s p e e do fr s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o na n dt h eb a r dr a t eo fg p r sc o m m u n i c a t i o na r es e tt o9 6 0 0 b p s t h e s y s t e mi sa l s oa b l et of i n i s hp a r a m e t e rs e t t i n g ，e r r o rc o r r e c t i o n ，a n a l y z i n ga n ds oo n i ti sa b l et om o n i t o ra l lt h em e t e r s k e yw o r d s ：g p r s ，r s - 4 8 5 ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，c o m p l e xc o m m u n i c a t i o n n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工 大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的 国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服 务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研尧生c 签名，：j 萎。鸹旦导师c 签名，： 日期： 武汉理工大学硕七学位论文 1 1 概述 第1 章引言 自动抄表系统是多年来人们致力用于实现远程抄读水、电、气表使用量的 智能化系统。完善的自动抄表系统可以极大的方便人们的日常生活以及能源管 理部门的工作，同时提高能源的有效分配和利用。 1 1 1 系统的研究背景与意义 当前，我国水、电、气的计量收费管理，主流采用的还是人工抄表方式和 i c 卡计费方式。人工抄表即抄表员定期赶赴居民区，对用户进行逐个抄表、统 计并结算出费用部分；i c 卡计费，需要用户到指定购买点或联网银行为水、电、 气各个卡充值，然后回家把各卡内的余额分别刷入水、电、气表中，才能继续 正常使用，如果各表内余额用完而没有及时充值，则会停止供应水、电、气。 这两种抄表方式的效率都不高，对用户和收费工作人员来说，既费时又费力， 不但需要四处奔走，还存在着严重的安全隐患；对于管理部门而言，不能实时 的掌握第一手数据，对用户的耗能情况难以进行科学的统计分析，不利于科学 调度，误差大、时效性差、统计计算工作量大，且带有人为随意性。随着社会 经济的飞速发展，现有抄表收费方式的种种弊端日益凸显，管理部门正在寻找 一种适合的自动抄表系统，逐步改进抄表收费的方式。 自动抄表技术( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，简称a m r ) 是一种不需人员到 达现场就能完成自动抄表的新型抄表方式。它是采用远程传输技术、计算机技 术和通信技术相结合，自动读取和处理表计数据，将用户的用水、电、气信息 加以综合处理的系统。由实时采集、定时巡测，读取各时段耗能数据，然后利 用计算机系统进行综合分析，绘制耗能曲线、负荷曲线，分析线损、耗能状况 在盘 寸o 1 1 2 系统结构与性能要求 自动抄表系统是由主站通过传输媒体( 无线或有线的信道介质) 将多个仪 武汉理_ 大学硕士学位论文 表的记录值信息集中抄读的系统。一般的自动抄表系统由耗能表、采集器、集 中器、信道和主站构成，其框图如图1 - 1 1 所示： 图1 - 1 1 自动抄表系统框图 耗能表处于整个系统数据采集的最前端， 过信道把这些数据传送给采集器。 采集器是采集一个或多个耗能表的信号， 传送到上一级设备的专用模块。 集中器用于收集各个采集器上传的数据， 和主站或手持单元进行数据交换。 用于记录用户的耗能数据，并通 并将数据处理和储存，通过信道 并对数据进行处理、储存，同时 主站则是通过信道对集中器中的数据进行采集、处理和管理，并对整个系 统运行状态进行监测的计算机系统。 信道是信号传输的媒体，如无线电波、电力线、电话线等。 自动抄表系统在性能上有如下要求： ( 1 ) 系统精度高。