（检测技术与自动化装置专业论文）多功能电能表及其远程抄表系统的研究与实现.pdf

摘要 随着社会的发展和人民生活水平的提高以及科学技术的进步，对现有小区的电能表 及其抄表系统进行升级改进已成为现代住宅小区物业管理需要迫切解决的问题。本文针 对这一情况，研究开发了一种多功能电能表及其远程抄表系统，其预付费功能与远程抄 表功能互为必要的补充。 本文在对国内外现有的电能表和远程抄表技术进行研究的基础上，设计了一种多功 能电能表及其远程抄表系统，包括：基于a v ra t m e g a l 6 l 单片机和新型电能计量芯片 b l 0 9 3 0 的电能表、包含预付费功能的消费信息室内显示器、基于a v ra t m e g a 8 l 单片 机和m 4 0 0 0 t 模块的串口联网服务器、后台监控管理与数据库系统。电能表在完成电能 计量的同时也把水、气表的数据统一保存到单片机，再由单片机通过r s 4 8 5 总线传输到 串口服务器，该表本身具有显示和预付费功能；室内显示器以a v ra t m e g a 8 l 单片机为 核心，结合j r d 4 6 8 5 液晶显示器和i c 卡接口电路，通过r s 4 8 5 总线实现了室内水、电、 气信息的综合显示和预付费功能，打破了传统显示方式和付费方式的局限，给使用和管 理带来了方便；串口联网服务器接收各个电能表的数据，并对数据进行加密处理，通过 以太网传送到后台计算机；通过基于v b 6 0 和a c c e s s 2 0 0 3 为平台开发的后台监控管 理系统，物业管理人员能够完成手动和自动抄表工作，并可对数据进行保存、打印、显 示和查询等。除此以外，还可以对水、电、气数据以曲线的方式按年度进行显示，为以 后相关部门对管网和线路的升级改造提供依据。 通过实验研究，证明了这种多功能电能表及其远程抄表系统的可行性、可靠性及实 用性。 关键词：单片机多功能电能表远程抄表室内显示器串口联网服务器r s 4 8 5 总 线后台监控管理系统 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nt h em u l t i f u n c t i o n e n e r g ym e t e ra n d r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e r m w a n gc h u n g u a n g ( m e s u e r m e n tt e c h n o l g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f l i ur u n h u a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y ，t h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e s1i v i n g s t a n d a r da n dt h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i ti st h eu r g e n tp r o b l o e r m r e q u i r e dt ob es o l v e df o rt h ee s t a t em a n a g e m e n tc o m p a n yt ou p g r a d ea n dr e n o v a t e t h ec u r r e n te n e r g ym e t e ra n dr e m o t em e t e rr e a d in gs y s t e r m t h is p a p e r h a sc o n d u c t e dt h ee a r n e s ts t u d yo nt h ep r e s e n tt h e o r ya n d t e c h n o l o g yo ft h ec u r r e n te n e r g ym e t e ra n dr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e r ma th o m e a n da b o a r d d e s i g nt h em u l t i f u n c t i o ne n e r g ym e t e ra n dr e m o t e m e t e rr e a d i n g s y s t e mo nt h i sb a s i s i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gp a r t s ：e n e r g ym e t e rb a s e do na v r a t m e g a l 6 ls c m a n dn e wt y p ee l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gi cb l 0 9 3 0 ，i n d o o rd i s p l a y f o rc o n s u m e r sc o n s u m p t i o