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基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 摘要 随着我国电力体制改革的深入和城镇居民用电一户一表工程的推行，使得人 工抄表收费工作量急剧增加，自动抄表系统是解决人工抄表系统中所存在问题的 一种有效技术手段。在对现有自动抄表系统以及实际应用需求进行全面分析基础 上，本文设计了一套基于无线网络的抄表系统。 集中器到采集器之间采用无线自组织网络进行数据传输。无线自组织网络具 有无中心、自组织、多跳路由等特点。采用无线自组织网络，距离集中器较远的 节点可以经由其它节点的转发后与集中器进行通讯。对无线自组织网络组网面临 的一些问题| 三及目前常用的路由算法进行分析后，根据本抄表系统的功能要求， 简化网络结构，设计了基于点名方式的路由算法，该算法对各节点硬件的要求比 较低，并制定了相关的网络协议 集中器到控制中心之间采用g p r s 网络进行数据传输。随着g p r s 网络的不 断发展，基于g p r s 的应用越来越广泛。g p r s 具有传输速率高、永远在线、覆 盖地域广等优点。非常适合采集点地域分散的数据采集。本文对g p r s 系统以及 所提供的业务进行了研究，讨论了几种基于g p r s 的组网方案以及解决掉线问题 的方法根据系统功能要求选用a p n 专线接入的g p r s 组网方案，并设计了相关 硬件和软件系统。， 基于g p r s 的无线自组织网络抄表系统即可以省去布线的麻烦又可以使用 微功率无线模块实现大范围的无线通信，该系统具有永远在线、设备成本不高、 维护简单、收费便宜、连接速度快、适合不定期、长时间数据传输等优点为此， 全面实施该抄表系统具有重大的社会和经济价值 关键字：自动抄表系统；自组织网络；6 p r s ；无线通信 t h er e s e a r c ho ft h ea u t o m a ticm e t e rr e a din gs y s t e m b a s e do nw ir e i e s sc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e e pi n n o v a t i o no ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dp u s h i n gt h ep r o j e t t t h a to n em e t e rp e rd o o ri nu s i n gp o w e rt h r o u g ht h et o w n ，m a k i n gt h ew o r k l o a do f c h e r g in gt h em e t e rr e a d i n gm a n u a l l yi n c r e a s e dr a p i d l y ，a m 髂( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g s y s t e m ) i s n k i n do fe f f e c t i v e t e c h m c a lm e t h o d s t o f i g u r eo u t t h e i s s u e w h i c he x i s t e d i nt h ea a n t l a l l ym e t e rr e a d i n gs y s t e r n o nt h eb a s i so ft h eg e n e r a la n a l y z i n go n e x i s t i n ga m r sa sw e l la st h el y r a c t i c a l l ya p p l i e dr e q u i r e m e n t s ，t h i st e x td e s i g n e d as e to fm e t e rr e a d i n gs y s t e ma c c o r d i n gt 0t h ew i r e l e s sn e t w o r k d a t at r a n s m i tb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t o ra n dt h ec o l l e c t o ri nt h ef o r mo fw i r e e s s a dh o cn e t w o r k s ，t h ew i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sh a v el o t so fc h e r a c t e r i s t i c ss u c h8 5 h a v i n gn oc e n t r e , s e l f - o r g a n i z i n ga n dm u l t i s k i pr o u t e a d o p tt h ew i r e l e s sa dh o c n e t w o r k s b ea p a r