（电路与系统专业论文）基于gprs网络的远程抄表系统研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的同益提高，传统的手工抄表方 式已经难以满足电力发展的要求，人们对远程自动抄表系统的需求已非常强烈。 而随着电子技术、计算机技术和通讯技术的迅速发展，实现远程智能化自动抄表 代替手工劳动和提供更多、更好的服务也将成为可能。本文以此为背景，探讨了 远程智能自动抄表和检测系统，实现用电的智能化管理和监测，极大的提高了管 理效率，同时也提高了用电的安全性。 文章首先讨论了国内外抄表系统的现状，分析了它们在应用中存在的弊端 和不足，引出了本文设计的必要性。 其次，介绍了无线抄表系统中的通信方案，以及g p r s 技术的特点和业务应用。 研究了一种基于远程通信网络( g s m 和以太网) 的抄表系统。 第三，深入讨论了无线抄表系统的构架及组成。 第四，确定总体设计方案，并对硬件电路进行设计。硬件电路设计中，本文 主要对基于p icl b f 8 7 x 的电能表进行详细设计与实现。 最后按照系统，进行了软件设计。最后，联调系统，完成系统的整体测试。 关键词：远程抄表和检测，集中抄表器，g s m ，r s 一4 8 5 总线，电力线，以太 网，可靠性，抗干扰 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya tat o ps p e e da n dt h ei m p r o v e m e n t o fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，c o n v e n t i o n a lm e t e rr e a d i n gh a sb e c o m et r o u b l e s o m ew o r k a n di sn o ta d a p tt ot h ep r o g r e s so fe l e c t r i cp o w e ra n ym o r e h o w e v e r , w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t l yr e m o t ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m p ) h a sb e c o m ep o s s i b l e t or e p l a c et e d i o u sh a n dl a b o ra n dp r o v i d eh i g h e rq u a l i t ys e r v i c e s b a s e do na b o v es a y i n g s ，a ni n t e l l i g e n ta u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga n dr e m o t e d e t e c t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e dt oa c h i e v et h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g f o rt h ee l e c t r o p o w e r i tn o to n l yi n c r e a s e st h em a n a g e m e n te f f i c i e n c yg r e a t l y , b u t a l s oi m p r o v e st h ee l e c t r o s a f e t y f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fm e t e rr e a d i n gs y s t e m sh o m e a n da b r o a d ，a l s od i s c u s s e st h ee x i s t i n gd r a w b a c k sa n dd e f i c i e n c yo fm e t e rr e a d i n gi n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，i ti sv e r ye s s e n t i a lt od r a wu pt h i sp a p e r s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e s t h ec o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n si nt h ew i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs y s t e ma n d r e s e a r c h e st e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( g s ma n de t h e m e 0 t h i r d ，t h