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硕士论文 智能远程抄表与检测系统研制 摘要 随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，传统的人工手动抄表方式已经很难 满足社会发展的要求，人们对远程自动抄表系统的需求己越来越强烈。而随着电子技 术、计算机技术和通讯技术的迅速发展。实现智能化远程自动抄表、替代烦琐的手上 劳动和提供更多的优质服务也就成为可能。本文以实际工程为背景，研制了智能远程 自动抄表和检测系统，实现公寓用电的智能化管理和监测，大大提高了管理效率，同 时也提高了用电的安全性。 文章首先讨论了目前几种常见的抄表系统，并对它们各自的性能、特点和适用场 所进行了分析比较。 其次，研究了一种基于远程通信网络( g s m 和以太网) 和短距离有线通信网络 ( r s - 4 8 5 总线和低压电力线) 相结合的抄表与检测系统方案，并对此种抄表与检测 系统的设计思路、性能特点和适用范围等进行了详细的介绍。 第三，完成了系统硬件的设计。详细地介绍了基于s t c l 2 c 4 0 5 2 和p l 3 1 0 5 两款 不同型号m c u 设计而成的集中抄表器和其应用到的不同网络之间通信的调制解调装 置的设计与实现方法。讨论了近距离有线通信上存在的技术难点和改进方式，针对可 靠性和抗干扰性进行了设计。 第四，用v c + + 和汇编语言完成了系统软件的设计。实现命令和数据的可靠传输， 用电数据库的智能管理和自动巡检。 在完成系统的硬件和软件设计的基础上，对整个系统进行了联机调试和测试，根 据测试数据的分析结果改进系统，最后成功应用到了工程中。 关键词：远程抄表和检测，集中抄表器，g s m ，r s 4 8 5 总线，电力线， 以太网，可靠性，抗干扰 硕士论文智能远程抄表与检测系统研制 a b s t r a c t w j t l lt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to 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 i 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 ka n di sn o ta d a p tt ot h ep r o g r e s s o fs o c i e t ya n ym o r e h o w e v e r , w i t ht 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 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 st 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 r r e a d i n g ( a m r ) h a sb e c o m ep o s s i b l et 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 r q u a l i t ys e r v i c e s b a s e do nap r o j e c t , 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 ed e t e c t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e dt o a c h i e v et h ei n t e l l i g e mm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n gf o ra l l a p a r t m e n te 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 ta l s o i 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 ，s e v e r a lc o n v e n t i o n a lm e t e rr e a d i n gs y s t e m sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , w i t ht h e i r c h a r a c t e r i s t i c s ，e f f i c i e n c ya n