tf r o mc o n c e n t r a t o rf a r t h e rn o d ec 锄c o m m u n i c a t ew i t ht h e c o n c e n t r a t o rt h r o n g ho t h e rn o d e s t r a n s i t i o n s a f t e rt h e 帅a l 船i 叫o nt h ei s s u e w h e nb u i l d i n gt h ew i r e l e s sa sh e cn e t w o r k so f t e nf a c e da n dt h er o u t i n ge x i t h m e t i e i nc o i r o du s e d ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h i sm e t e rr e a d i n gs y s t e m , p r e d i g e s t i n gn e t w o r ks t r e c t l | r e ，d e s i g n e dar o u t i n ga r i t h m e t i cw h i c hi sb a s e do n t c a l l - e v e r t h er e q u e s to ft h a ta r i t h m e t i ct oe a c hn o d eh e r 蛔ei sl o w e r , a n dd r e w u pt h er e l a t e dn e t w o r kp r o t o c o l d a t at r a n s m i tt h r o u 【g hg p l i s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r e i c e ) n e t w o r kb e t w e e n c o n c e n t r a t o ra n dc o n t r o lc e n t r e a st h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta f6 瞄t h e a p p l l c a t i a no fg p 】i sw i l lb en o r ea n da n r ee x t e n s i v e ，t i l eg 豫sh a st h eb a u dr a t eh i 曲， o n - l i n ef o r e v e r ，o v e r l a yt h er e g i o nw i d ee t c a d v a n t a g ew h i c hi ss u i t a b l et oc o l l e c t s o m ed a t ao fr 衄i d i s p e r s i o nv e r ym u c h 1 1 1 i st e x tc a r r i e s t h er e s e a r c ht ot h e s y s t e mo fg p r sa n dt h ea p p l i e a t i e ap r o v i d e ，d i s c u s s i n gs e v e r a lk i n d sn e tp r o j e c t 4 b a s e do ng p r sa n dt h em e t h o dd e a l i n gw i t ht h el i n ep r o b l e m r e q u e s tt oc h o o s et h e g p r ss e tn e tp r o j e c tt h a tc o n n e c t st o 驴i n t ow i t ht h es p e c i a ll i n eo fa p na c c o r d i n g t ot h es y s t e mf u n c t i a n , a n dd e s i g n e dt h er e l a t e dh a r d a n r ea n d f t w a r es y s t e m s r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do na dh e cn e t w o r k sa n dg p r sc a na n to n l yl e a v e o u tt h et r o u b l ei nw i r i n gb u ta l s or e a l i z ew i r e l e s sc o m u n i c a t i o na nl a r g e - s c a l e b yu s i n gt i n yp o w e rw i t e l e s sm o d u l e ，t h a ts y s t e mh a v eo i l l i n ef o r e v e r ，i n e x p e n s i v e c o s to fe q u i p m e n t s , s i m p l em a i n t e n a n c e ，c h e u pc h a r g e s ，q u i c k l yc o n n e c t i o n ，i n k e e p i n gw i t hd a l eu n c e r t a i n ，；t h el u n g - p l a y i n gd a t ad e l i v e r se t c a d v a n t a g e t h e r e f e r e 。