ni n f o r m a t i o nw i t hp r e p a i df u n c t i o n ，s e r i a lp o r t s e r v e rs y s t e r mb a s e do na v ra t m e g a 8 ls c ma n dm 4 0 0 0 tm o d u l e ，b a c k g r o u n dm o n i t o r i n g a n dd a t a b a s es y s t e m t h ee n e r g ym e t e rs a v e st h ei n f o r m a t i o nf r o mt h ew a t e rm e t e r a n dt h eg a sm e t e rw h i l ef i n i s h i n gm e t e r i n ge n e r g y ，a n dt h e na l lt h ei n f o r m a t i o n i st r a n s f e r e dt ot h es e r i a lp o r ts e r v e rt h r o u g ht h er s 4 8 5b u s ，t h ee n e r g ym e t e r h a st h ef u n c t i o no fp r e - p a i df e e a n dd i s p l a y i n d o o rd i s p l a yb a s e do na v ra t m e g a 8 l s c m ，c o n n e c t e dw i t hj r d 4 6 8 5l c da n di cc a r di n t e r f a c ec a nr e a l iz et h ef u n c ti o n o ft h ep r e - p a i df e ea n dt h ec o n s u m e ri n f o r m a t i o nd i s p l a yt h r o u g hr s 4 8 5b u s w h i c h b r e a k st h e1 i m i to ft h et r a d i t i o n a lc o n s t r a i n t sf o rd i s p l a ya n dp r e p a i df e e ， a n di t i sc o n v i n e n tf o rt h eu s ea n dm a n a g e m e n t s e r i a lp o r tn e t w o r ks e r v e r r e c eiv e st h ed a t af r o ma llt h ee n e r g ym e t e r s ，a f t e re n c r y p tt h ed a t a ，a n dt h e n s e n dt h e mt ot h eb a c k g r o u n dc o m p u t e rt h r o u g he t h e r n e t t h r o u g ht h eb a c k g r o u n d m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv b 6 0a n da c c e s s 2 0 0 3 ，p r o p e r t ym a n a g e m e n tp e r s o n n e l c a nf i n i s hm e t e rr e a d i n gb yt h em e a n so fm a n u a lo ra u t o m a t i o n i na d d i t i o n ，t h i s s y s t e ma l s oc o m p l e t e sf u n c t i o n ss u c ha ss a v i n g ，p r i n t i n g ，d i s p l a ya n ds oo n ， b e s i d e st h i s ，i ta l s oh a st h ef u n c t i o nt od i s p l a yt h ei n f o r m a t i o no ft h ew a t e r ， e l e c t r i cp o w e r ，g a sb yt h em e a n so fc u r v e ，w h i c hs u p p l y st h er e f e r e n c ef o rt h e r e l e v a n td e p a r t m e n t st ou p g r a d ea n dr e n o v a t et h ep i p en e t w o r k sa n dc i r c u i t r i e s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ，i ti sp r o v e dt h a tt h em u l t i - f u n c t i o n e n e r g ym e t e ra n