ds i t e si np o 缸 s e c o n d l y ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e s i g no fa na u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga n d d e t e c t i o ns y s t e m s ，w h i c hi sa m a l g a m a t e dal o n g d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o i l sn e t w o r k s ，g s m o re t h e m e t , w i mas h o i r t - d i s t a n e ew i r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , r s 4 8 5b u so r l o w - v o l t a g ep o w e rc a b l e i t sp e r f o r m a n c ea n dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o na r ed i s c u s s e di n d e t a i l 1 1 l i r d t h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g ni sd e s i g n e d 1 f 1 1 ep a p e rd e s c r i b e sd e s i g no ft w o a u t o m a t i c l ym e t e rr e a d i n g ( a m r ) c o n t r o l l e r si nd e t a i l ，w h i c ha r eb a s e do n as t c 1 2 c 4 0 5 2 m c u ，o rap l 31 0 5m c u ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tn e t w o r k so f m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nd e v i c e s 1 1 l ea r t i c l ed i s c u s s e st e c h n i c a lp r o b l e m sa n d i m p r o v e dm e t h o d so fs h o r t - d i s t s n c ew i r ec o m m u n i c a t i o n , a n dd i s c u s s e sr e l i a b i l i t ya n d a n t i - j a m m i n gd e s i g n f o u r t h t h es y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t hv c + + a n da s e m b l el a n g u a g e n 圮 r e l i a b l et r a n s m i s s i o no fi n s t r u c t i 0 1 1 8a n dd a t ai sa c h i e c e d ，a n dt h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t o fe l e c t r i cp o w e rd a t a b a s ea n da na u t o m a t i c l yp e r a m b u l a t o r yd e t e c t i o na r eb r o u g h tt o s u c c e s s a f t e rt h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r cd e s i g n e d ，t h ed e b u g g i n go n - l i n ea n dt h e t e s to f t h ew h o l es y s t e ma r ec a r r i e do n , a n dt h es y s t e mi si m p r o v e db yt h et e s td a t aa n a l