i ti sf u l lo fi m p o r t a n ts o c i a la n de c o n o m i cv a l u e st h a tc 锄唧o u tt h i s m e t e rr e a d i n gs y s t e m 蛳r d s ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m o m r s ) ；a dh o cn e t w o r k s ；g p r s ； w ir e i e a sc o m t m u r l i c a t i o r l ， 基于无线同络的远程自动抄衰系统的研究 1 前言 随着我国人民生活水平不断提高，家用电器大量普及，因此为了满足居民对 生活用电的需求，不断提高供电服务质量，电力企业正在对城镇居民住宅实施一 户一表工程。一户一表制的推行减少了邻里之间的矛盾，同时也使得抄表的工作 量急剧增加。 在传统的电能管理中，使用的是人工抄表，手工输入计算机，再进行核算和 收费的模式。这种模式显然已经不符合城市居民住宅小区自动化、现代化和智能 化发展的要求，也不符合现代电力管理自动化、信息化，以追求更高的供用电效 率的要求。特别是在一些大型城市，电力用户多达几百万户，在目前己经推广“一 户一表”的形势下，如果仍然使用人工抄表，将耗费大量的人力，物力与财力， 既不方便，也容易发生漏抄、错抄的情况而且在现代化的住宅小区，很多居民 楼安装了保安门，使抄表人员无法按时进行抄表因此在传统抄袭模式下一抄表 周期比较长，如一个月或者个季度一抄表这样就使得用户用电量无法及时读 取，给电力管理部门分析用电情况带来很大的困难。随着电网的发展和电力市场 运营进程的加快，远程电能自动抄表就成为电能管理部门的一个重要课题。 1 1 自动抄表系统及其特点 r 自动抄表系统“1 是一种不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处 的电能表所记录的各种数据传送到远程主控站的计算机网络中，并由软件对数据 进行统计、分析和计算的系统。该系统的英文名称为a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g s y s t e m 缩写为a m r $ 。 电能抄表自动化有以下优点： 1 方便抄表工作。远程自动抄表提供了电能表数据抄录的计算机管理，抄 表人员足不出户就可以对电能表的数据及时准确地进行抄录，极大地方便了抄表 工作 2 系统运行稳定可靠、采集数据迅速准确。主站系统能随时对电能表的数 据进行采集，对采集到的数据进行统计分析，可随时对计量装置的运行情况进行 萋于无线网络的远程自动抄表系统的研究 监测，及时发现异常情况，及时处理，以避免为企业带来经济损失，同时，也为 电量分析和电网商业化运营、即时结算提供了可靠的技术支持。 3 原始数据的唯一性。抄表系统在设计上，严格遵循电能量数据唯一性、 安全性以及不可修改性的原则。抄表工作站的操作要经过严格安全检查和登录操 作，抄回的数据定义为只读不可修改，其余工作站的数据处理来源于抄表工作站 抄回的数据信息，各工作站的任何操作均不能改变原始的数据信息。 1 2 国内外自动抄表系统的发展及现状 随着城市规模的发展，抄表收费给电力系统的管理带来了越来越大的困难。 手工抄表收费不仅浪费了大量的人力资源，而且会产生各种差错，给电力企业带 来不必要的经济损失，同时，计算机技术和微电子技术的飞速发展也为远程自动 抄表奠定了基础，因此自动抄表是电力系统能量管理发展的必然趋势。 国外在这方面的研究比较早，自动抄表系统的理论和技术目前己经比较成 熟，在发达的国家如美国、日本、英国等国家基本都实现了自动远程抄表。 自动抄表系统中关键要解决的问题是数据通讯的问题，因而远程集中抄表系 统也随着各种通讯方式的发展而不断发展起来。 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 讯和电力线载波信道通讯。 1 z 1 有线信道集中抄表系统 通常由一个采集终端通过r s 4 8 5 总线采集几十块电能表的数据，电能表为 具有4 8 5 输出口的电子表或加装电能量数据采集模块的机械表。采集终端通过专 用电缆( 如专用电话线) 或4 8 5 总线，将采集的电能量数据送入集中器进进行数据 集中和处理，抄收区域较大时多个集中器可以级联，一般由最上一级集中器通过 调肯4 解调器接入公用电话网，由此传送到供电企业的电能量抄收中心。一些多功 能电能表亦可直接经r s 4 8 5 与集中器连接。 1 2 2 无线信道集中抄表系统 美国早在7 0 年代己开始使用无线集中抄表系统，它是在每块电能表内安装 一块微处理芯片，负责收集和存储电能表的累计电能量，另安装一个微型无线收、 发信机。