dr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mi sf e a s i b l e ，r e li a b l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：s i n g l e c h i pc o m p u t e r ，m u l t i f u n c t i o ne n e r g ym e t e r ，r e m o t em e t e r r e a d i n gs y s t e m ，i n d o o rd is p l a ys e r i a lp o r tn e t w o r k i n gs e r v e r ，r s 4 8 5b u s ， b a c k g r o u n dm a n a g e m e n ts y s t e m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：过。，7 年，月了日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：7 叫年j 月留日 醐：7 肘日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 电能是最重要的能源，它的应用在生产技术上曾引起划时代的变革。随着我国国民 经济和各项社会事业的迅速发展，在现代社会中电能己经广泛应用到社会生产的各个领 域和社会生活的各个方面“1 。电能表是当前电能计量和经济结算的主要工具，它的准确 与否直接关系到国家与用户的经济利益，而且传统的单相电能表在功能上已经不能满足 人们多样化的需求。随着电子技术、检测技术和计算机技术的迅猛发展，电能计量装置 也发生了巨大变革。 如今绝大部分地区对电的使用已经没有限制，一户一表制已经基本普及，直供居民 户数成倍增加，抄表工作量明显加大。人工抄表及现在的各种远程抄表方式或多或少存 在不足之处，无法保证数据的准确性和实时性，浪费大量的人力和时间，并给用户带来 不便乜1 。为了改变这种状况，各种远程自动抄表技术在国内外应运而生，而且发展非常 迅速。远程抄表是指采用检测、通讯和计算机等技术，通过专用设备对电表终端自动读 取和处理数据的过程。随着宽带网络进入千家万户，使得利用宽带媒介进行远程抄表成 为可能。 由此可以看出，随着电能计量技术和远程抄表技术的发展，要求电能表及其远程抄 表系统应该具有以下特点： l 、计量精确、防窃电、防潜动、过负荷断电、具有电量室内外显示及预付费功能、 多通讯接口、缴费提示、存储信息等。 2 、利用现有的优势资源实现远程准确抄表。 本论文针对以上要求设计了一种多功能电能表及远程抄表系统，通过此系统用户既 可以在家中实现预付费功能，同时也满足了管理部门远程抄表的需要，两者互为必要的 补充。对于维护维护广大用户和相关单位的利益，降低物业管理人员的劳动强度，提高 物业管理水平，构建和谐社区具有重要意义。如果推广到工厂企业也会产生明显的经济 和社会效益。 1 2 国内外电能表及远程抄表系统发展状况 1 2 1 电能表的发展简史及现状 1 、电能表发展历程 感应式表独行天下 第1 章绪论 感应式电能表的发展，至今已经了有一百多年的历史n 1 。经过一百多年的不断改进 与完善，感应式电能表逐渐成为制造工艺成熟、生产加工简便、性能稳定可靠的电能计 量产品。 由功能引发的“机电革命” 第二次世界大战之后预先付费功能的电能表在欧洲问世了“1 。这种现代预付费电能 表的雏形表，是由机械和电子两部分组成的。这种电能表在相当长的一段时间内发挥了 很大的作用，但是这种电能表只能实现简单功能，而且性能不很可靠，随着电力部门对 电能表功能要求的日益扩展及电子行业的飞速发达，机电式电能表逐渐退出了历史舞 厶 口o 后来居上的电子大军 上世纪七十年代开始，电子技术开始应用到电能计量中来，但是由于早期的电子技 术并不成熟，最初的电子式电能表只是被应用在实验室作为标准电能表，价格昂贵，容 易受外界环境干扰，不能广泛推广。到上世纪八十年代中后期，随着电子技术的发展， 应用于现场环境的电子式电能表开始出现了。它没有传统电能表上的旋转机构，因而又 被称为静止式电能表或固态电能表。随着微电子技术的发展，单片机技术的应用，静止 式电能表的生产成本逐渐降低，可实现的功能越来越丰富，制造精度也越来越高，静止 式电能表的优势越来越明显。目前静止式电能表的销量已占到电能表总销量的5 0 以 上，并且有继续上升的趋势3 1 。 2 、我国电能表的发展历程 我国电能表行业的发展大致经历了以下5 个时期“1 ： 原始期( 此时期是国内电能表生产的起步阶段，以d d l ，d d 5 型电能表为代表产 品) ； 2 8 表时期( 代表产品有d d 2 8 ，d d l 0 ，d t l 0 等产品) ； 8 6 表时期( 代表产品主要为铁壳的d d 8 6 2 ，d d 8 6 2 a ，d t 8 6 2 等产品) ； 长寿命电能表快速增长期( 此时期中，使用寿命技术的感应式电能表产品进入快 速增长阶段) ； 静止式电能表快速增长期( 此时期中，具有预付费、多费率、通讯、负荷控制等 多种复杂功能的电子式电能表使用激增) 。 