y s i s a n dt h ew h o l es y s t e mi sa p p l y e dt oap r o j e c 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 一4 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 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：蜀纽料渺7 年口7 月庐日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：汐叼年叼月口f 日 硕士论文智能远程抄表与检测系统研制 1 绪论 1 i 前言 1 1 1 抄表系统的现状 当前，我国所采用的抄表方式大致有三种。一是传统的人工抄表方式；二是i c 卡式预付费方式；三就是远程抄表方式l i j 。 ( 1 ) 人工抄表方式就是抄表人员到用户处抄写电表数据，采用这种抄表方式的地 方有：农村、县城和部分二级城市。 ( 2 ) i c 卡预付费方式是用户先购电，然后用电的一种方式，够买的电量从电力局 到用户的载体是i c 卡，抄表人员不需要到用户处，采用这种抄表方式的地方有：大部 分的二级城市和部分的一级城市。 ( 3 ) 远程抄表方式就是监控中心通过远程通信系统( 例如公用电话网、电力线载 波、数据网等) 自动获取远程仪表数据的方式。采用这种方式的地方主要是集中在发 达的大中型城市。 随着国民经济的飞速发展，“一户一表”政策的实施以及多种电价制度的执行， 常规抄表方式的质量和效率问题也逐渐暴露出来。人工抄表已明显跟不上社会的步 伐，一是不能实时的检测设备的工作状态，二是人工处理数据效率太低，容易出错， 数据不容易统计；i c 卡电表开放的读写窗口，易受外界攻击，造成控制系统失效，还 有很容易被解密，造成假卡泛滥，给物业管理部门和国家带来巨大的损失。这种方式 也不容易对电表工作状态的实时监控；现阶段远程抄表方面，主要是采用改造原先电 表的计量端子，增加传感器部分来产生计量脉冲，由采集卡采集并且由集中器来读取 用电量。可由于传感器部分的构造，致使在应用过程中，会出现计量错误，使供电部 门与用户产生纠纷。这些问题，仅靠增加抄表人员、延长抄表时问、增加抄表次数， 不仅无济于问题的解决，而且会造成整个供电部门成本上升、效益下降、管理混乱， 不利于系统的健康稳定发展。因此，当前我国国内所普遍采用的抄表方式已经越来越 难以适应现状吲。 在国外，美国、加拿大、日本和西欧等发达国家和地区，远程自动抄表系统已经 得到了广泛的应用，还成立了自动抄表协会。8 0 年代中期以来，美国在a m r 技术的 开发和应用上已取得了长足的进步。随着计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术 的高速发展，使得a m r 系统在智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计都达到了 一定的高度h 。 碗士论文 智能远程抄衰与检铡系统研制 1 1 2 成熟的通信网络 2 l 世纪，移动通信技术以惊人的速度迅猛发展，移动通信技术的进步使得高速的 无线数据应用成为可能。短消息业务( s m s ) 作为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，以其连接简单、费用低廉、覆盖范围广、实现方便等 优点得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于短消息业务的各种应用也 蓬勃发展起来 3 1 。 短消息业务与语音及传真是g s m 网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信 道进行传输，经短消息中心完成存储和转发功能，每条短消息的信息量为1 4 0 b y m 。 在短消息的可靠传递基础上，g s m 专业调制解调器的出现给g s m 的发展注入了新的 活力，它改变了传统的以语音为主要的通信手段，使g s m 网络数据通信得到广泛的 应用【4 】1 5 1 。目前市场上提供的g s m 调制解调器和模块提供了r s - 2 3 2 标准数据接口，采 用a t 指令控制，符合e t s i 标准g s m 0 7 0 7 和g s m 0 7 0 5 。基于这种技术，以g s m 网络作 为无线传输平台，给无线抄表带来了更大发展空间和灵活性 近年来，由于互联网技术、宽带网络迅速发展，使得以太网技术成为当今最成熟 的网络技术，以太网也成为许多住宅小区的基础设施。