在性能上应满足各种用户耗能计量精度要求，计量误差 应在国家标准的要求之内。 ( 2 ) 系统的开放性。系统采用国家标准的通信规约，采用通用、先进的操 作系统和商用数据库系统，以便于系统扩展和数据共享，保护系统的投资。 ( 3 ) 系统的可靠性。系统具有良好的可靠性，正常情况下一次抄表成功率 在9 8 以上，而管理部门接收数据的准确率应达9 9 以上。 ( 4 ) 系统的实时性。应能够迅速读取某一时间各耗能表实时数据，也可定 时读取各耗能表被保存的数据。 ( 5 ) 系统的安全性。系统具有高度的安全性，软件系统具有重要数据备份、 操作人员权限设置、操作日志、防病毒系统等【卜5 1 。 1 2 自动抄表系统在国内外的发展 自动抄表技术自八十年代诞生于美国后，在世界各地得到迅猛发展，最先 武汉理工大学硕士学位论文 在供水企业中应用，后扩展到电、气等各个领域。直到九十年代，自动抄表技 术才被引进到中国。 1 2 1 国外自动抄表技术的发展 在自动抄表系统中，一个重要的抉择，就是通信方式的选择。上世纪7 0 年代至8 0 年代，一些发达国家相继开始对远距离电能表数据的采集和传送进行 了探索性研究。此阶段，自动抄表系统主要采用有线通信，如用电力线载波、 波导管、电缆、光缆等作为传输媒质。1 9 8 2 年英国的t h o r n e m i 系统利用公 用电话网实现了自动抄表；1 9 8 5 年日本九州电力公司试用电力输配电线载波， 地线载波及光缆通信于远方读表和监测表计误差的系统；澳大利亚借助邮电线 路进行远程电能表数据抄记系统；美国波士顿边生公司以及费城电力公司的配 电线载波远程读表系统等。这些系统曾先后投入试运行，但由于投资较大，均 仅用于用电大户、联网结算或部分住宅区的集中电能表数据的读取。1 9 8 8 年美 国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机，用户消耗的电能数据 被一次性经键盘存入微机，完成统计与处理。 1 9 9 0 年以后，a m r 得到较快的发展。1 9 9 2 年埃及开罗配电公司开发出双 模式住宅电能监视抄表系统，用于自动记录、获取和处理电能消耗数据的完整 系统。为了满足美国；0 n , n 电力市场i s o 方案的要求，美国最大的电能计量计费 系统t m r 于1 9 9 8 年投入运行。2 0 0 0 年度，美国有2 8 4 0 万自动抄表设备单元 应用，其中1 3 0 0 万用在电力，1 0 8 0 万用在煤气，4 6 0 万用在供水。在1 9 9 9 2 0 0 0 年度供水方面有5 5 的高速增长，电力有2 0 的增长，煤气有1 3 的增长。 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。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，向能源管理系统传送采集的数据。 1 2 2 国内自动抄表技术的发展 国外抄表系统的发展进程影响着国内抄表系统的发展方向，上世纪8 0 年代 末9 0 年代初，中国开始了自动化抄表系统的试点工作。全国各供电企业基本建 武汉理工大学硕七学位论文 立了无线电电力负荷控制系统，虽然其主要建设目的是控制负荷，但也逐渐用 于大用户的电能表抄表。1 9 8 9 年全国第一套跨省网的电量计费系统在华北电网 投入运行，北京供电局的电话抄表系统在9 0 年代开始投入运行。1 9 9 4 年以色列 居民集抄系统进入中国，全国各地供电企业大多都开展了低压电力载波技术试 点。9 0 年代中期，国内已有研制成功一批自动抄表系统的报道，如常州的 “y h 5 5 5 1 型集中自动抄表系统，太原的“煤气表读数遥测系统，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的“水、煤 气表合抄集中自动抄表系统”。 2 0 0 0 年经全国电工仪器仪表标准化技术委员会秘书处召集生产、用户以及 计量检测等2 0 个成员单位组成自动抄表系统国家标准起草工作组，通过标 准的制定有效地规范了市场和引导技术的发展。2 0 0 4 年现场用电管理终端作为 负控和抄表需求的融合产品产生，并陆续在浙江电网和广东电网大量推广使用。 2 0 0 5 年国家电网公司颁布关于加强电力营销现代化的建设意见的4 0 6 号文后， 中国迎来了a m r 发展的黄金时期。