3 、电能表的发展现状 近年，在国外电子式电能表发展非常快，芬兰、瑞典、挪威等北欧各国以及法国、 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 英国、德国、西班牙、t ：l 缉l j 时和意大利等两欧许多国家，其工商用户计费电能表已实现 1 0 0 电子化。目前我国市场上主要以8 6 表时期以后的电能表产品为主。近几年来，随 着新技术的不断涌现，我国电能表的产品结构发生了很大转变。我国电能表行业在产品 质量控制、生产技术水平以及产品适应用户需求等方面都有了质的飞跃。从2 0 级精度 到0 1 级精度；从单一计费功能的电能表到可实现负荷控制等多功能要求。我国的电能 表产品已经不仅仅是一种单一计量功能的仪表，已经由低附加值向高附加值转化，向智 能化、长寿命、多功能方向发展。目前国内外普通居民表中预付费及复费率功能已经相 对成熟并有大量应用。高端电能表一般可提供如下功能：有、无功电能计量，最大需量 计量，可自定义的多费率、多时段电量计量，多_ j f 申实时参数测量，多种故障报警及事件 记录功能，停电抄表功能，温度补偿电路，多种通信方式，开盖报警等简单防窃电功能。 另外，也有一些电能表有特殊功能，如多套费率表，谐波计量，g p r s 通讯，电能质量 分析，变压器铁损计算等，具有一定的创新性n 1 。但是目前就电费的室内预付，水、电、 气三表信息的室内综合显示等功能有待实现，在室外用户插错卡时如何纠错的问题也亟 待解决。 1 2 2 远程抄表系统发展现状 随着科技的进步、人民生活水平的提高，多表远程抄收系统成为小区“智能化建设” 中的一个重要部分。目前，国内外应用的远程抄表技术，主要有以下几种方式乩1 ： l 、电话线远程抄表：由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据 通信是一个经济有效的方案。利用电话网通信需要加装调制解调器，这时通信速率受到 限制，管理中心无法对用户进行实时监控。也可以租用专线，但是当租用电话线路过多 时，租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。而且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。 2 、电力载波远程抄表：利用电力载波技术进行自动抄表，主要是利用已有的输电 线路实现数据的传输，节省成本。但由于我国的电网没有专门的滤波系统，特别是民用 电网部分，电磁信号、脉冲信号和无线电信号对电网的干扰致使电网相当不纯净，传输 过程中信号的误码率很高，因此这种传输方式需要很高的抗干扰措施，目前研究此种方 式抄表系统的不少，但真正实用的不多。载波抄表方案关键需要解决的问题还是抄表的 可靠性问题，这也是电力载波抄表系统长期不能真正解决的问题，我们国家的电网非常 复杂，电力载波技术要应对几个关键问题：首先有时变干扰，干扰的频谱范围、强度、 第1 章绪论 地点都在实时变化，例如家用电器、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。二是时变网络阻抗，变压 器所带的阻抗随时间的变化在不断改变，导致输送能量要不断变化。这两个原因是导致 载波不能很好工作的根本原因。三是网络拓扑的不可知性。在设计电力载波产品时，我 们要去应对并不知道拓扑结构的网络，因此也很难保证产品的性能。总之，这三个问题 是电力载波技术要解决的难点。 3 、无线远程抄表：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，这种方式士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、信号频率通道的设黄都有所不同。国外普遍采用此种方式，但 此种抄表更适合应用于分散的计量仪表的抄收。无线抄表是利用空间的无线信道实现数 据传送的，这样的抄表方式毋须置疑是最为简单、方便的抄表模式，甚至在最近建设部 提出的某种通讯规约的讨论稿中也初定了三表无线抄表使用的无线电频点，但无线数据 传输存在着在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下，信号传输不稳定的问题，另 外表具安装位置、空间干扰等也对其稳定工作有较大影响，同时无线电表产品自身也存 在功耗等问题，因此该模式概念上虽然都很好，但真正大面积推广应用还有相当的历程。 尽管目前蜂窝移动无线网g s m 覆盖面几乎已遍及全国这种方式需要在各个单元架设 发射天线，这样做的不足就是：一方面有建筑物钢筋混凝土的屏蔽，使得信号的衰减比 较快；另一方面发射天线对人体有电磁辐射，不适宜在居民楼安装。 4 、有线电视网( c a t v l 远程抄表：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。 5 、电缆线远程抄表：有线总线技术成熟、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，但需专门铺设电缆线，给施工带来不便。而且布线工作 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。 6 、宽带远程抄表：在现代住宅小区中，随着宽带进入千家万户，以太网已经成为 智能住宅小区的基础设施。