从以太网出现以来，它的发展 一直受到广泛的重视和大量的技术投入，1 0 m ，1 0 0 m 的以太网技术早己获得了广泛 的应用，1 0 0 0 m 的以太网技术也在形成之中【6 】。网络技术的快速发展，也促使了硬件 开发商对相关产品的开发。目前市场上提供的串口服务器，可以使现有的具有串口的 设备很容易的接入到以太网，以发达的互联网技术作为传输平台，给抄表系统带来了 很大的方便。 在当今社会，电力线网络是世界上最大的有线网络，电力线几乎存在于世界的每 一个角落，所以利用电力线作为信息传送信道就具有其它信道所无法比拟的优越性。 随着社会的需求和电力线载波技术的不断发展，中低压电力载波通信的技术开发及应 用出现了方兴未艾的局面，近年来，数据处理技术的进步，尤其是扩频通讯技术的应 用对推动低压载波抄表技术的进步起到了推动作用【7 j 【| 】。 1 2 本课题的意义 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g - a m r ) 是指采用通讯和计算机网络等技术自 动读取和处理表计数据。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网 络和计算机技术迅速发展的必然。在当今，移动网络和宽带网络的应用已经很成熟和 很完善，在现有的成熟的通信平台，实现数据通信，可以保证数据通信的质量和通信 的稳定度；在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重的是可 提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成帐单出错，使供电管理部门能及时准确 2 硕士论文 智能远程抄袭与检铡系统研制 获得数据信息。从社会的发展方向来看，高效率，高精度的技术是社会的发展的主流。 随着电价的改革，供电部门为迅速出帐，需要从用户处尽快获取更多的数据信息， 如电能需求量、分时电量和负荷曲线等；还有在上门抄表过程中，常常给用户带来不 便，以及社会上有利用上门抄表的理由进行犯罪活动。在供电部门和用电户双方共同 的需求下，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段，市场空间巨大。自 动抄表系统的另外附加动能也可以得到很好的开发，由于电力公司可以及时准确的了 解到用户电表的工作状态和用电情况，并且可以通过计算机的帮助，很快统计出用电 情况表。电力公司可以建立用户查询网站，在自动抄表系统的支持下，可以及时的更 新网上的用电信息，使用户及时了解自己的用电情况和及时的交纳电费。在建立和谐 社会的前提下，使用先进的科技技术作为电力部门的工具，使用户用电情况透明化， 使用户用电明了化。如果与银行建立网上连接，用户可以在及时了解自己用电的情况 下，通过银行帐户，直接在网上完成电表的预赋费。在完成这个快速便捷的系统中， 自动抄表系统将发挥重要的作用。 1 3 本课题需要做的工作 本文主要是以各种成熟通信网络为基础，以可靠、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的应用技术。本文主要是针对实际应用工程进行 的，在设计过程中，做了详细的工作： 第一章，简要介绍了国内外抄表系统现状，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。 第二章，介绍了智能远程抄表与检测系统的总体结构，以及系统的功能和性能要 求。 第三章，深入分析了g s m 和以太网的结构和通信协议，r s - 4 8 5 和电力载波的通 信特性，并确定其在系统中的通信位置。 第四章，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s t c l 2 c 4 0 5 2 和p l 3 1 0 5 的集中抄表器和不同通信网络转化接口进行详细设 与实现计，并针对工程应用作出相应的改进。 第五章，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。 同时分析不足后再傲相应的改进。 硕士论文智能远程抄表与检铡系统研制 2 智能远程抄表与检测系统 智能远程抄表与检测系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电 力线载波、无线通信或宽带网络线等通信方式，实现自动抄收各个用户的用电量、查 询各个用户电表的运行状态、设置每个用户电表的具体负载，并传送到远程监控中心， 实现抄表和记费自动化。智能远程抄表系统由监控中心( 主站) 、集中抄表器、远程监 控终端( 用户端) 和通信网络四部分组成。