ef r a m e w o r ka n df o r m a t i o no ft h ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mf u r t h e r i ss t a t e di nt h i st h e s i s f o u r t h ，d e f m et h eo v e r a l ld e s i g ns o l u t i o n sa n dd e s i g nh a r d w a r ec i r c u i t t h i s p a p e rc h i e f l ya c h i e v e st h es p e c i f i cd e s i g no f p i c l 6 f 8 7 xa m m e t e r i nt h ee n d , t h es o f t w a r ed e s i g ni ss t a t e db a s e do nt h es y s t e m t h e na d j u s tt h e s y s t e ma n d f i n i s ho v e r a l lt e s t k e yw o r d s ：r e m o t em e t e rr e a d i n ga n dd e t e c t i o n ，m e t e rr e a d i n gm o d u l e ， r s - 4 8 5b u s ，g s m ，p o w e rl i n e ，e t h e m e t , r e l i a b i l i t y , a n t i - j a m m i n g 第一章- j l 言 第一章引言 自从人类发现了电，电力的应用就和人们的生活同益密切。小到同常生活，大 到国民工业，外处都以电能为基础。而随着用电的普及，用电量的日益剧增，抄表 和收取电费的方式也开始发生变化。人工抄表收取电费一直是我国供电部门长期以 来采用的普遍方式，但现在看来，这种方式已经越来越不能满足现代化管理的要求， 因此，远程抄表系统应运而生。当前，我国大体采用三种抄表方式：一是手工抄表 方式；二是i c 卡式预付费方式；三是远程抄表方式。首先，手工抄表是指抄表人 员到每一个用户处抄写，这种方式主要在农村、县城和部分二级城市。虽然现在抄 表方式在不断更新，但手工抄表方式仍占有很重要的地位，特别在农村等计量点多 且分散的地方。其最大优点是简单易行，但要求抄表人员不得抄错，不得抄漏，尤 其是用电大户更要细心谨慎，杜绝出错。其次，i c 卡预付费方式是指用i c 卡作为 数据传输介质，在电度表中加入相关功能模块，从而智能实现电量的抄收和结算。 这种方式是用户先买电再用电的一种方式，抄表人员不需要到户，这种抄表方式主 要应用在二级城市和部分的一级城市。较手工抄表而言，这种抄表方式为电力部门 带来了极大的方便和收益。最后就是智能远程抄表方式，这种方式就是电力中心通 过远程通信系统自动获取各用户数据的方式。这种方式主要用在发达的大中型城 市。 随着“一户一表”和多种电价等制度的执行，常规抄表方式存在着质量和效 率的问题。首先，人工抄表不能实时的检测设备的工作状态，数据处理效率太低， 易出错且不易统计；i c 卡电表是开放的读写窗口，易受外部影响，造成系统控制出 错，并且存在被解密的危险，给电力管理部门和国家利益带来巨大的损失。这种方 式也不满足对用户电表的实时监控；现阶段远程抄表系统主要是采用改造原电表中 的计量端子，由于传感器的问题可能会导致计量错误，使供电部门与用户产生纠纷。 这些问题，可能会造成供电部门成本上升、效益下降、管理混乱。因此，这些传统 的抄表方式已经不能满足国家电力的需求心1 。在世界上一些发达国家和地区，远程 自动抄表系统已经非常普及。特别是随着计算机技术、集成电路技术和通讯技术的 更加成熟，使得a m r 系统在智能化、低功耗、低成本和通信标准化的设计上都达到 了一定的水平。 基于g p r s 网络的远程抄表系统研究 2 l 世纪，移动通信技术、网络技术都以惊人的速度迅猛发展。首先，移动通信 技术的成熟使得高速无线数据互联成为了可能。由于短消息业务( s m s ) 是 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 ) 网络的一种基本业务，其特点具 有连接简单、费用低廉、覆盖范围广、实现方便，已经越来越多的受到人们的重视， 短消息业务也蓬勃的发展起来。”。在此基础上，利用g s m 专业调制解调器使g s m 网 络数据通信得到广泛的应用n 儿5 l 。基于这种技术作为无线传输平台，给无线智能抄 表带来了更多的发展空间和灵活性。其次，由于网络技术m 1 的快速发展，促使了硬 件开发商对相关产品的开发。 在当今社会，电力线几乎遍布世界的各个角落，所以电力线网络是世界上最大 的有线网络，如果能利用电力线作为信息传送信道自然就具有相当高优越性。随着 社会需求和电力线载波技术的不断发展，中低压电力载波通信技术的开发及应用出 现了良好的发展局面，特别是数据处理技术和扩频通讯技术的应用，对推动低压载 波抄表技术起到了推动作用盯。 本文在论证的基础上，具有以下创新特点： 一、提出以成熟无线通信网络技术为基础，以稳定、适用、费用低、施工方便 为目的，研究智能远程抄表与检测技术。 