从2 0 0 5 年n 2 0 0 7 年各电力公司基本实现了发 电侧、供电侧及终端侧3 1 5 k v a 及以上大用户的电能自动抄表，全国估计有几十 万个a m r 采集终端投入应用，成为目前世界发展最快的a m r 市场。2 0 0 7 年部 分省市电力公司又重新启动居民用户集中抄表系统工程，中国将至少具有十年 的a m r 发展黄金时期。 随着智能化小区的建设的推广，三表自动抄表系统在我国已逐渐普及，但 由于种种因素，绝大多数自动抄表系统却都未能正常运行，投了自动抄表系统 的钱却仍用人工抄表的现象仍较为普遍。如果这种情况不能得到有效解决，自 动抄表行业必将受到严重影响，其负面影响将波及到房地产行业、自来水等专 业公司、智能化产业以及广大居民的日常生活p 1 2 】。 1 3 论文的主要内容 本文的主要内容如下： 第1 章：介绍了课题背景及国内外的发展情况。 第2 章：通过对现有自动抄表系统的分析，论证了r s 4 8 5 总线和g p r s 无线网络复合通信抄表方案的优越性，并给出了总体方案设计。 第3 章：对系统的的硬件进行了设计，包括对智能表、采集器和集中器的 4 武汉理工大学硕士学位论文 主控制器及其各功能模块的设计。 第4 章：对系统的软件部分进行了设计，包括智能表的脉冲采集流程、读 写时钟流程，采集器与集中器的收发指令流程等。 第5 章：全文总结与展望。 本文利用软件和硬件需要实现的功能有： ( 1 ) 抄表通信。系统能够准确的采集、存储所有用户的能耗数据，并把这 些数据传送到主站。 ( 2 ) 参数自动设置。系统在运行之前，需要对采集器和集中器进行初始参 数统一设置以保证系统的正常运行，包括地址编号、时钟、自动抄表周期等参 数的设置。 ( 3 ) 数据库管理。通过权限认证，工作人员可以对用户的耗能数据进行合 法的查询、修改。 ( 4 ) 终端数据维持。在断电或其它特殊情况下，集中器、采集器和智能表 都能对数据进行有效的保护，做到数据不丢失，从而保证数据的连续性和准确 性。 ( 5 ) 统计分析。主站收集到用户的耗能数据后，利用软件对所有数据进行 分析，绘制相关曲线，统计得到需求的数据，如月能耗量、季度能耗量等。 ( 6 ) 事件记录。自动检测系统故障，并对故障类别和时间进行记录。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章总体方案设计 本章通过对自动抄表系统的性能要求分析，经过方案论证与选择，确定了 自动抄表系统的总体方案。 2 1 方案论证 通信是自动抄表技术中的关键，也占据了投资的大部分。因此，方案的选 择主要是通信方式的选择。数据通信的设计要综合考虑地理环境、用户用能行 为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。 在国外已有许多发展成熟的自动抄表系统，他们采用的信息传输方式有： 电视电缆、电力线载波、无线电波和公用电话网等。自动抄表系统呈现多元化 发展，有着多种实现方案，目前比较流行的方案有： ( 1 ) 电力线载波抄表 以电力线作为传输信道，将数据信号调制为高频信号叠加在电力线上进行 通信。此方式无需另外布线、易施工、成本低、与电网建设同步。目前国内1 0 k v 以上电压等级的高压电力线载波技术已较成熟，但低压电力线载波还未能达 到令人满意的水平，制约了电力线载波抄表在我国的应用。原因在于电力载波 信号存在着脉冲干扰，传输距离越远，信号衰减越大。低压电器电磁兼容性的 控制尚不十分严格，低压电力线上存在的电磁污染严重，干扰大，影响载波通 信的质量；另外，用户负载千变万化造成网络传输特性复杂多变，难以用准确 的数学模型加以表征。因此，抗干扰是低压电力线载波技术必须克服的问题。 ( 2 ) 总线抄表 总线通信是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式，其数据传输 速度较快，可靠、稳定，通信质量高。目前使用的总线通信方式有r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 、l o n w o r k s 等。但这种方式布线工作量大，通信信道易遭外界因素破 坏，信道后续维护工作量大。 ( 3 ) 红外抄表 抄表员将录有用户信息的红外手持抄表器拿到居民区数据集中器附近，通 武汉理_ 大学硕士学位论文 过红外通讯方式集中采集各耗能表的数据，然后返回主站将数据传输到计算机 中。这种方式在红外可视距离内能非接触的读取仪表数据，操作简单方便，实 现较可靠，且成本较低，被众多的软件和硬件平台所支持。其缺点是速率较低， 易受外界环境的影响。 ( 4 ) g s m 短信息抄表 g s m 短信息抄表系统在用户端安装集控器和无线发射终端，将用户的耗能 数据通过g s m 网以短信息( s m s ) 的形式上传到g s m 网的s m s 中心，s m s 中心将接收到的数据通过专线传递给能源管理部门。g s m 短信息抄表不占用话 音通信的信道，费用低。g s m 网的覆盖面几乎遍及全国，故不需要建新基站， 抄表不受距离和空间的限制。但每条短信息通信容量有限，系统实时性及可靠 性较差，可能发生信息拥塞和丢失现象，不适合在业务量大的系统中应用。 ( 5 ) g p r s 抄表 g p r s 抄表系统通过g p r s 网连接至u i n t e m e t 网与主站计算机进行通信。用户 的耗能数据经过g p r s 发射模块处理、协议封装后发送出去，由g p r s 接收模块 接收经i n t e m e t 网络传送至主站，实现用户耗能数据和主站的实时在线连接。 g p r s 以g s m 网络为基础，采用分组交换的高效率传输方式，克服了g s m 电路 变换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的g s m 网络资源。 它的传输速率高，接入时间短，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务 成本，特别适合突发性小流量数据传输。 结合国内外抄表系统的发展，在自动抄表技术应用到的所有通信模式中， 各种方案都存在着不同程度的缺陷，尤其是我国目前的低压电力网络问题很多， 因此任何一种采用单一技术的通信方案都很难完全满足客户的多重要求。即使 在很大程度上达到了要求，但须付出的代价也难以承受。为解决这类矛盾，本 文提出了复合通信方案。 所谓复合通信方案，就是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式。 根据抄表系统的结构及传输距离，系统的通信分为底层通信和上层通信。对于 数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段( 耗能表到采集器，采 集器到集中器) 可以使用有线通信，以保证数据传输速度和质量；对于传输距 离较远的上层通信( 集中器到主站) ，则可采用无线通信，减少施工量，节约成 本。选择什么样的方式相互配合，需根据实际情况统筹考虑，混合使用的各种 通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰1 1 3 17 1 。 7 武汉理j 【大学硕士学位论文 2 2 方案选择 在方案论证的前提下，出于对数据传输可靠性的考虑，用户耗能表与采集 器，以及采集器与集中器之间传输距离短，系统采用r s 4 8 5 总线作为通信信 道，以实现专线专用。其通信成功率几乎为1 0 0 ，可以实现实时抄收，实时 监控，配套设备成本最低。既保证了通信质量，成本又不是很高，其通信协议 可根据需要灵活制定。 集中器与主站之间由于传输距离较远，环境复杂，采用专线通信成本太大， 工程复杂，信道易遭破坏，因此系统选择g p r s 无线网络通信。其优点是无需 另外布线，抗干扰性好，抄表范围广，系统传输容量大，数据传送速率高，建 设成本及通信费用低等。 下面对这两种通信方式做了简单介绍。 2 2 1r s 4 8 5 总线通信 r s 4 8 5 是1 9 8 3 年电子工业协会( e 认) 为了扩展r s 4 2 2 的应用范围在其基 础上制定的标准，采用差分传输方式( d i f f e r e n t i a ld r i v e rm o d e ) 传输数据。 r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及插件、电缆或协议，在此 基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 理论上，r s 4 8 5 最大传输速率为1 0 m b p s ，最大传输距离为1 2 1 9 米。