主站是p c 与网络通信调制解调模块组成，集 中抄表器则是单片机和两种通信网络调制解调器组成，是一个信息通信枢纽。远程控 制终端是大量的智能电表。其中，主站的p c 机完成控制参数和查询命令的设置与发 送，集中抄表器接收控制参数和查询命令并传送给终端设备，同时将所接收到的终端 设备的应答数据或操作受控设备的操作结果及状态信息回送给主站。设计中各项技术 指标都参照了国家质量监督总局颁布的规则阴。 2 1 智能抄表与检测系统的结构 本论文设计中，低层设备是以智能电表为终端，以基于v c + 十的上位机管理软件 为监控中心的主控平台，而数据交换设备是采用了集中抄表器。通信网络应用了g s m 网络、以太网络、r s 4 8 5 总线以及电力载波的电力线。智能抄表系统主要由四部分组 成：监控中心的主控平台、集中抄表器、智能电能表和通信网络。通信流程图如图2 1 1 所示。 图2 1 1 系统通信流程图 ( 1 ) 主控平台 智能抄表系统中的主控平台是指用来管理整个系统的上位机软件，它是作为用户 的一个管理平台，用户可以通过它，对智能电表发送指令、接收来自电表的数据以及 对用电户用电数据的统计、整理和打印。 ( 2 ) 集中抄表器 需要与电能表进行数据交换的设备统称为数据交换设备，在实际的自动抄表系统 中体现为集中抄表器。它的工作是中转和解释主控平台发来的命令。 ( 3 ) 电能表 自动抄表系统中的电能表是指具有电量采集、数据记录、存储以及交换能力的电 力仪表。 4 硪士论文智能远程抄袭与检测系统研制 ( 4 ) 通信网络 通信网络是指在电能表和数据交换设备之间进行数据传输的通道。它可以根据需 要表现为各种形式，如本地r s 2 3 2 通信、r s - 4 8 5 通信、电力载波通信、无线通信或宽 带网络通信等形式。通信网络一般具有覆盖面广，传输信道公开、通用的特点，有相 应的通信协议规范。 2 2 智能抄表与检测系统的基本功能和性能要求 2 2 1 智能抄表与检测系统的基本功能 智能抄表系统需要具各一定的功能，一种功能对应着抄表系统所能进行操作中的 一种具体行为。现将在本系统所具有的功能叙述如下，需要特别指出的是，因为在设 计中，软件应用了开放性的设计理念，整体设计采用模块设计，在实际的抄表系统中， 用户还可以根据实际需要增加新的功能。在介绍基本功能时引入了数据交换设备，它 在系统中体现为上位机、集中抄表器和电能表。具体功能解释如下： ( 1 ) 抄表功能 智能抄表系统利用数据交换设备，并通过通信网络读取用户电能表中计量数据的 功能，计量数据包括实时计量数据和历史计量数据。 ( 2 ) 监测功能 智能抄表系统利用数据交换设备，并通过通信网络读取用户电能表运行状态，根 据运行状态给予相应的提示功能。 ( 3 ) 参数设置功能 智能抄表系统利用数据交换设备，并通过通信网络对用户电能表中的运行参数进 行修改和更新的功能。 “) 负荷控制功能 智能抄表系统利用数据交换设备，并通过通信网络对用户电能表所控制的负荷设 备进行状态切换的功能。 ( 5 ) 学习功能 智能抄表系统利用电能表对用电设备功率的学习，可以允许使用超过电能表负荷 功率的某个固定功率的用电器。 ( 6 ) 自定义功能 可以根据用户的需要，在智能抄表系统中添加其它功能。 5 颈士论文智能远程抄袭与检测系统研制 2 2 2 智能抄表与检测系统的性能要求 ( 1 ) 数据完整性 自动抄表系统的数据完整性，可避免或检测出数据在传输过程中的错误，从而提 高数据传输的质量。本系统为了保证信号数据在传输过程中做到完整，每组数据都是 以帧的形式进行传输的，并且每帧数据都添加了帧头和帧尾。 ( 2 ) 响应时间 响应时间是自动抄表系统中要求执行命令时刻和命令执行完毕时刻之间的时间。 本系统中，数据信号在有线线路中传输时，消耗时间很短，几乎可以省略，整个响应 时间主要是体现在短信和单片机处理数据上了。短信的时间在设计时没有办法避免， 而单片机的处理时间，则通过使用高速的时钟晶体来把时间降到最低。 ( 3 ) 信息交换的安全性 信息交换的安全性包括如下两方面的内容。客户机和服务器的身份验证：身份验 证使服务器能够对客户机的身份进行控制，以便向客户机提供适当的访问权限，如果 身份验证是双向的客户机也能对服务器进行控制，以便检测设备是否被替换；交互数 据的保密性：数据的保密性用于保护交互的数据，以防可能的非授权访问。这两方面 在通信的协议中都做了响应的处理，使系统不保密性达到了一定的高度。 “) 在通信的软件设计中，还对比特差错率b e r 、残留差错率r e r 和交互数据的 保密性做了很好的处理，使得系统在运行稳定的情况下，保证数据通信的正确性和保 密性。 