二、利用可视化程序设计出主控界面，使电力部门能够快速直观地观察各个信 息点的情况，而且能进行远程操作。 三、有效地利用各种成熟的技术，从而实现电能表硬件设计与软件实现简单化， 更近于工程实用性。 针对以上的实际应用工程特点，在设计过程中，具体做了以下详细的工作： 第一章简要地介绍国内目前抄表系统的现状，分析它们在应用中存在的弊端和 不足，提出了研究智能远程抄表系统的必要性。 第二章介绍了g p r s 技术的特点和业务应用，对无线抄表系统的通信方案进行 设计介绍。 第三章深入探讨无线抄表系统的构架及组成。 第四章确定总体设计方案，并对基于p i c l 6 f 8 7 x 的电能表硬件电路和软件编程 进行详细设计与实现。 第五章设计了系统的主控界面及按照系统对基于汇编的电能表软件进行设计。 2 第二章自动抄表系统中通信方案 第二章自动抄表系统中通信方案 现代远程抄表系统的通信信道主要包括两个方面，一个是用电管理中心与中继 器的通信信道，另一个是中继器与采集器的通信信道。本设计中的抄表系统采用分 ”布式体系结构。在这种体系结构中，可分为上下两层：上层( 用电管理中心与中继 器之间) 数据的采集采用星型结构；底层( 中继器与采集器之间) 数掘的采集采用 总线型结构。 2 1 上层星型通信方案 上层数据的采集采用星型结构，其星型通信系统儿“”是以安装在供电局管理中 心的系统工作站为中心点，以1 对n 的连接形式分别通过通信信道与分散于各台变 区域的集中器连接。在这种连接方式下，信道的通信信息量比较大，这就要求信道 要有一定的传输速率和带宽。现有的信道中，我们可以根据信道的介质把它分为光 纤、电话线和无线三种模式。 2 1 1 光纤通信网 光纤通信汜1 较其它的通信方式而言具非常多的优点，比如通信容量大、传播 距离远、频带宽、传输速率高、以及适用能力强等优点，特别适合对信道要求高， 传输信息量大的上层通信网的要求。而就光纤通信的本身而言，其较难以实现t 形 连接，不能实现总线结构( 除非采用光纤环网技术) ，形式上特别适合于星型连接。 但由于目前星型连接的节点造价非常高，在安装时其费用也比较高，所以，就成本 而言，在a r m s 系统中无法采用。随着光纤技术和网络的发展，不久以后在a r m s 系 统中借用其它现有光纤通信网进行上层通信将是一种很好的选择。 2 1 2 电话线网 由于目前电话普及，电话网在城市和农村也迅速得到普及，考虑到成本的核算， 利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。利用电话网络实现通 信，实际上只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器( m o d e m ) 即可， 其通信速率最高可以达到5 6 k b p s 。主机对集中器的通信可以由交换机自动完成，也 可租用专线，但费用较高。因为进行电话线方式进行数据通信时，线路建立完成的 时间较长，通常需几秒到几十秒。这将使得供电中心无法对用户实时监控；另一方 基于g p r s 网络的远程抄表系统研究 面电话网进行通信时其容量小，不适合作为大容量的信息系统使用。 2 1 3 无线通信网 无线通信网络由于其传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千台) ，通信距离 长，所以利用它对于范围广、布局分散的中继器进行数据通信是一种非常好的选择。 在无线通信网中进行通信时，管理中心主机发出呼叫命令，各集中器在收到呼叫命 令后与自己的地址进行对比，如和自己的地址相同则发出应答信号，并完成数据链 路的建立，然后在进行数据通信。使用这种通信方式的优点在于安装调试方便，其 主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，可能会使相邻两个信道产生 频间相互干扰。一般情况下，小型无线电台的通信速率为6 0 0 b p s 或1 2 0 0b p s ，且 设备和安装成本高，故其使用场合也有一定的限制，多用于大用户电力负荷的监控 及用电管理系统中。 2 2 底层总线型通信方案 总线型通信系统是以一条串行总线连接在各分散区域的采集器或电度表，从而 实现各节点的互连，这种连接方式克服了星型连接的不足。但是在这种方式下，由 于信道上节点较多，所以它的传输速率不很高，传输的距离小于2 k m ，因此它一般 只能用于底层电能表数据的采集。常用的模式有r s - 4 8 5 网、低压电力线载波通信 和仪表总线等。 2 2 1i 峪一4 8 5 网 e i ar s - 4 8 5 n 3 1 是c c i t t 标准化v 11 x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。该标 准采用平衡式发送，在一对平衡电缆上传输差分信号，在接收端用差分接收器接 收并进行信号判决。这种方式具有较高的共模抑制比，其抗干扰的能力较强，信 号发送频率最高也可达到i o m h z 。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以下，传输最大距离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 接口n 们只需使用两根线便可在一个 通道上可进行半双工通信，实现双向通信，并可方便地构成1 对n 的相互通信网 络。