电力公司的抄袭员通常持车载式无线抄表器，到各个区域( 半径为ik m 基于无线同络的远程自动抄衰系统的研究 左右1 进行分区集中抄表，然后回到电力公司将抄录的数据输入到数据处理机进 行集中处理。这种系统的每块电能表附加成本较高，且只能为收费提供数据，不 能提供用电管理所需的实时信息。 在我国，为减少投资，一般采用相对集中的收、发信方式。用采集终端通过 电缆采集1 6 块左右电能表的数据，并进行集中处理和存储。采集终端内安装一 个无线收发信模块。手持抄表器或移动式车载抄表器通过本身的收、发信机抄录 各采集终端中存储的数块到数十块电能表数据，然后将数据信息、录入中央数据 处理机集中处理。这种方式的无线抄表系统曾有一段时间在一些地区使用。 为增加用电管理功能，有的系统用数据集中器代替手持抄表器或车载抄表 器，由数据集中器将抄录的小区内各户电能表的电能量数据通过公用电话网传送 到用电管理中心， 由于一般的抄表模块不可能安装大功率的无线收发装置，且根据信息产业部 1 9 9 8 年底发布的微功率( 短距离) 无线电设备管理暂行规定，对其发射功率和 使用频率都有限制，因而这种方式的集中抄表系统现在受到了较大的限制一 根据目前不少地区安装了无线电力负荷管理系统，对工业和大的商业用户可 利用已安装的负荷管理终端通过r s - 4 8 5 接口直接读取这些用户电能表的数据， 经无线信道将数据传至用电管理或负荷管理中心居民用户电能表的数据可由采 集终端或集中器通过有线信道进行采集，再利用负荷管理终端的无线信道传送数 据。 1 2 3 电力线载波集中抄表系统 直接利用高压电力线作为信息传输通道已有数十年历史。到7 0 年代，美国 出现能源危机后，在引进西欧音频电力负荷控制系统的基础上开发研制出载波电 力负荷监控及抄表系统。8 0 年代，以色列研制成低压电力线载波集中抄表技术， 1 9 9 3 年首次来华进行技术交流。其主要特点是：在每块机械表中安装一块采集模 块，完成对电能量信息的采集和处理，具有单向通信功能，把各分散的电能表的 电能量数据通过低压配电线传到接在同一低压配电网上的若干数据集中器，然后 通过手持抄收机或公用电话网将收集到的配电小区内所有电能表的电能量数据 传送到用电管理中心。当通信质量不佳时，可在电能表和集中器问加装双向通信 中继器，进行数据采集和中继放大。 基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 我国从1 9 9 3 年后开始研制载波方式集中抄表系统。1 9 9 6 年后开始出现一些 试验系统a 由于低压配电网是以配电变压器为中心构成的区域供电网络，以此为 通信信道的载波集中抄表系统的结构也是以配电变电压为单元，对区域内的用户 电能量数据进行采集和集中处理。 1 2 4 其它通信方式 除了以上几种主要的通讯方式外，还有有线电视网通信方式，h t e m e t 网通 信方式，g s m 通信方式等一些较新的通信方式。 有线电视网通信方式，有线电视网有很好的数据传输环境，具有高带宽、大 容量和用户普及的优点，有线电视网在国内外被认为是多种信息业务通向千家万 户的强有力的入户平台，缺点是信息回传通道未加入，而且没有对外开放。 h t e m d 网通信方式，随计算机网络技术发展，各种通信协议、网管系统、 浏览工具、开发工具、上载下载和管理工具不断成熟和完善，网络覆盖面迅速扩 大，信息共享度要求的增强这些都为集中抄表系统采用因特网的通信方式奠定 了良好的基础，成为研究的一个热点。 g s m 网络经过多年的发展，已经比较成熟。日前一些厂商开发出了利用g s m 网络进行数据传输的方法，即在传统的单片机系统中利用支持语音、短消息、数 据通信、传真等业务的g s m 引擎模块，结合己有的单片机系统通过r s 2 3 2 接口， 实现数据的无线传输，实现起来很容易，这些都为采用g s m 移动通信网进行数 据传送奠定基础。 1 2 5 我国远程集中抄表系统现状 国内目前仍然是以人工抄表为主，远程集中抄表刚刚兴起，但是发展的势头 迅猛。最初有些发达地区采用手掌机人工抄表，然后自动录入相应管理系统，这 种电表数据录入还是人工进行，没有真正解决劳动强度大的问题，而且容易产生 人为误差等问题，针对这种情况，远程自动集中抄表系统便应运而生。国内一些 高等院校、电力管理部门以及一些电力企业的有关研究人员开始关注远程集中抄 表系统，并进行了有益的探索。 目前国内常用的集中数据采集系统的模式有：r 8 - 4 8 5 总线方式；低压电力 线载波方式f 公用电话线通信方式。 低压电力线载波方式，是目前研究的热点之一，国际国内均有广泛研究，它 6 基于无线同络的远程自动抄袁系统的研究 的优点是无需另外布线，所以安装简单，不受各种管理规定的限制，表上存有数 据，系统出现故障时也不会影响计量，所以颇受供电管理部门的青睐，目前应用 的集中抄表系统中绝大多数为载波集中抄表系统，这种方式基本上步入实用阶 段，但还存在许多值得探讨的地方，目前的载波通讯成功率还较低，这就要求编 码方式要易于传输，易于接收，当出错时能够发现，并应具有一定的容错能力。 目前，国外有些公司就看好中国市场，并带来了一些成熟的通讯产品想直接 用在国内，但他们没有成功，原因在于他们不了解中国的电网实际情况与国外电 网的区别，一些技术和芯片不适应中国电网，所以要深入中国电网实际情况，选 择适当的数据采集和传输模式，实现远程集中抄表。 