采用基于t c p i p 协议的以太网传输数据，具有不需要单独 布线、传输容量大、且不容易受到外界干扰等优点。因此，使用宽带进行远程抄表具有 明显的优越性。 1 1 3 论文主要内容与本文结构 本论文是检测技术、计算机和通信技术的综合应用，主要研究内容包括： 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 多功能电能表设计，包括：电压、电流采样电路设计、电能计量、磁保持电路设 计、串口扩展设计，i c 卡及接口电路设计； 2 串口服务器( 集中器) 及接口电路设计，实现抄表计算机和下位机之间的通讯； 3 具有预付费和显示用户消费信息的室内显示器设计； 4 后台监控管理系统软件设计。 以下是本文的结构安排： 第1 章绪论，阐述了本论文的研究背景及意义、国内外现状和研究的主要内容。 第2 章系统总体设计，介绍了整个系统的组成及工作原理、工作流程、实现的功 能。 第3 章系统的硬件设计，详细介绍了电能表计量芯片的计量原理及电压、电流采 样电路的选择，单片机系统设计，i c 卡电路设计，室内、外显示器设计，以单片机和 m 4 0 0 0 t 模块为核心的串口服务器及接口电路设计。 第4 章系统的软件设计，介绍了多功能电能表控制系统的控制流程以及与水表、 气表和i c 卡( 室外) 的通讯，电能表和室内显示器的通讯，电能表与串口服务器之间 的通讯及部分关键程序，串口服务器和后台监控计算机的通讯，以及后台监控管理系统 ( 上位机) 和数据库系统设计。 第5 章系统实验与结果分析，介绍了系统的实验过程，并对实验结果进行了分析。 最后是本文的结论与展望。 第2 $ 系统总体设计 第2 章系统总体设计 2 1 系统组成及工作原理 系统原理图如图2 - 1 所示： 后骨岭拧系统 图2 - 1 系统原理框图 f i 9 2 - 1 t h e f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m 新型远程抄表系统由下位机系统、网络通信通信系统和后台监控系统三部分组成， 以下是各子系统的组成及工作原理。 1 下位机系统 下位机系统由电能表、显示器、l c 卡接口、r s 4 9 5 接口电路、电源电路等组成。 全电子式电能表是下位机系统的核心部分，主要有由单片机、电能计量芯片、电压 和电流采样电路、磁保持电路等构成。采样电路完成对电压和电流的采集后，送给电能 计量芯片，由改芯片对采样信号进行a d 转换、滤波、积分等计算处理后，输出与电功 率成正比的频车( 脉冲) 信号单片机通过对脉冲计数来计算所消耗的电量，保存到内 部存储器中，供用户使用。用户将写有已购电量的i c 卡插入电表的乍槽，在微处理器 的控制下，电表将卡中的电量读出，与表内的剩余电量相加后写入内存( e e p r o m ) 中， 并且能自动将当前的剩余电量等信息反写到i c 卡中，用以供售电管理系统查询。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 电子式电能计量框图如图2 2 所示： 图2 - 2 电能计量框图 f i 9 2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo f t h ee l e c t i ep o w e rm e a s u r e m e n t 本系统中的单片机均采用a v r 系列，通过计算来自电能计量芯片的脉冲数得到消 耗的电量，由于单片机本身只有一个串口，为了满足单片机与水表、气表、显示器和上 位机通讯的需要，必须利用串口扩展芯片对单片机串口进行扩展，由一个扩展成五个。 电能表与室内显示器和串口联网服务器的通讯均采用r s 4 8 5 方式来完成，与i c 卡 的通讯通过普通的i o 口来完成。 显示器完成用户消费信息的显示。室内显示部分安装在用户家中，通过r s 4 8 5 总线 与电能表通讯，使用户在正常情况下在家中就可了解自己的消费信息，一目了然。同时 还具有欠费提示功能。室外显示器安装在抄表间，作为用户备用和物业公司工作人员应 急查看使用。 磁保持电路的功能是自动切断或者闭合电源。 i c 卡接口配合i c 卡可以使用户在家中完成充值服务，即实现预付费功能。作为室 内卡的补充，室外i c 卡也可完成预付费功能。i c 卡即集成电路卡( i n t e g r a t e dc i r c u i t c a r d ) ，形式上它是一张将集成电路芯片镶嵌在塑料基片上而成的卡片。i c 卡在制作上 采用先进的半导体制造技术和信息安全技术，具有可靠的数据存储能力；其存储的内容 不仅可供外部读取，也可供内部利用。同时，i c 卡还具有逻辑处理功能，可用于识别和 提供相应的外部信息6 1 。 在用电方面，i c 卡主要用于存放由售电管理系统写入的密码、用户信息、表常数、 电量数( 累计购电量、购电次数等) ；i c 卡还能存放由电能表反写的累计用电量等信息， 并且卡下电后很长时间内数据不会丢失。 抄表间i c 卡作为室内i c 卡故障时的备用。