通常， r s 4 8 5 网络采用平衡双绞线作为传输媒体，平衡双绞线的长度与传输速率成反 比，在1 0 0 k b p s 速率下才能使用规定最长的电缆长度，只有在很短的距离下才 能获得最高速率传输。因此，r s 4 8 5 更适合短距离的数据传输。在实际应用中， r s 4 8 5 总线的传输速率常选择在9 6 0 0 b p s 及以下。 r s 4 8 5 采用平衡式传输，差分式接收的收发器来驱动总线。它使用一对双 绞线传送差分信号，在接收端用差分接收器进行信号判决，将其中一条线定义 为a ，另一条线定义为b ，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连。 r s 4 8 5 由驱动发送器将信号传送出去之前，先将原始的t t l 电平信号分 解成正负两路，当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。将原始信 号标注为d t ，被分解后的信号分别标注为d + 和d ，则原始信号与分解后的信 号在发送端的关系为： d t = ( d + ) ( d 一) ( 2 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 同样原理，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原。 在线路存在干扰的情况下，两条线路上的信号应分别为( d + ) + n o i s e 和 ) + n o i s e ，则关系式为： d t = 【( d + ) + n o i s e 一【( d 一) + n o i s e 】= ( d + ) 一( d 一) ( 2 2 ) 在两种情况下关系式一样，可见使用r s 4 8 5 网络可以有效防止噪声干扰。 r s 4 8 5 总线常采用特性阻抗为1 2 0 0 的双绞线作为传输介质，因此信号在 传输线上传送时，遇到阻抗不连续的时候会出现反射现象，影响信号的远距离 传输。针对这种情况，本系统的r s 4 8 5 网络拓扑采用终端匹配的总线型结构， 在r s 4 8 5 总线的两个末端分别接入1 2 0 0 的电阻，对通信线路进行阻抗匹配。 d i d e r o r e d id er o 豇 i ) 1 d e r o r e 图2 - 2 1 半双工工作方式 d e d l r 0 r e r s 4 8 5 总线为半双工工作方式，如图2 2 1 所示，其通信的数据线有两条， 分别是一个信号标准点位的正负端，真正的信号必须由两条线路相减得到。因 此，每次通信只可以向一个方向传送数据，任何时候网络中只能有一个主设备， 即处于发送状态的设备，从设备不进行主动通讯。为了避免总线冲突，系统的 集中器与采集器、采集器与耗能表间都采用主从式通信。即主机发送的数据可 以传送到各从机或指定从机，而各个从机发送的数据只能发送给主机。无论主 机还是从机都采用查询方式发送数据，中断方式接收数据i l 引。 2 2 2g p r s 无线通信 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是欧 9 武汉理工大学硕士学位论文 洲电信协会在g s m 系统中有关分组数据规定的标准。g p r s 采用分组交换技 术，具有充分利用现有网络、资源利用率高、接入时间短、传输速率高、始终 在线、资费合理等优点，常被描述成“2 5 g ”网络。目前，任何一种在固定i n t e r n e t 上的业务，如文件传输协议( f t p ) 、网页浏览，都可在g p r s 网上实现。 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的，它在现有g s m 网络中增加 了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 ，网关支持节点) 、s g s n ( s e r v i n g g s n ，服务支持节点) 以及与其他硬件设备相连的接口，并对g s m 的相关部 件进行了软件升级。 其中，g g s n 是外部数据网与g p r s 骨干网间的网关节点。