1 3 论文要完成的主要工作 针对目前远程抄表系统发展的现状和存在的问题，结合本课题的设计任务和 技术要求，本文主要完成以下几方面的任务r 1 自动抄表系统的总体结构分析和研究 2 用户端硬件系统的设计 3 集中器和采集终端之间的通信方式研究 4 集中器与控制中心之间的远程通信方式研究 5 控制中心软件设计 7 基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 2 自动抄表系统的总体结构分析和设计 自动抄表系统是一种把多个分散单元信息( 电能表) 准确传送到一个基站( 数 据处理中心) 的综合系统。它包括高精度的一次仪表获取信息，准确无误的通过 媒介传输信息，高效快捷的计算机处理信息。因而一个远程自动抄表系统主要是 由电能表，采集器( 数据采集模块和采集终端) 、集中器、主站( 数据处理中心】 以及将这些设备连接起来的高效的、可靠的数据传输通信方式组成的系统。 自动抄表系统是新兴的、先进的抄表方式4 ，融合了当今最先进的计算机 和通信技术，并随着通信技术系统的硬件和软件不断发展而更新。因此可以说它 是一项发展中的技术。原则上并没有相对固定的方式和概念，在实际应用中通常 是多种通信技术的综合使用，以达到最理想的目标。 远程自动抄表系统的总体结构框如图2 1 所示 在图2 一l 中的通信网络也称为信道，即数据传输的通道。从集中器的角度 看，从集中器到控制中心之间通信规定为上行信道，从集中器到采集器之间通信 规定为下行信道。通信网络1 为上行信道，通信网络2 为下行信道。自动抄表系 统中涉及的两段通信网络，每段可以相同也可以完全不一样，因此可以组合出各 种不同的自动抄表系统。 圈2 1 远程自动抄袭系统的总体结构框田 基于无线同络的远程自动抄表系统的研究 2 1 电能表数据采集系统 2 1 i 电能表 目前使用的电能表主要有如下两类： 1 脉冲电表 脉冲电表是指有脉冲输出的电表。目前主要有两种： ( 1 ) 电子式脉冲电表，是将电量转换成脉冲并驱动计数装置，它的计数脉冲很 容易引出作为集中抄表系统的计数单元的输入。 ( 2 ) 机械式电能表，是目前我国使用最为广泛的电能表。这种电能表为了能接 入自动抄表系统，但一般需要将其改造成脉冲电表改造方法有三种； n 光电转换；在转盘上涂一黑道，并在转盘上方装一个红外反射式光电传 感头。当传感头进入黑区和不在黑区时产生不同的电平，从而得到计数脉冲。也 有的在转盘上打一个小孔，在小孔下方装一个光电接收器，当转盘到达小孔的位 置时，产生一个计数脉冲。， 2 ) 磁感应法：在转盘的中心轴上，装一个带有磁性材料的装置，该装置上 方加一个霍尔传感器。当转盘转到磁性材料与霍尔传感器重合位置时产生一干计 数脉冲。 字轮脉冲取样：这种方法与磁感应法类似，只是将磁性材料装在字轮出， 随着字轮的旋转得到计数脉冲，这种计数脉冲与字轮一致，如果安装得当，其计 数精度比较好。但由于在字轮上安装磁性材料工艺较难而且材料容易脱落，在 脉冲传输过程中，丢失一个脉冲就可能丢失i k w h 或0 i k w h 电量。所以这种 方式目前不宜使用。 2 多功能智能电表 本身带有c p u 和存储功能并与自动抄表系统有同一传输规约，具有4 8 5 接 口，可直接与采集器或集中器连接 2 1 z 数据采集模块 根据配置方式可分为内置式和外置式两种。内置式抄表模块装在电能表里 面，每个电能表一块，结合不同的数据通讯方式将数据送到采集终端中。外置式 抄表模块安装在电能表之外。一般一个抄表模块连接1 到n 个电能袁。这种抄 表模块不受电表空间限制，在通讯和计量上都可做的比较完善。另外它可连接多 9 基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 个电能表，大大降低了系统成本。 各个电能表的电量脉冲送入抄表模块，转换成电能表的电量信息，并存储在 抄表模块中，然后等待上一级采集终端或集中器读取电量信息。一般抄表模块都 采用一定的存储单元存放抄表数据，在断电时各电能表的电量数据不至于丢失。 由于抄表模块是一个完整的单片机系统，从而可以实现普通电能表的分时计量， 也为电力市场中分时电价的实行奠定了基础。 2 i 3 采集终端 采集终端是集中采集各电能表的采集模块的电量信息并存储，向上发送给集 中器，也要能接受集中器或手抄器的指令。 在自动抄表系统中，采集模块与采集终端可以结合起来使用，也可以根据情 况分开使用。 2 2 集中器 自动抄表系统中至少有一台集中器，一台集中器通常能采集到几十上千只 采集模块( 或采集终端) 的数据信息，它具有独立的存储空问，能完成对下级采 集模块或采集终端的数据采集，也能够响应上级抄表机或接受计算机指令，完成 数据通信任务。 集中器是集中抄表系统的中枢，集中器的质量反映了整个抄表系统的水平 集中器通信效果的好坏不仅取决于集中器的硬件水平，还依赖于通信规程和集中 器应用软件的纠错能力。 集中器是根据抄表模块的不同通讯方式，进行相应设计的。 2 3 集中器和采集终端之间的通信方案 实现自动抄表必须将采集器所记录的电量信息以某种方式传递给集中器，一 般情况下，采集终端与集中器之问距离只有几十到几百米，本文称之为下行信道。 