其功能如图2 3 所示： 7 第2 章系统总体设计 图2 3 预付费电能表功能图 f i 9 2 3t h ef u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo ft h ep r e p a i de l e c t i cp o w e rm e t e r i c 卡预付费电能表的原理框图如图2 4 所示，其中i c 卡接口部分的主要功能是对 作为信息传递媒介的外卡( 指i c 卡，下同) 和作为信息备份载体的内卡( 指表内e e p r o m 存储器，下同) 进行读写，以便实现信息交流和保存，使电能表在停电时仍然能够在较 长时间内保存必要的信息。它是电能表内部运行状况和外界交流的窗口。这一部分主要 由读写内卡和外卡电路组成。 圉固国 图2 - 4 预付费电能表原理图 f i 9 2 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep r e p a i de l e c t i cp o w e rm e t e r 2 网络通信系统 本系统由i n t e m e t 、串口联网服务器通信模块及r s 4 8 5 网络三部分组成。通信网络 是多功能电能表( 下位机系统) 与后台计算机( 上位机系统) 之间数据传输的桥梁，本 论文采用i n t e r n e t 网络和r s 4 8 5 网络共同承载。串口联网服务器通信模块是实现上位机 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 与下位机系统通讯的设备，串口服务器通过r s 4 8 5 总线与多功能电能表通讯，通过 i n t e m e t 与后台计算机通讯。后台计算机发出抄表指令后，根据指令的内容自动寻址， 找到目标串口服务器后，串口服务器把信息传给将下位机，下位机通过串口联网服务器 把数据发送到i n t e m e t 公网，这样拥有固定i p 地址的上位机计算机就可以接收到现场信 息。 3 后台监控系统 本系统通过i n t e m e t 接收来自串口服务器的数据。根据本系统监控界面，管理人员 可以执行相应的操作，来给目标地址发出抄表指令，目标服务器接收到指令后，返回数 据包。监控计算机对数据包进行解包分析，确认正确无误后，保存到相应的地址，作为 用户缴费的依据。同时，本系统还提供手动、自动操作，由工作人员根据实际需要进行 选择。 数据监控系统的软件开发平台采用m i c r o s o f t 公司v i s u a l b a s i c 6 0 编写开发，数据库 系统以广泛适用于中小型数据库的a c c e s s 2 0 0 3 为平台，能够在w i n d o w sx p 平台上运行， 利用v b 中的w i n s o c k 网络控件，可以直接接入基于t c p i p 协议的互联网，实现与串 口服务器模块的通讯。 2 2 系统的工作过程 系统工作过程如图2 - 5 所示。 后台监控计算机 百曼 调制解调器 百曼 串几服务器 ( 单片机系统) 室外i c 卡室外液晶 i 电路显示嚣 i 嘲8 5 两络 i il ff l l 1 # 单片机系统 = 二d 串口扩展芯片 “。 单片机系统 电鬈*-l卸l蠢塞票 言耄蘸ii 吾耄篓 9 第2 章系统总体设计 图2 - 5 系统工作过程 f i 9 2 5t h ew o r kp r o c e s so ft h es y s t e m 新型远程抄表系统的工作过程如下： 1 综合计量系统中的单片机通过对电能计量芯片输出的功率脉冲进行计数，从而得 到用户的使用数量，并按照一定的时间间隔把这些数据写入内部e e p r o m ，同时通过 r s 4 8 5 通讯方式与水表、气表通讯，读取用户水和气的数据信息也保存到单片机内部 e e p r o m 中，供抄表使用，并在室内外显示器上显示出来。 2 当用户插入室外i c 卡时，单片机与i c 卡通讯，把卡上购电电量保存到单片机的 相应区域；当用户插入室内i c 卡时，卡上信息先保存到显示器中的单片机，再由该单 片机通过r s 4 8 5 通讯把电量信息传输到电能表。没有插卡事件发生时，每隔半小时室内 显示器与电能表通讯一次。 3 肆口联网服务器定期与本单元的各个综合计量表通过r s 4 8 5 方式通讯，读取各户 的消费信息，供抄表使用。 4 当发生窃电事件或者用户欠费时，自动断开电源，同时把信息传递到单片机。 5 当后台监控中心发出抄表指令后，根据各个串口服务器模块的i p 地址及端口号选 择串口服务器，串口服务器把本单元的相应信息送到抄表计算机。 6 监控中心根据需要，进行相关费用的统计和催缴等工作。 2 3 系统实现的功能 本系统主要由下位机部分，中间通讯层，后台计算机组成远程抄表系统，可以在物 业管理公司的监控计算机上完成对远方三表数据的读取。 1 电能计量功能：采用高精度计量芯片和采样电路对用户电量进行计量，当窃电 或欠费时自动断开电源； 2 显示和预付费功能：实现与水表和气表的通讯，通过与i c 卡通讯，实现了在家 中预付电费功能，还可以使用户消费信息在液晶显示器显示出来； 3 远程通信功能：通过自行开发的串口联网服务器构成嵌入式以太网终端，使串 口信号转化为以太网信号，实现了基于i n t e m e t 和r s 4 8 5 网络的远程抄表功能； 4 提示功能：室内显示器可以根据用户消费信息给出声、光缴费提示； 5 数据分析功能：在后台监控中心，管理人员可以提取用户的消费信息进行打印、 统计、历史查询等处理，也可绘出年度小区水、电、气消费曲线，供有关部门参考。 