6 硕士论文智能远程抄表与检测系统研制 3 系统通信中应用网络 当代通信技术的迅速发展，促使了通讯网络得到了很的发展，在智能抄表应用上， 广域通信上，无线方面表现为移动通信技术，有线方面则表现为i n t e m c ! t 宽带网络； 在局域方面，有r s - 4 8 5 总线、电力载波通信、蓝牙和红外等技术。 要是把这些网络应用在工程上，就需要根据实际现场来制定通信方式。在广域通 信上( 上位机到集中抄表器之间) ，要是实际安装的楼宇，宽带布线好( 主要体现在当代 的建筑群) ，网络接口多并且方便，抄表系统通过以太网通信就比较好( 通信质量好、 速度快、实时性好、干扰小、误码低、费用低) ；但要是在楼宇中，没有或是很少有 网线接口，而再铺设专线就不合算了。这样的情况，通过移动通信网络中的g s m 或 是g p r s 通信，就很方便快捷了，它不受空间和线路的限制，而且通信质量好、误码 率低、受外界干扰小等特点。而局域，内通信( 集中抄表器到电表之间) ，则可以根据楼 字内电力线的通信情况和物业人员的工作时间情况，来确定是否采用电力载波通信。 r s 4 8 5 在通信质量上要高于电力载波，但需要铺设专用通信线路，对施工有很大要求。 为了保证本智能抄表系统不仅能正常工作，而在工程应用上达到最佳合理，在设 计中，采用了多中通信网络自由组合的方式。以下对在系统中应用到的网络做简单的 介绍。 3 1 g s m 通信网络 全球移动通信系统( g s m ) 是一种无线数字网络标准。经过十几年的发展，移动通 信业务从初期的单纯话音业务开始，逐步发展成包括短消息业务、数据业务、预付费 和v p n 等智能业务在内的多元化业务结构。经过多年的发展，g s m 技术日益成熟， g s m 系统具有成熟而广泛的应用基础，是主流移动系统的代表。而且其中的短消息 业务利用信令信道传输，不用拨号建立连接，服务费用低【1 0 - 1 2 。 3 1 1g s m 通信 g s m 系统由一系列功能单元组成，分为移动台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 、基站子系 统( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ，b s s ) 、网络子系统( n e t w o r ks u b s y s t e m ，n s s ) ，操作维 护子系统( o p 盯a t i o ns u p p o r ts y s t e m ，o s s ) 1 3 1 下面针对抄表系统的要求，对其各 单元进行分析。 基站子系统包含了g s m 数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施，它 通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络端的交换机，为移动台和 交换子系统提供传输通路，b s s 由两个基本部分组成：通过无线接口与移动台一侧相连 7 硕士论文 智能远程抄表与检测系统研制 的基站收发信机( b t s ) 和与交换机一侧相连的基站控制器0 3 s c ) 。 网络子系统包括实现g s m 的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和移动 性的所需的数据库。它由一系列功能实体构成，各功能实体阋以及n s s 与b s s 之间通 过符合c c i t t 信令系统n o 7 协议规范的7 号信令网络互相通信。它的主要作用是管理 g s m 用户和其他网络用户之间的通信。 g s m 系统采用的是频分多址( f d m a ) 和时分多址( t d m a ) 的混合多址技术，并采 用跳频方式。g s m 信道分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道为一个时隙，通常 被定义为给定1 1 ) m a 帧上的固定位置上的时隙( t s ) 。逻辑信道是根据b t s 和m s 之间传 递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道i t s i t 6 1 。 3 1 2 短消息业务 3 1 2 1 短信体系结构 分为两种。这些网关g m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e g a t e w a ym s c ) 在移动台接收短消息 蝴l 卧l i p c 瓣即手畦 医习兰生侗 s m - t p ( 短消息传送规约) 。协议s m c p ( 短消息控制协议) 、协议s m - i 也( 短消息中继协 8 硕士论文智能远程抄袭与检铡系统研制 动台己处于可以通信的状态，而该移动台先前可能越出服务范围等原因未能收到发给 他的短消息。 