目前下行信道所采用的方案主要有； l 便携式自动抄表 便携式自动抄表是以一个可移动设备在仪表附近自动抄表，比如应用移动 p c 自动抄表。，应用手持p d a 自动抄表”此种系统的抄表速度较快，因为在 基于无线两络的远程自动抄表系统的研究 每个区域只需要给区域内的电能表发送一次信号即可完成抄表工作。同时，因为 分成了不同的抄表区域，有效地避免了数据的多次传送和数据传送冲突。但是必 须有专人在定的时间操作，不能实现实时传输电能信息。从某种意义上讲，这 种系统还不是真正的远程自动抄表系统。 2 基于总线的方案 总线技术。4 1 成熟，简单，在通信信道正常的情况下通信可靠，稳定，可以 实现实时通信。但存在布线工作量大，通信信道易受人为损坏，损坏后故障排除 困难，恢复慢，信道后续维护量大等不足“。 3 低压电力线载波通信 低压电力线载波方式”比较方便，省去了布线工程费用但电力线作为传 输信道存在许多问题，用户家用电器，开关电源等产生的高次谐波，各种用电设 备的通断产生的瞬时脉冲干扰等因素都会对电力线产生非常大的干扰，其次不同 地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都会对信号 在电力线上的传输特性产生很大的影响。 2 4 集中器与控制中，b 之间的远程通信方案 集中器与控制中心的距离一般比较远，根据集中器与控制中心通信方式的不 同，上行信道主要有以下几种设计方案： 。 l 基于公用电话网的系统 目前电话的普及率很高，特别在城市中，公用电话网p s t n 的电话线路己遍 及千家万户和企事业单位各处，而p s t n 又是一种可靠性非常高、四通八达且接 通率极高的通信网，这给建立自动抄表系统提供了良好的物理基础“”电话线 路的话务量随着电话与手机用户的普及而越来越小。利用现有的电话网进行数据 通信是一个经济有效的方案。但m o d e m 长期带电容易出现不稳定的情况。 2 基于g s 形s 憾的系统 。 随着全球移动通信系统g s m 的迅速普及，短消息服务业务s m s 作为g s m 网络的一种基本业务日趋成熟“基于s m s 短消息服务业务，咀g s m 通信系 统作为无线传输网络，具有占用系统资源少，建网速度快，投资费用少的优点， 但是这种方式也存在着一些缺点，例如实时性差( 节假日等短信高峰时期) ；在 基于无线州络的远程自动抄表系统的研究 需要频繁传输大量数据的情况下，价格高：通讯方式为半双工通信，不能同时双 向收发数据。 2 5 控制中心管理软件 系统中心站软件功能设计主要以数据采集，处理和分析r 系统安全、监测和 运行；远程操作；档案管理；曲线报表以及异常报警等功能为主。并结合本地区 对数据的实际需求，完成负荷预测、成本分析，付费购电、需求管理以及防窃电 等外延扩展功能。 2 6 本系统通信方案概述 本系统下行信道和上行信道的设计都是采用无线通讯的方案，包括两个子系 统：用户端短距离无线通信子系统和g p r s 远程无线通信子系统，如图2 2 所 示a 在分析了多种自动抄表系统通讯方案的优缺点以及实际需求的基础上设计了 本方案。 图2 - 2 奉系统的苴体设计方宴 1 用户端短距离无线通信子系统 在本方案中多个采集器通过r s 4 8 5 接口与转发器连接，转发器和集中器通 过r s 2 3 2 接口与一个短距离无线数传模块连接，多个转发器和集中器通过本文 设计的通讯协议和路由算法构成无线自组织网络，转发器通过自组织网络与其它 基于无线同络的远程自动抄表系统的研究 转发器或集中器进行数据传输。该抄表系统的具体设计和实现将在后面详细介 绍。 2 g p r s 远程无线通信子系统 集中器通过r s 4 8 5 接口与g p r s 模块连接，经由g p r s 网络与控制中心的 微机系统进行通讯。多个集中器以控制中心为中心通过g p r s 网络组成星型通讯 网络。其具体的设计和组网方案将详细介绍。 2 7 无线数传技术相关知识 本节将分别介绍工作于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段射频通信技术 和g p r s 技术，前者适用于短距离无线数据传输，后者适用于远程数据传输。 2 7 1i s m 频段射频通信技术 i s m 频段主要是开放给工业，科学，医学，兰个主要机构使用，该频段是 依据美国联邦通讯委员会( 口c c ) 所定义出来，属于f r e el i c e n s e ，并没有所谓使 用授权的限制，所以使用时不用申请许可证。工作于i s m 频段的短距离射频通 信技术主要有蓝牙( a l u e t o o t h ) 技术、h o m e r f , 8 0 2 1 1 标准。 l ，蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 蓝牙技术是爱立信公司在1 9 9 4 年提出的一种最新的短距离无线通信技术规 范，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它以低成本的近距离无线连 接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其工作频段为全球通 用的2 4 g h zi s m 频段。蓝牙的数据传输速率约为i m b i t s 。