其节点的个数取决于总线接口驱动芯片类型，最多可接1 2 8 个节点。 2 2 2 低压电力线载波通信 利用低压电力线网络n 司n 蜘作为h l r 系统的底层数据传输通道，其运行的成本比较 低，是一个非常经济的方案。首先，低压电力线载波通信( p o w e rl i n ec a r r i e r - - p l c ) 是指在国家规定的低压载波频率范围内进行的载波通信。它利用现有的电力线，将信 4 第二章自动抄表系统中通信方案 号通过载波方式用电力线进行传输，再通过专用的电力线调制解调器将被传输信号从 电力线上分离出来，传送到终端设备。在发送数据时，发送器先将数据信号调制到高 频载波上，经功放后通过耦合电路加载到电力线上。b w 一般为5 0 3 0 0 k h z ，峰峰值电 压不超过io v ，因此不会对供电电路造成影响。此高频已调信号经线路传输到接收端， 解调器将高频信号分出，滤掉干扰信号后放大，还原成二进制数字信号。低压电力线 载波通信网的系统结构采用了总线结构，同r 8 - 4 8 5 系统结构一样。在同一变压器区域 下，一个集中器采集若干个电能表的数据，或者一个集中器采集若干个集中器的数据， 这样就构成一个总线型结构。但是，利用低压电力线作为传输信道其数据传输能力、 抗干扰性等方面都还存在许多问题。其一，低压电力线上的干扰无时不有、无处不 在。干扰主要来源于低压配电网中的接入设备。这些干扰很可能对电力线载波通信系 统造成非常严重的影响，因此，如何抑制干扰，提高通信的抗干扰性是首要考虑的。 其次，低压电力线上存在着信号衰耗问题。不同地方的线路特性铂可能完全不同，各 种情况都会对高频已调信号的传输特性产生较大影响。即使是同一段电力线路，其传 输特性也会随各种电力负荷的变化而改变，所以通信设备的稳定性和适应能力也很重 要。当前被广泛使用的是扩频调制解调器。扩频通信( s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ，s s c ) 是将待传输信息的频谱用特定的扩频函数扩展后成为宽带信号 送入信道中传输，再在接收端将该宽带信号压缩，从而获取传输信息的通信方式。扩 频系统分发端和收端两部分，发送端可简化为调制和扩频两个模块。在发送端，首先 对信号进行调制，对已调信号再送及扩频器进行二次调制，最后输出宽带已调信号。 由于扩频器n 刚是利用一高速伪随机码( p n ) 序列对发射信号进行调制的，因此获得的 谱密度就大大降低了。接收端由解扩和解调器构成，处理过程和发送端相反。由于扩 频信噪比是和信号带宽与窄带滤波器带宽之比成正比例的，所以扩频通信n 州啪1 是以 带宽换取高信噪比，并以此来提高其抗干扰能力、增强通信的隐蔽性的。因其具有抗 干扰性强、误码率低、保密性好、等优点，这种调制方式将是低压电力线载波通信乜 的发展方向。 2 3g p r s 技术 g p r s 是通用分组无线服务技术( 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，它 是g s m 的延续，是在g s m 系统上为基础发展起来的一种新的数据传输技术，主要用 于无线电通信，它是g s m 用户可以享用的一种移动数据业务乜引。因为它的技术介 于第二代( 2 6 ) 和第三代( 3 g ) 移动通讯技术之间，因此常被描述成2 5 g 。g p r s 突破了g s m 网只能为用户提供电路交换的思维方式，通过对现有的基站系统进行升 级改造和增加相应的功能实体来实现分组交换技术，投入不大，但用户得到的数据 挂十g p r s 网络的远程抄表系统研究 速率却相当可观。g p r s 是以封包( p a c k e t ) 式来传输信息的，并非使用其整个频道， 这和以往连续在频道传输的方式不同，它只有传送时才占用频宽，因此以其传输资 料的单位值来计算，理论上较为便宜。 g p r s 的传输速率正常可提升到5 6k b p s ，如果条件允许甚至可以达到1 1 4 k b p s 。 而且，因为不再需要现行无线通信应用中所需要的各种中间设备，所以在连接及传 输方面都会显得比较方便容易。使用者既可联机上网，也可参加视讯会议等互动传 播，而且在同一个视讯网络上( v r n ) 的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，也 可以而持续与网络连接。 2 3 1g p r s 的应用特点 目前，无论你处在什么地方，什么时间，g p r s 都可以为你在任何时间、任何地 点提供快速方便的连接，因为其计费方式是根据传输的数据量来计费的，而不是传 统的按上网时间来计费的，换句话说，只要不进行数据传输，哪怕您一直“在线”， 也不需要支付费用。总之，它真正体现了少用少付费，多用多付费，换名话说，这 样可以使费用更加合理。 由于g p r s 采用了“分组”的传输技术，所以用户基本上在上网时可以免受断 线的痛苦。此外，使用g p r s 上网的方法与w a p 并不同，用w a p 上网一般要先“拨 号连接”，当上网后便不能同时使用该电话线，如中间通话则在通话完毕后重新拨 号y j 能上网。这对大多数人来说，是非常令人恼火的，但g p r s 就可以在下载资料 的同时进行语音通话。