3 1 2 2 短信协议结构 短消息协议结构如图3 1 2 所示。包括：( s m - t l ) 、短消息中继层( s m - r l ) ，子层 和无线资源( r r ) 管理子层。在i 瀑子层，短消息业务是由诸如s d c c h 或s a c c h 控制信 道所支持。 由应用层来的短消息经过传输层、中继层的层层封装，借助于连接管理子层c m 和以下的移动管理子层m m 和无线管理子层r r 将短消息发送至i j m s c n l r 3 1 2 3 短信收发过程 短信息应用层( s m - a l ) 短信息传输层( 鲥- t l ) 短信息中缝层( s r - r l ) 连接管理子层( 叫) 移动管理子层( m 0 无线管理子层( r r ) 圈3 1 2 短消息协议层 短消息通信仅限于一个消息，一个消息的传输就构成了一次通信。移动台发短消 息和移动台接收短消息是不同的业务。 ( 1 ) 移动平台发短消息 移动用户在发短消息的时候，应指明最终收件人地址( s m e ) 和s m - s c 服务器的地 址f 嘲，短消息的传输要求在移动台和m s c 之间建立信令连接。消息本身的传递要求 在无线路径上建立专门的链路层连接，即s a p i _ 3 连接，并要求采用专门的消息传递协 议( s m - t p ) 。该协议让用户设置一个短消息的有效期，过期后，服务中心不再试图发 送此消息而是销毁它。m s c v l r 收到建立报文，它对请求进行分析以检查它是否接 受。m s c ，v l r 是否接受依赖于提供此业务的m s c l r 的容量以及资源的可用性。移 动传输实体按照至多1 4 0 字节的块形式编码短消息，把收件人s m e 地址置于协议数据 单元p d u 。经过各层被发送到m s c ，、，i 取。m s o n l i t 解开p d i j ，找到收件处s m - s c 的 地址，通过i w m s c 建立到s m - s c 地址的路由将短消息发送至s m - s c 。 ( 2 ) 移动台接收短消息 9 硕士论文 智能远程抄表与检测系统研制 当s m s c 有短消息需发送到某一g s m 用户时，它建立一条包含各种有利于接收 者的信息的s m - t ps m s d e l e r 报文，此信息包括用户的内容，最初的发送者身份 以及用于指示短消息已被s m - s c 接收的时间标志。s m - s c 把短消息发送给s m s 网关， 根据原发用户提供的目标电话号码( 典型的是用m s i s d n ) 来分辨被送的用户。s m s 网关有了m s i s d i n 就可以向相关的h l r 查询找回必要的路由信息发送短消息，如果当 时已经知道被送用户为不可及，发回的消息可以是“拒绝”。s m s 一网关用c c s 7 地址 向有关的m s c 传递消息，m s c 然后把短消息投递到移动台 1 9 - 2 1 】。 3 1 3g s m 短信在抄表系统中的应用 g s m 短消息是移动通信部门利用g s m 网络在提供电路交换的各种电信业务和承 载业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。它使得一个移动用户可以向另 一个移动用户发送1 4 0 个字符的消息。还可以从g s m 网络外发送短消息给一个移动 站。短消息的内容可以是字符或数字。短稍息通过设在移动通信部门的短消息中心用 g s m 系统的信令信道传送。即使移动终端处在通话状态下也可进行传送。在整个传 送过程中，没有呼叫连接建立和释放的过程：短消息中心具有短消息的存储功能，在 终端设备关机时，可以保持消息不丢失【1 8 】。 图3 i 3 智能无线抄表系统示意图 基于以上对g s m 的短信业务介绍，以及它所具有通话所不具有的特点，在抄表 硕士论文智能远程抄袭与检铡系统研制 系统中，引入g s m 调制解调模块，来实现远程通信。也使得系统控制主站不受空间 和线路的限制了，增加了很大的灵活性。在抄表系统中，g s m 无线通讯移动网是通 过g s m 调制解调器，建立起电力中心计算机和远程终端电表的通讯联络，以短信的 形式。电力中心是有p c 机和g s m 模块组成的主站工作系统，而由集中抄表器和g s m 模块以及智能电表组成了从站工作系统。通信示意图如图3 1 3 所示。 