它存储属于本 节点的g p r s 业务用户的路由信息，并根据信息将分组数据单元p d u ( p a c k e t d a t au n i t ) 利用隧道技术发送到移动台的当前业务接入点s g s n 。s g s n 是g p r s 骨干网与无线接入网间的接口，是为移动台提供业务的节点。它主要是记录移 动台的当前位置信息，并在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接 收。在b s s 侧新增加的接口g b 采用帧中继，导致原有b s c 电路交换设备无法 使用，因此增加了p c u ，用于分组数据的信道管理和信道接入控制。 图2 - 2 2g p r s 网络结构 g p r s 网络结构如图2 2 2 所示，b s s ( 基站子系统) 由一个b s c ( 基站系 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 统控制器) 和一个或多个b t s ( 基站收发信机) 组成，负责在一个区域内与移 动台通信。g p r s 分组数据从基站发送到s g s n 节点，s g s n 再与g g s n 进行 通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理后发送到目的网络，如i n t e r n e t 网络。 来自i n t e r a c t 标识有移动台的i p 包由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送 到移动台上。 g p r s 无线终端接入g p r s 网络的方法与普通有线m o d e m 类似，都采用建 立p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 连接方式，通过p p p 协议获得动态分配的i p 地址。g p r s 模块即是以浮动i p 地址的方式连接到i n t e r n e t 的，其i p 地址每次 连接时都不一样，登陆上网络后自动连接到主站，并向其报告自身的i p 地址， 保持和维护数据链路的连接。基于g p r s 网络无静态口地址，其他通信设备不 能向它提出建立连接请求，主站必须拥有一个固定的i p ，以便g p r s 终端可以 在登陆g p r s 网络后通过该i p 找到主站。建立连接后，g p r s 终端向网关发送 的p p p 报文都会传送到主站，而从主站传送过来的应答帧也同样会根据i p 地 址传送到g p r s 终端【1 9 也2 1 。 2 3 系统总体方案 经过方案论证与选择，系统的总体方案也随之确定，如图2 2 3 所示。 ( 1 ) 水、电、气表 在本系统中，水、电、气表处于最底层，其工作由自行研制的智能表来完 成。该表用于实时采集用户的用水、用电和用气数据，并将采集到的数据经过 转换，直观的显示在表身的液晶屏上。智能表的接口采用r s 4 8 5 标准的串行 电气接口，每个智能表采集一路数据。 ( 2 ) 采集器 传统的采集器用于采集、计算脉冲表的脉冲数。而本系统采集脉冲的工作 已由智能表完成，采集器仅用于收集智能表采集的数据，跟集中器的功能类似。 这是由于r s 4 8 5 总线上实际可带的节点有限，采集器用于分担集中器的节点 压力。对于低层居民楼和小高层，每层住户一般不超过6 户，采集器采集三层 约1 8 户的三表数据；对于高层建筑，每层住户一般在1 0 户左右，采集器采集 两层约2 0 户的三表数据。采集的户数可根据实际情况进行调节。由于有些地区 采用复费率进行抄表，因此，本系统的采集器每个小时抄表一次。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 集中器 集中器处于底层通信的最顶端，用于对个区域内所有用户的能耗数据进 行集中管理。在本系统中，高层建筑每栋楼安装一个集中器，低层建筑几栋楼 共用一个集中器，总线铺设距离短，减少了施工难度，投资成本也得以降低。 通过与采集器通信，集中器对辖区内所有智能表的数据进行集中处理。系统可 根据传输数据量的大小，灵活设定集中器为每个小时抄表一次或每几个小时抄 表一次。 ( 4 ) 主站 主站设在各能源管理部门，用于远程抄收、管理所有用户的能耗数据。