2 4 系统的技术指标 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 本系统最终将实现以下目标： 1 电能的准确计量； 2 水、电、气信息的安全存储： 3 抄表地址和指令的准确发出和接收； 4 抄表信息的准确返回； 5 i c 卡通讯采用自带协议、r s 4 8 5 通讯采用m o d b u s 协议、网络通讯采用精简t c p i p 协议； 6 消费信息的室内、外l c d 正确显示，家中预付费功能，声光报警； 7 工作环境：1 0 - 5 0 ，一般电磁环境。 第3 章系统的硬件设计 第3 章系统的硬件设计 多功能电能表及其远程抄表系统的硬件设计主要包括串1 3 联网服务器的设计、多功 能电能表的设计两大部分。 3 1 设计要求 多功能电能表的硬件结构是是实现本系统功能的基础，硬件设计既要考虑系统的稳 定性和可靠性问题，同时也要兼顾系统开发的成本，所以设计本系统需要遵循以下原则： 1 以太网串口服务器应尽量减少体积，控制器要有丰富的集成外设功能，以减少系 统的外部电路，提高系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力，有利于降低系统设计成本。 2 系统设计强调低功耗，所以设计时应考虑使用低功耗单片机，这样既可以降低功 耗，也有利于延长设备使用寿命。 3 由于用户数据信息的重要性，单片机要选择具有非易失性、大容量存储器的类型。 4 多功能电能表部分关键是电能表的设计，电压、电流的采样要充分考虑线性度、 温度系数的影响，计量芯片的选择也是很关键的问题。 5 下位机与外围电路、串口服务器的通讯方式选择要考虑距离、电磁环境等对通讯 质量的影响。 3 2 串口联网服务器 3 2 1 工作原理 串口联网服务器部分主要由单片机和以太网串口服务器模块组成，其中的串口联网 服务器模块基于嵌入式系统开发，需要具有将串口发送的数据，进行网络数据格式打包 并按指定目的地送出去，和从网络中接收数据包并能转换成串口数据的功能。在本系统 中为了数据的安全起见，把从下位机来的串口数据通过单片机进行二次处理后再发送到 太网串口服务器模块的串口，同时必要的数据保存到单片机的e e p r o m 中。 串口服务器的硬件框图如图3 。1 所示： 1 由于单片机只有一个串口，不能满足本模块需求，因此需要对串口进行扩展，把 单片机的一个串口扩展成三个，把串口扩展模块g m 8 1 2 3 的r x d 0 、t x d 0 分别与单片 机的t x d 、r x d 相连接，r x d l 、t x d l 分别与串口联网模块m 4 0 0 0 t 的t x 、r x 相 连，r x d 2 、t x d 2 分别与4 8 5 接口芯片的引脚1 ( 即接收端) 、引脚2 ( 即发送端) 相连。 2 单片机的p b 2 和p b l 引脚分别与g m 8 1 2 3 的s t a d d l 和s t a d d 2 引脚相连， 1 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 用来选择发送数据的目的通道地址；p d 3 和p d 2 引脚与s r a d d l 和s r a d d 2 引脚相连， 用来确定接收的数据来自哪一个通道。 3 这罩4 8 5 芯片的目的是与多功能电能表部分通讯，完成双向数据传递。 由 石 r x 服 务 器 模t x 块 r x d lt x d o r x d o g m 8 1 2 3 4 8 5 芯片 p b 2 p b l p d o f r x d 、 p d “t x d l a t m e g a 8 l 图3 - 1 串i = 1 服务器硬件框图 f i g3 - 1t h eh a r d w a r ef r a m ed i a g r a mo fs e r i a lp o r tn e t w o r k i n gs e r v e r 3 2 2 以太网串口服务器模块 以太网串口服务器模块在本系统中占有极为重要的地位，本系统中采用深圳三旺 公司生产的m 4 0 0 0 t 这款以太网串口服务器模块( 又称串口以太网网桥) 。m 4 0 0 0 t 采用 嵌入式系统设计，实现设备串行口到以太网口的转换。串口联网服务器模块用于完成 t c p i p 协议栈中的链路层功能，在发送时它把网络层数据包转换成以太网物理帧格式用 于物理信道上的传输；在接受时它将物理信道上接受到的信号转换成网络层数据包h 1 。 其硬件包括一个1 0 m 以太网接口( 内部集成有以太网通信变压器) ，一个带有通 用i o 口的串行接口( 基于c m o s 电平) 和一个内部处理器7 1 。在单片机的控制下， 本模块把来自网络的数据输入单片机进行二次处理，目的是确保接收的数据完整正确， 同时由下位机来的数据信息( 经过串口) 进入单片机后，再次进行二次处理( 加密) 后 才能送到串口服务器模块发送给后台监控计算机。 