从技术上来说，要保证各类传输信息的高质量，一般语音信 号的传送继续使用g s m ，而数据信息( 比如发送及接收电子邮件，在互联网上浏览) 的传送便可使用g p r s ，这样就把移动电话的应用更加丰富了。 g p r s 最主要的特点是它的数据传输速度较w a p 取得了飞跃的发展，目前，g s m 移动通信网的传输速度为9 6 k b p s ，而今年年初推出的g p r s 手机传输速度已达到 5 6 k b p s ，现在甚至达到了1 1 5 k b p s 。相对于g s m 的9 6 k b p s 的访问速度而言，g p r s 拥有更高的访问速度；其次，在连接建立时间方面比较，g s m 需要1 0 3 0 秒，而g p r s 只需要极短的时间；再次，而对于费用而言，g s m 是按连接时间计费的，而g p r s 只 需要按数据流量计费；最后，g p r s 对于网络资源的利用率而相对远远高于g s m 。 6 第二章 自动抄表系统中通信方案 2 3 2g p r s 功能对应的业务应用 g p r s 是种新的g s m 数据业务，在技术上是g s m 的一种延续，它可以给移动用 户提供无线分组数据接入服务口3 纠3 。它的作用主要是在移动用户和远端的数据网络 之间提供一种快速的连接，从而给移动用户提供高速的无线业务。 g p r s 采用分组交换技术雎引，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源，也可 以特别用户采用专用信道。理论上，如果把t d m a 帧中的8 个时隙都用来传送数据， 那么数据传输的最高速率可达1 6 4 k b s 。在g s m 空中接口的信道资源中，既可以传 输话音信息，也可以被g p r s 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以定义 g p r s 一些专用信道。 1 g p r s 技术体现 g p r s 通用无线分组业务，是一种在现有g s m 系统上为基础发展起来的一种新的 数据传输技术，主要用于无线电通信，它为用户提供端到端的和广域的无线i p 连接。 简单的说，g p r s 是一项高速数据处理的技术，方法是以”分组”的形式把资料传送到 用户手上。虽然g p r s 是作为向第三代移动通信演变的一种过渡技术，但是它在许 多方面都具有显著的优势。 2 封包( p a c k e t ) 技术 所谓的封包( p a c k e t ) 就是将一个大的，完整的数据封装成许多独立的数据封 包，再将这些封包一个一个传送出去，采用这种技术的好处在于只有在传送资料时 才会占用频宽，而且可以以传输的资料的数据量来计价，这对用户来说是一种比较 合理的计费方式。此外，在g s mp h a s e2 的标准里，g p r s 可以提供多达四种不同 的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的错误保护能力。 3 g p r s 的网络结构 g p r s 网络技术是基于现有的g s m 网络技术来实现的啪1 。其中，g s n 是g p r s 网 络中最重要的网络节点之一。它首先应具有移动路由管理功能，可以方便的各种类 型的数据网络和g p r s 寄存器连接。其次，它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。最后，它可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与 g s m 中的m s c 集成在一起。 4 g p r s 协议模型 u m 接口是g s m 的空中接口。u m 接口上有5 层通信协议，自上而下依次为网 基十g p r s 网络的远程抄表系统研究 络层、s n d c 层、l l c 层、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层等。其物理层是射频接 口部分，而物理链路层则负责提供各种逻辑信道。g s m 空中接口的载频带宽为 2 0 0 k h z ，其中一个载频分为8 个物理信道，最终的可以使数据速率达到1 6 4 k b s 左 右。 第三章系统的构架与组成 第三章系统的构架与组成 3 1 方案的构架 我国的抄表系统主要具有如下两个特点：其一，系统数据采集点多，数据量大； 其二，因采集点具有分散性，所以系统是一个覆盖面很广的通信网络。通过g p r s 网 络系统，电力部门可将采集到电力系统数据实时传递到各级监控中心，以实现对各 信息点的监控和分布式管理。g p r s 网络可以为电力部门提供了简单高效的通信传输 手段。在移动通信公司的g p r s 网络的基础上构建的无线远程抄表系统，实现电表 数据的无线传输，既具有充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点， 又有安装方便、维护简单。 居民小区的所有电表首先连接到电表中继器，用户的用电数据由智能电表传到 电表中继器上，电表中继器通过r s 2 3 2 口与g p r s 透明数据传输终端连接，电表的 数据经过封装后由中国移动的g p r s 数据网络将数据传送至配电数据中心，实现电 表数据和电力中心系统的实时在线连接。