采用时分双工方案来 实现全双工传输，其理想的连接范围为l o 厘米至l o 米，通过增大发送功率可以 将距离延长至1 0 0 米 蓝牙技术最初的目的是希望采用短距离无线技术将各种数字设备( 如移动电 话、计算机，p d a 等) 连接起来，以消除现在这些千头万绪、令人头疼的电缆 连线。随着研究的进展蓝牙技术可能的应用领域得到了大大扩展，比如，将蓝 牙技术应用于汽车工业、无线网络接八、采用蓝牙技术在电气隔离性要求很高的 情况下进行通信、将蓝牙技术应用在信息家电中以及在其它所有不便于进行有线 连接的地方使用等等 基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 2 、h o m e r f 技术 h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，在 p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。它在第一代f h s s i e e e8 0 2 1 1 技术的基础上，增加了源自数字无绳电话规范( d e c t , d i g i t a l e n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n y ) 的话音性能可选项。h o m e r f 采用5 0 跳，秒的跳频 速率以最大限度地减小干扰，此跳频速率比i e e e8 0 2 1 l bh - i s s 的跳频速率高得 多，但在物理层上则较i e e e8 0 2 1 1f h s s 规范有所放松。h o m e r f 工作频段是 2 a g h zi s m 频段，支持数据和音频。h o m e r f 最大发射功率为l o o m w ，采用 f s k 调制，通信距离约5 0 m ，数据吞吐量约为1m p s 。和i e e e8 0 2 1 1 一样，一 个h o m e r f 网络可以支持至多1 2 7 个节点及4 个话音通信链接。作为无线技术 方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如笔记 本电脑和i a t e m e t 应用提供了漫游功能。就短距离无线连接技术而言，它通常被 看作是“蓝牙”和i e e e 8 0 2 1 1 协议的主要竞争对手。 3 、8 0 2 1 1 标准 w l a ni e e e8 0 2 1 1 标准，定义了无线节点与网络中各种接入点问相互通信 的接口和协议。其规范包括红外线( 较少使用) ，跳频扩频( f h s s 。f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和直接序列扩频s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 等方案。从本质上来说，w l a n 是调制在载波上的一个普通的l a n 协 议。w l a ni e e e8 0 2 1 1 是l a n 以太网的无线延伸。e e8 0 2 1 1 设备的优点是 能够支持复杂的m a c 特征，如节点隐藏和应用点间的漫游。高速1 e e e8 0 2 1 1 工作在2 4 g h zi s m 频段并将数据速率定为5 5 m b i t s 和1 1 m b i t s i e e e8 0 2 ，1 1 标准是作为l a i n 的无线延伸而设计的，可用于商业应用，也可 在学校和机场等公共场所配置。当应用于家庭联网时只需在此基础上进行相应的 配置即可，因为由同一个i e e e8 0 2 1 1 使能的p c 机可以很容易地连接到各种无 线l a n 上，为用户提供正确的安全握手过程。高速i e e e 8 0 2 i l b 无线l a n 以 1 1 m b i t s 的高速率进行数据传送，很适合1 0 m b i t j $ 的家庭p h o n e l i n e2 0 规范。其 高速率特性也能和开始广为使用的新的高速接入技术，如有线调制器和x d s l 很 好地匹配。 基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 2 7 2g p r s 技术 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 ) 的英文简称，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g p r s 覆盖g p r s 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传输。 g p r s 是移动通信过渡代产品，是一种高速分组数据交换技术，同时支持两 种主流的分组数据网络协议：m 和x 2 5 。它改良了现有的g s m 网络系统，使得 g s m 系统可以在第三代移动通信系统得到实际应用之前实现同时提供电路交换 和分组交换两种承载业务。基于分组数据包，使现有的移动通信系统提供的数据 业务首次从9 6 k b p s 飞跃到了1 0 0 k b p s 以上，极大地提高了移动用户的移动通信 能力，而且由于分组交换是基于统计复用的原理，它大大地提高了无线信道和核 心网络的使用效率通过g p r s ，移动用户可以直接连接到h i 忙m e t 上处于一直 在线的状态，而无须拨号连上一个特定的i s p 。