主 站由p c 机组成，通过软件设计，可以实现对用户能耗数据的统计分析和系统 的管理监测等功能。 圈 g p r s 夕，r 图2 - 2 3 系统方案图 自动抄表系统是由各功能模块组合而成的控制系统，在设计的时候，应考 武汉理1 ：大学硕士学位论文 虑各方面的因素影响。现在市场上流行的设备和产品五花八门，功能很多，价 格也很昂贵，如果一味追求高端、先进，会使成本过高，功能过剩，造成不必 要的浪费。结合系统的功能指标需求，应该在经济实用的前提下，不断提高抄 表系统的性能。我们在进行具体设计的时候应该注意以下几点： ( 1 ) 技术的成熟性及先进性：系统设计时必须采用成熟而先进的技术，使 系统在今后一段时间内都处于领先地位，延长系统的生命力。 ( 2 ) 系统的可靠性：数据的采集，数据的通讯都必须准确可靠，系统各部 分的抗干扰、抗攻击能力要强，要求能适应各种恶劣的环境。 ( 3 ) 系统的方便性：系统的构建、调试要尽可能方便，施工、安装要方便。 系统一旦发生故障，维护工作量要少。 ( 4 ) 系统的可扩充性：系统要能够根据用户的数量，调整安装结构，可以 根据需要升级或扩充功能，并且备有广域联网的功能。 ( 5 ) 系统的开放性：今后的发展趋势是多元化的，因此系统在选用通信协 议以及硬件接口时都要符合开放的系统规范。 2 4 主控制器 单片机技术在测量领域的应用促进了自动抄表系统向智能化方向发展，目 前在抄表系统中使用的单片机主要有8 位机和1 6 位机两种，8 位机已足够完成 所有采集任务，故其应用仍占主流。本系统选用a t m e l 公司具有低功耗、高 性能的8 位c m o s 单片机a t 8 9 s 5 2 作为各模块的主控制器，完成对数据的采 集、存储及通信功能。 a t 8 9 s 5 2 在单芯片上拥有灵巧的8 位c p u ，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器，为众多嵌入式控制应用系统提供了灵活、高效的解决方案。它使用 a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚 完全兼容。它拥有2 5 6 k 的r a m ，3 2 个i o 口，2 个数据指针，3 个1 6 位定时 器计数器，1 个六向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振电路，时钟电 路和看门狗电路。另外a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静态逻辑操作，支持两种软件可 选节电模式。空闲状态下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计时器、串口、 中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结，单片机 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止1 2 引。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 系统的硬件设计要根据其功能要求和工作原理来进行。本系统的硬件设计 包括对系统的智能表、采集器、集中器的研究与设计。在系统中，智能表完成 用户耗能数据的采集、存储、显示工作，采集器和集中器完成对下级站点数据 的采集、存储及通信功能。因此，硬件设计将围绕这些功能的实现来进行。 3 1 智能表的硬件设计 智能表位于自动抄表系统的最前端，用于实时采集用户的能耗数据，并进 行存储与显示。由于水、电、气的测量技术已发展成熟，本系统的耗能表在传 统机械计量仪表的基础上添加一个传感装置，将测量得到的用户耗能数据转换 成开关信号，由单片机对该信号进行采集、处理、存储，并把其数值显示在液 晶屏上。因此，智能表的硬件包括传感装置、电源电路、显示电路、单片机以 及其外围电路的设计。 3 1 1 信号采集单元 系统选用潍微科技有限公司生产的具有专利技术的自保持开关传感器 w s 0 1 型f 7 7 1 0 1 系列( 水表传感器) 和w q ( 气、电表传感器) ，安装在机械 仪表结构上。该类传感器属于无源器件，无需电源就能输出理想5 v 方波信号。 它采用全密封结构，不锈刚外壳，并加屏蔽层，可防潮、防水，并有效防止磁 场干扰，杜绝用户的窃能行为。