配电中心主机则通过g p r s 网络发出控制 命令，各中继器收到控制信息后进行地址对比，如地址相同则发出应答信号，完成 数据链路的建立，然后进行数据通信。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺 点是通信会有一定的延时，其延时时间的长短与g p r s 网络的现状有关。 3 1 1 系统的特点 无线电力远程抄表系统具备如下特点： 1 、实时性强 由于g p r s 网络具有实时在线特性，系统基本无时延，无需等待就可以同步接 收、处理所有信息采集点的数据。满足系统对数据采集和传输实时性的要求。 2 、可对电表设备进行远程控制： 由于通过g p r s 网络是可双向传输的系统，这样便可实现对电表设备进行远程 控制，参数调整、定时供断电等操作。 3 、建设成本少低 由于采用g p r s 是移动通信的公共平台，不需要为远程抄表进行专门布线，前 期投资少、见效快，后期升级、维护成本低； 9 皋十g p r s 叫络的远程抄表系统研究 4 、集抄范围广 g p r s 覆盖范围广，只要在覆盖范围之内，都可以实现智能远程抄表。而且， 能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。 5 、系统的传输容量大 配电数据中心要和每一个电表数据采集点保持实时连接。由于电表数据采集点 数量众多，且能满足突发性数据传输的需要，g p r s 网络技术台p - - , $ e t 好地满足传输突发 性数据的需要。 6 、数据传送速率高 每个电表数据采集点每次数据传输量在1 0 k b p s 之内。g p r s 网络传送速率完全 能满足本系统数据传输速率( 且 1 0 k b p s ) 的需求。 7 、通信费用低：采用包月计费方式，运营成本低。 3 1 2 系统的功能 ( 1 ) 单元用电计量计费 对每个单元的用电进行独立计量计费，使用户可以很直观了解自己的用电量。 同时，也可以通过管理员终端查询。 ( 2 ) 预收费功能和断电功能 用户通过收费终端交费后，通过管理员终端自动加到用户剩余电中。当用户分 路剩余电量为零时，系统自动切断该路供电，直至购电存入新电量。 ( 3 ) 预存电量低限提示报警 单元用户的剩余电量减至设定报警电量时，电表报警显示，或通过电话语音提 示系统自动拨打用户电话并语音提示用户购电。 ( 4 ) 基础用电量充值功能 ( 5 ) 在线监测功能 实时监测每个单元用户的用电情况。 ( 6 ) 负载限制功能 可以根据各个用户用电情况逐个设定最大负载量，对一些指定的用户可以单独 取消，实行不断电功能。当某分路负载超过其限额时系统报警并自动切断该分路。 ( 7 ) 电量记录与查询功能 管理终端保存用户的用电信息，用户可以通过管理员终端直观查询各自单元的 i o 第三章系统的构架j 组成 用电记录、用电状态( 历史) 和剩余电量等数据。 ( 8 ) 退费管理功能 用户搬家时，系统可以打印出所有需退费单元的退费明细表。 ( 9 ) 定时控制功能( 针对学生宿舍) 根据学校作息时间安排，分别设定房间照明、插座用电时间。 ( 1 0 ) 数据调换功能 当集体调换房间时，可以将该单元的用电数据进行调换。 ( 1 1 ) 短路过流保护功能 在电表的输出端配上空气开关，与负载限制功能共同构成过流双重保护。 ( 1 2 ) 用电数据的双重存储功能 管理终端和用户电表是独立的两个工作单元。管理终端采集到用户电表的 用电数据，发送控制指令。用户电表即使在管理终端电脑不正常或关机后仍 能单独工作，正确完成各分路电量的计量，并自动储存用电、购电数据，存 电量低限提示报警，且数据掉电保护。管理终端存储每一用户单元的用电、 购电等历史数据和报表。 ( 1 3 ) 恶意用电自动切断功能 当用户恶意用电时，系统自动判别并切断供电。 ( 1 4 ) 故障自动报警 当单元电表出现故障，管理终端无法查询时，管理终端自动报警，提示管 理人员进行维护。 ( 1 5 ) 换表功能 当每个用户单元的电表出现故障，只需要换上新表，然后通过管理终端电 脑将换表前的数据写入到新表即可。 ( 1 6 ) 软件模块增设功能 在不改变硬件配置的情况下，可根据用户需要增加软件模块功能。 ( 1 7 ) 分时段收费功能 可根据需要，设置分时段功能。 ( 1 8 ) 数据统计分析功能 监控终端提供的用户购电电量、剩余电量，使用电量等用电数据，并提 皋十g p r s 网络的远程抄表系统研究 供各种图形分析和数据报表。管理终端可以调用这些数据。 ( 1 9 ) 数据库记录与打印、管理报表功能 管理终端提供用户购电电量、剩余电量、使用电量等用电统计报表及历史记录。 ( 2 0 ) 提高工作效率和管理水平 通过用电自动抄表和自动监测，提高管理的工作效率和管理水平。 3 2 系统的组成 自动无线抄表系统由配电中心服务器、移动数据传输网络g p r s 和电表数据采 集点组成。居民用户的用电数据由智能电表首先通过r s 4 8 5 接口通过双绞线连接到 位于小区信息中心的电表中继器，电表中继器再通过r s 2 3 2 接口和g p r s 网络透明 数据传输终端相连。通过g p r s 模块对数据进行处理、协议封装后发送到g p r s 网络， 通过g p r s 网络传送至电力公司数据中心电力远程抄表系统，实现电表数据和数据 中心系统的实时在线连接。