而且用户只须为他们实际使用的 通信数据总量付费。 2 8 小节 - 本章主要研究了远程自动抄表系统总体结构及各组成部分，阐述了作为自动 抄表系统核心的集中器和采集终端之间的下行信道设计方案及集中器与控制中 心之间的上行信道设计方案，并对现有的设计方案的优缺点进行了分析和讨论 并介绍了本文的设计方案和相关的无线数传技术。 基于无线网络的远程自动抄袭系统的研究 3 用户端硬件系统的设计 根据对自动抄表系统总体结构和功能的分析，本文所介绍的硬件系统是由 电能表、采集器、转发器和微功率无线数传模块以及集中器和g p r s 模块构成的。 如图3 一l 所示，一个转发器可以直接连接8 个采集器。每个采集器最多可以连 接8 个电表。采集器负责读取电表的数据，由采集器中的微处理器收集电能的计 数脉冲，并进行计算、处理得到用电量，然后把数据传送给转发器。转发器负责 把数据直接或者通过其他转发器将数据传送到集中器。 3 1 电能表 图3 - t 用户端硬件系统构成 个自动抄表系统是否成功，最终取决于其采集、传输的数据是否准确、 可靠。目前市场上用于用电计量的最大一类仪表是机械式电表。机械式电表就是 利用电磁感应原理，通过机械转轮式计度器对用电进行计量、显示的电度表。经 过校表后的合格电度表，其机械转轮式计度器数字能准确地反映用电情况。 自动抄表系统的首要工作，就是将机械数字转变成电子信号，这一工作称 为电子化采集。国内常见的电子化采集手段，是电通过光电、磁电等电子传感器 将表头某机械动作转换为电子脉冲计量，从而形成与机械计度器并存的二重计 基于无线罔络的远程自动抄表系统的研究 量脉冲式计量实质是过程式计量，每次计量均需要一个计算基准，例如，系统 投运时，必须到现场对机械表头数做一次电子初始化处理，以取得首次计数基准， 随后对发生的电子脉冲进行加、减累进计量，以此作为后一个电子脉冲的计数基 准。这种过程式计量，给系统带来了严重的隐患：脉冲计量方式易受干扰，如雷 电干扰、磁场干扰、电波干扰，电源波动、上频电流对线路的干扰，传感器使用 环境( 温度、湿度、光照度等) 的变化等，从而影响脉冲计量的准确性；因为是过 程式计量，每次受干扰所产生的误差计量都形成一个新的错误基准，累计存在于 计量的结果中，从而导致当前自动抄表系统的计量不准；由于系统投运时需要大 面积电子初始化，出现表头计量误差时需要纠正性初始化，因而整个计量过程引 入了大量的人为因素，容易导致管理隐患。 全电子式多功能电能表克服了感应式电能表准确度低、，功耗大，过载能力 弱等缺陷，采用先进的微电子技术和计算机技术，由高准确度电压、电流互感器、 高准确度高速模数转换器、高速数据处理器、实时时钟、数据接日设备和人机接 口设备组成在高速数据处理器的控制下，高速模数转换器将来自电压、电流互 感器的模拟信号转换为数字信号，并对其进行数字积分运算和误差补偿，从而精 确地获得有功电量和无功电量并依据相应费率和需量等要求对数据进行处理。 其结果保存在数据存储器中，并随时向外部接口提供信息和数据交换。同时，它 还具有多种接口，适用于模拟、数字等各种通信模式不仅满足了准确计量的要 求，同时也为电能管理现代化提供技术手段，目前，全电子式多功能电能表己逐 步取代感应式电能表而成为主流，也将成为日后的发展方向。 3 2 采集器的设计 采集器“”采用单片机a t 8 9 c 5 2 及其外围电路实现。电路中设计有两个串 行接口，r s 2 3 2 接口和r s 4 8 5 接口r s 4 8 5 接口用电线与转发器相连，r s 2 3 2 接口用电线与电表相连当采集器接收到从转发器r s 4 9 5 接口传来的数据包时， 首先要对数据包进行分析，如果是正确的采集数据命令数据包，那么采集器就会 从单片机内存中取出指定用户的当前电表读数，处理后打包发送给转发器。然后 通过由转发器和微功率无线数传模块构成的无线通讯网络依次发送给集中器，直 到该电表读数发送到主控微机系统。 1 7 基于无线网络的远程自动抄表系统的研究 1 a t 明c 5 2 a t 9 9 c 5 2 “。是低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复 擦写的只读程序存储器( p e r o m ) 和2 5 6 b y t e s 的随机存耿数据存储器( r a m ) ， 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，内置通用8 位中央处 理器( c p u ) 和h a s h 存储单元 其主要特点； ( 1 ) 8 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器 ( 2 ) 全静态操作：0 h z - - - 2 4 m h z ( 3 ) 三级加密程序存储器 ( 4 ) 2 5 6 字节内部r a m ( 5 ) 3 2 个可编程i ，o 口线 ( 6 ) 3 个1 6 位定时计数器 ( 7 ) 8 个中断源 ( 8 ) 可编程串行u a r t 通道 ( 9 ) 低功耗空闲和掉电模式 ( 1 0 ) 掉电方式保存r a m 中的内容 2 r s 2