具体的安装方法以水表为例，在表盘上将需要 记录的最小量度的指针拔出，将带有一个n 极和一个s 极磁钢的小转盘插入， 然后在相应位置安装好传感器和其他部件。带有两极磁钢的小转盘每转一圈， 传感器中的开关就打开、关闭一次，输出一个方波信号，系统就是对此信号进 行测量。 信号采集电路如图3 - 1 1 所示。系统根据实际情况设定采集周期，对采集 的方波数据进行计数、转换、显示和存储。 武汉理t 大学硕士学位论文 3 1 2 时钟单元 图3 - 1 1 信号采集电路 抄表系统需要数据的记录，也需要记录这些数据被记录的时间，在有异常 情况出现如停电时，可以根据时间记录获取某一时刻用户的数据，也可以查询 数据出错的时间，因此系统采用时钟芯片来记录事件发生的时间。 系统选用d a l l a s 公司的d s l 3 0 2 芯片组成时钟电路，该芯片具有高性能、 低功耗、引脚少、体积小、使用方便、价格便宜等优点。d s l 3 0 2 芯片内部含 有一个实时时钟日历和3 1 字节静态r a m ，它可以对年、月、日、星期、时、 分、秒进行计时，每月的天数和闰年的天数可以自动调整，还可以通过a m p m 来决定采用什么时制。其工作电压为2 5 5 5 v ，与单片机间能简单的采用同步 串行方式通信，仅需要三根线：r s t 、i o 和s c l k 串行时钟，与t t l 兼容。 图3 - 1 2 时钟电路 武汉理丁大学硕士学位论文 时钟电路如图3 - 1 2 所示，v c c l 是备用电源，用3 6 v 电池供电，v c c 2 是 主电源，d s l 3 0 2 由v c c l 和v c c 2 两者中较大者供电。x l 和x 2 是振荡源，接 3 2 7 6 8 k h z 晶振；r s t 是复位片选线，置高电平时启动所有的数据传送。如 果传送过程中r s t 变为低电平，则数据传送终止，数据输入输出端i o 呈高阻 态。在v c c 小于或等于2 5 v 时，r s t 必须保持低电平；只有在s c l k 为低时， 才能将r s t 的电平置1 。 当智能表收到上级站点发来的时钟校正信号时，单片机就会将命令字和时 钟值写入d s l 3 0 2 的时钟日历寄存器；在抄收能耗数据时，需要读取d s l 3 0 2 时间寄存器的值并显示在液晶屏上。 d s l 3 0 2 读写时钟或r a m 数据时，有两种传输方式：单字节传送或多字节 传输。对其进行任何数据传输时，第一个数据字节必须是控制指令字节。在指 令字节输入后的下一个s c l k 时钟的上升沿，输入数据。在紧跟的一个控制指 令字后的下一个s c l k 时钟的下降沿，单片机读出d s l 3 0 2 的数据。字节的输 入与输出顺序均是从位0 到位7 。字节的位7 为1 时写d s l 3 0 2 ，为0 时禁止写 d s l 3 0 2 ；位6 为0 时传送时钟日历数据，为1 时传送r a m 数据；位5 至位1 指定进行输入或输出的特定寄存器的地址。位0 为o 时进行写操作( 输入) ，为 1 时进行读操作( 输出) 。 3 1 3 存储单元 为了存储数据，系统设置了专门的数据存储模块，要求其具有抗干扰和掉 电数据不会丢失的功能。因为智能表采集数据的频繁性，每秒要进行多次读写， 其存储单元必须具有很高的写入次数，否则使用一两年就失效了，会增加抄表 系统的成本及复杂度。经过比较，系统选用r a m t r o n 公司的铁电存储器f m 2 4 c 6 4 作为智能表的存储芯片。 f m 2 4 c 6 4 工作电压为5 v ，内部结构为8 1 9 2 8 ( 6 4 k b i t s ) ，两线串行接口， 支持双向数据传输协议，支持硬件写保护。该芯片是利用铁电晶体的铁电效应 实现数据存储的。在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作 用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原 来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能 量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此铁电存储器保持数据不需要电压， 也不需要周期性刷新。