其原理框图如下： 图3 1 自动无线抄表系统框图 3 2 1 配电中心服务器 配电中心服务器和中继器使用移动通信公司统一的s i m 卡，当配电中心服务器 接受到g p r s 的数据后传送到配中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显 1 2 第二章系统的构架1 j 组成 示，并进行数据处理。配电中心计算机主机可进行业务管理和计费管理，对电力数 据进行校验、计算、存储、分析、管理等，可对异常情况进行告警，同时对用户使 用情况实时监控，保证电力局的合法收益。各电表数据采集点运行系统程序，支持 2 4 小时实时在线监控，实现信息采集点天候传送采集的电表数据。 无线抄表系统上位机系统包括电脑、g p r s 模块、主机监控程序。主机与g p r s 模块通过串口进行通信。无线抄表系统主机监控程序主要是向用户提供友好的人机 界面，使用户能方便快捷的进行用户数据管理、历史记录数据查询、报表打印以及 各种电表功能操作。主机程序采用积木结构，可以根据用户的需求方便地对程序进 行修改。整个上位机系统框图如图3 2 所示： 士机 图3 2 上位机系统框图 g s 黼模块 无线抄表系统主机监控程序采用v i s u a lc + + 6 0 + a c c e s s 的方案。随着计算 机技术的发展，人们开发出了各种软件编程语言以及开发方法，它们为软件开发提 供了更多的选择空间。在众多的编程语言中，m i c r o s o f t 公司推出的v i s u a lc + + 是 一款非常优秀的它是m i c r o s o f t 公司的d e v e l o p e rs t u d i o 工具集中的一个组成部 分3 ，是用于开发可视化应用程序的。凭借崭新的编程思路、便捷众多的功能以及 强大的数据库而备受编程人员的喜爱，在许多开发领域中得到了广泛的应用。 v i s u a lc + + 具有非常好的可视化开发环境，编程人员可以直接在用户界面中进行编 程，它的集成环境中提供了许多好用的工具和功能供编程人员使用，从而大大提高 了应用程序的开发效率，而且编制的软件运行效率高、可靠性好。 a c c e s s 数据库管理系统是m i c r oo f f i c e 的重要组成部分，适用于小型数据库 基于g p r s1 ) ( i 9 络的远程抄表系统研究 管理，可以存储和管理所需要的数据。a c c e s s 不仅是一个数据库，而且它具有强大 的数据管理功能： 数据库中包含多个表，每个表可以分别表示和存储不同类型的信息。 通过建立各个表之间的关联，从而将存储在不同表中的相关数据有机地结合 起来。 可以通过创建查询在一个表或多个数据表中检索、更新和删除记录，并且可 以对数据进行各种计算。 通过创建联机窗体，可以直接对数据库中的记录执行查看和编辑操作。 通过创建报表，可以将数据以待定的方式加以组织，从而达到分析可打印的 目的。 为防止非管理人员登录软件对电表进行非法操作，管理员需设用户名和密码， 登录验证后才能使用软件。同时针对不同级别的管理员可设定不同的权限，增强了 软件使用的灵活性。 考虑到电表对数据高可靠性的要求，要求程序要有抗干扰能力，可采用同步码 加校验码来判断接收到数据的可信度。由于g p r s 模块有可能收到其它的干扰数据， 通信协议应采取加密方式，从而达到数据的高可靠性。随着经济的快速发展，人民 生活水平的提高，使用移动电话的人也越来越多，这给网络也带来了很大的压力， 有时会造成数据的延迟。为消除延迟所带来的影响，主机程序如在设定的时间内如 果收不到应答则采取自动重发的方法，尽量提高数据传输和电表操作的实时性。 3 2 2g p r s 数据传输模块 本系统采用的g p r s 数据终端是一款专供工业环境下使用的，内置高性能g p r s 模块，具有成熟先进的无线通讯技术。通过集成g p r s 短信设备，使设备具有无线 通讯功能，其内嵌高可靠性的g p r s 模块引擎和单片机系统( m c s 5 1 ) 啪3 ，标准串 口和精简的软件接口协议，与p c 机相连即可使用。 本系统所采用的g p r s 模块采取了特殊设计，保证了恶劣环境下的工作稳定性， 为设备提供了高质量保证口2 。g p r s 模块( 发送) 输出的射频信号，通过电缆传送到 天线，由天线以高频电磁波形式辐射出去。在接收端，通过天线接收到g p r s 模块 ( 接收) ，完成数据的传输过程。 1 4 第三章系统的构架j 组成 3 2 3 电表中继器 在无线抄表系统中，中继器是通信桥梁。它把上位机的指令译码后，传送给每 个电表终端。当终端执行完命令后，回复应答码，经中继器译码，再上传给上位机。 中继器在此系统中对每个终端进行循环检测，监测每个终端的工作状态。若发现任 何一个出现异常的状况，立即向上位机报警。其原理框图如图3 3 所示： ：b 图3 3 中继器原理框图 天线 考虑到设计成本和技术成熟，本中继器的主处理模块采用a t 8 9 c 4 0 5 1 单片机。“， 它是一个8 位的低电压高性能单片机，片内含4 k 的可反复擦写的只读f l a s h 程序 存储器和1 2 8 字节的随机存取数据存储器( r a m ) 。虽然该单片机功能强大，但它 的引脚只有2 0 个，1 5 个外部双向输入输出( i o ) 端口，内含两个外中断口，两 个1 6 位可编程定时计数器和全双向串行通信口，一个模拟比较放大器和片内时钟 电路。