该模块主要特点如下h 1 ： l 、采用t t l ( c m o s ) 电平接口，可作为嵌入模组 2 、整合度高，只需外加一个r j 4 5 连接器即可实现以太网联接( 内部集成有以太网 第3 章系统的硬件设” 通信变压器) 3 、串口支持全双工，半双工通信方式 4 、所有设置可通过网络或串口实现 5 、支持t c p ，u d p ，a pr i c m p 和d h c p 协议，支持过路由联接 6 、支持s e r v e r 和c l i e n t 模式 7 、支持所有w i n d o w s n a t i v e c 0 m 和网络中断自动恢复连接功能 8 、驱动程序支持w i n d o w s x p 、w i n d o w s 9 5 9 8 i v l e ，w i n d o w s n t 及l i n u x 操作系统 9 、提供以太网监测和串口数据检测工具 其引脚配置如图3 2 所示。 图3 - 2 串n 模块引脚配置图 f i 9 3 - 2 t h ec o n f i g u r a t i o n o fs e r i a lp o r t m o d u l e p i n 在本模块中，由于在m 4 0 0 0 t 模组内部集成有以太网通信变压器，所以仅需舔加一 个r j 4 5 口即可实现1 0 b a s e t 以太网接口。但为了通讯可靠，考虑到必要的抗干扰性， 模块与r j 4 5 口应该尽量的靠近如图3 - 3 所示。 图3 _ 3f 、j 4 5 口与串口服务器模块安装位置图 f i g3 - 3t h e i u s b l h t i o n d i a g r a mn f p d 4a n d t h es e r i a lp o r t m o d u l e 图3 4 为串口服务器模块在系统中的电路图。图中r j 4 5 端口通过r x - 、r x + 、t x 、 t x + 与模块相连。在本系统中串口服务器模块和下位机之日j 以半双工方式工作，因此这 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 里把4 拌和1 7 # 7 1 脚相连。r t s 、c t s 、m d 引脚与单片机相连作为必要的控制信号。t x 、 r x 为模块的串口输出，通过g m 8 1 2 3 芯片与单片机串口相联系。根据调试及实际运行 需要r s t 引脚既可以外部复位也可以由单片机软件复位。d 1 、d 2 为以太网状态指示灯， d 3 、d 4 为模块工作状态指示灯，模块正常的时： 1 设备上电时，d 4 和d 3 闪烁三次； 2 网口无数据时，d 4 熄灭，d 3 每隔三秒闪烁三次； 3 网口有数据传输时，d 4 熄灭，d 3 闪烁； 4 网口有数据传输，缓存益处时，d 4 亮，d 3 闪烁。 模块不正常的时： 1 设备上电，d 4 长亮( 或者d 4 和d 3 常亮) 。 图3 - 4 串口服务器模块电路图 f i g3 - 4t h ec i r c u i td i a g r a mo ft h es e r i a lp o r ts e r v e rm o d u l e 3 2 3 主控制器模块 本部分主控制器采用a t m e g a 8 l ，这是a t m e l 公司的一款新型a v r 高档单片机。 a t m e g a 8 l 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先进的 指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a 8 的数据吞吐率高达1m i p s m h z ，从 而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾d 1 。 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻 单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至1 0 倍的数据 第3 章系统的硬件设计 吞吐率。a t m e g a 8 有如下特点：8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力， 即r w w ) ，5 1 2 字节e e p r o m ，1 k 字节s r a m ，3 2 个通用i o 口线，3 2 个通用工 作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器计数器( t c ) ，片内外中断，可编程串 行u s a r t ，面向字节的两线串行接口，1 0 位6 路( 8 路为t q f p 与m l f 封装) a d c ， 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个s p i 串行端口，以及五种可以通过软件进 行选择的省电模式。工作于空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、 s p i 端口以 及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位 之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准， 而其余功能模块处于休眠状态；a d c 噪声抑制模式时终止c p u 和除了异步