其时钟频率还可以为零，这样就具备休眠省电功能，在此功能中片内r a m 将 被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。h 1 系统的唤醒方式可有r a m 、定时计数器、串行口和外中断口实现，系统唤醒后即进 入继续工作状态。 处理器在中继器工作过程中有两个方面工作，一方面，通过串口从上位机接受 控制电表的不同命令数据，处理后通过r s 4 8 5 发送到每个电表；另一方面，还需要 通过r s 4 8 5 从电表接受应答的数据，处理后经g p r s 回复给上位机。在发送1 2 0 0 b p s 皋于g p r s 网络的远程抄表系统研究 和9 6 0 0 b p s 两种不同波特率时，本设计的处理器采用多路选择器来确定反数据输送 到指定模块中。 中继器在设计过程中，为了防止干扰，采用双路电源供电，交流2 2 0 v 变压、 整流、滤波、稳压后给处理器部分和r s 4 8 5 分别提供电源；g p r s 模块由于需要大电 流驱动，故单独由丌关电源供电。丌关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤 波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。为了减少信号之间的串扰 和传输线路中信号对处理器的反馈，在单片机与r s 4 8 5 模块、g p r s 模块通信之问， 采用光电隔离，保证数据传输的正确性。 3 2 4 电表数据采集点 电表数据采集点由智能电表和电表中继器组成，是位于居民小区的信息中心， 电表中继器通过r s 4 8 5 接口直接连接到电表上，既可支持一对一，也可一对n ，实 现对电表的实时采集、存储、预处理并将采集到的电表数据实时传送到配电中心： 电表中继器采集的数据经g p r s 网络空中接口功能模块进行解码处理，同时转换成 在公网数据传送的格式，通过中国移动的g p r s 无线数据网络进行传输，最终传送 到配电中心服务器上。同时，电表中继器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表 控制模块，对电表进行控制操作。 1 6 第p q 章乜能表硬件设汁! - j 软件实现 第四章电能表硬件设计与软件实现 电表的工作原理主要由计量芯片根据电压、电流输入信号生产电能量脉冲信号 和电流方向信号送给c p u 进行处理并响应串行i s 上的信号，根据上位机传送来的 控制命令，来完成相应的操作。其主要由主处理单元部分、计量单元部分、显示部 分、通信部分、以及电源部分等单元组成其框图如下： 图4 1 电能表原理框图 4 1 电源电路 按电路功能块分，主要有四组电压：+ 5 v 供计量回路，+ 5 v 供r s 4 8 5 回路，+ 1 2 v 供继电器回路和+ 5 v 供单片机回路。为了提高抗干扰性，只将供继电器和单片机共 用电源，把它们与计量回路、r s 4 8 5 分开供电。在此，本设计采用电源变压器方案， 一组供继电器与单片机回路：另一组供计量回路；其余一组供r s 4 8 5 回路。这样电 表被分为3 个具有独立电源的功能块，不同功能块信号之间加光电转换装置( 光耦) 进行隔离，这样使整个电路的抗干扰能力大大加强。 4 1 1 单片机回路电源( v c c l ) 由于单片机对电源质量要求比较高，由电源变压器的次级输出交流1 2 v ，采用 桥堆全波整流。考虑到继电器回路工作需要+ 1 2 v 供电，这里我们用l m 7 8 1 2 与 l m 7 8 0 5 级联，这样不仅使继电器可靠工作，而且使得单片机的电源质量更好，并且 基于g p r si 稠络的远程抄表系统研究 稳压管功耗较低，电路稳定可靠。电路如图4 2 所示。 d 9 m b 6 s t ! ：i ! ：a c + t ! ：12 a c 4 1 2 计量回路电源( v c c 2 ) 图4 2 单片机回路电源电路 由于a d e 7 7 5 5 对工作电源要求不高，故可采用阻容分压即可，考虑己使用变压 器，经绕组隔离后，采用二极管半波整流，如图4 3 所示。 4 1 3r s 4 8 5 回路电源( v c c 3 ) 图4 3 计量回路电源电路 为了提高电表的可靠性和搞干扰性，不会因r s 4 8 5 回路的损坏而导致整个电表 的不工作；所以将r s 4 8 5 回路与单片机回路做电气隔离，对r s 4 8 5 回路单独供电。 如图4 4 所示。 图4 4r s 4 8 5 回路电源电路 第p q 章i 也能表硬件设计与软件实现 4 2 计量单元部分： 本设计的计量电路主要采用a d i 公司的a d e 7 7 5 5 ，它是一种高准确度数字电能 测量集成电路。a d e 7 7 5 5 内部包含两路模数转换器( a d c ) ，一个基准电压源和用来 计算用功功率的全部信号处理电路。吲。 a d e 7 7 5 5 对来自电流和电压传感器的信号( v 1 p ，v 1 n ，v 2 p ) 进行采样，送到a d 转换器进行转换，再将数字信号送到数据乘法器进行功率运算，得到的结果经数字 频率转换器，转为电能计量的高低标准脉冲c f 与f 1 ，f 2 。频率输出端以f1 和f 2 提供平均功率；高频输出端cf 提供即时功率，可接口到m c u ；m c u 记录一段时间 内对c f 输出的脉冲个数，平均