系统的数据传输分两个方向：一是数据下发形式，是指命令由p c 机通过o s m 调 试解调以短信的形式发出，通过移动蜂窝网络传输，从站中的g s m 调制解调以短信 的形式再接收到集中抄表器中，再经过集中抄表器的m c u 处理成电表的数据格式， 以低层的通信网络发送给电表；二是数据上传形式，电表接收命令后，按照命令进行 处理后，把需要回复的数据按照低层网络通信的格式发送到集中抄表器上，集中抄表 器再把数据处理并以短信的形式发送给主站。 3 2 以太网通信网络 3 2 1 以太网技术 随着i n t e r n e t 的广泛应用，计算机技术和网络技术得到迅速发展，促使相关技术也 逐渐走向成熟。这些不仅对人们传统的生活方式产生了巨大的冲击，而且为其他领域 技术的发展也带来了深刻的影响。基于i n t e r n e t 的远程测控技术更引起工业界的广泛关 注，并在核电站监控、石油的输送管道远程监测、电网运行监控和机器人的远程控制 等领域得到应用。基于i n t e m e t 的远程测控系统实现了数据共享，具有信息传递快捷和 交互性强等特点，推动着计量技术向着网络化、分布式和开放性的方向发展，这种发 展趋势使计量系统的功能扩展更加灵活 2 2 - 2 4 1 。在此基础上，以太网也得到了快速的发 展。 c s m a c d 是一种总线结构的网络，采用分布式控制方法。连接在总线上的各个 节点通过相互竞争的方式，获得总线的使用权。只有获得使用权的网络节点才可以向 总线发送信息帧，该信息帧被总线上的所有节点感知。c s m a c d 以太网采用载波侦 听、多路访问，冲突检测( c s m a c d ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制来解决介质访问控制( m a c ，m e d i ac c 船sc o m r o d 过程中所产生的冲突问题。 采用这种机制，网络中的每一节点在发送信息前，都会先对网络进行侦听。如果 网络忙，则处进入等待状态，直到网络空闲。否则立即发送数据帧。如果两个或多个 节点处于侦听状态，虽然此时网络空闲，但当它们同时发送信息时，发出的信息会发 生碰撞并导致信息损坏。因此在发送的过程中，节点必须同时对信息进行监听，一旦 探测到两个或多个信息之间发生碰撞，发送节点就停止发送并等待一个随机长的时间 硕士论文 智能远程抄袭与检测系统研制 后重新发送。这个随机的时间由三进制指数后退算法eb ) 1 2 习决定伫司。图3 2 1 简要地 显示了采用c s m a c d 机制在网络上发送一个数据帧的完整过程。 图3 2 1 采用c s m a c d 机制发送数据帧的过程 由以上分析可以看出，c s m a c d 技术的主要特点是：原理比较简单。技术上较 易实现：网络维护方便，增加或者删除节点容易；网络中各节点处于同等地位，不采 用集中控制方法，不提供优先级控制，各节点采用竞争的方法抢占对共享媒体的访问 权利 2 z l 。 3 2 2 以太网的帧结构 在以太网中传输的信号是以帧( f r a m e ) 的形式存在的，它是以太网中传输信息的 基本形式。在以太网中不允许非帧格式的信号存在。旦发现有非帧格式的信号就会 将其丢弃。一般又将以太网帧分为数据帧( d a mf r a m e ) 和管理帧( m a n a g e m e n tf r a m e ) 两大类。由于在远程程抄表系统中，用到的大都是数据帧，所以下面只对以太网数据 帧作简单的介绍。 以太网数据帧的格式如图3 2 2 所示。其中帧头的总长度是2 2 个字节，包括帧前序、 起始位、目的地址、源地址、数据长度璞型等标志段。其中数据长度濮型标志段为 两个字节，用于表示数据帧内不包括任何填充数据段的长度或数据帧内数据字段的数 据类型。若这个标志段的取值小于或等于1 5 0 0 ，则表示数据帧内数据字段的长度；若 这个标志段的取值大于1 5 0 0 ，则表示此数据帧要到达的上层协议的类型。紧接着数据 1 2 硕士论文 智能远程抄表与检测系统研制 帧头的是数据段，数据段的大小在4 6 - 1 5 0 0 字节之间，如果需要发送的数据长度不足 4 6 个字节，将会在填充字段填充数据使数据段补足4 6 个字节。因此规定以太网数据帧 的最小长度为6 4 个字节，以此来区分有效帧和无效帧，凡是长度小于“个字节的数据 帧都被当作无效数据帧来处理。 s l 帧前序 0 目的地址源地址数据长废 数据h 充舄校验和 f i 帧头。 7 静6 -5 字节+ 一 2 2 字节 一 图3 2 2 以太网帧格式 3 2 3 以太两在抄表系统中的应用 自动抄表系统中，集中抄表器与外界联系的是一个r s - 2 3 2 接口，这就需要一个 具有与r s - 2 3 2 通信功能以太网接口。这样，由工作站带网卡的p c 机构成了主站， 而由以太网串口服务器与集中抄表器构成了从站，从站下面带智能电表以以太网为 通信网络的自动抄表系统如图3 2 3 所示。 图3 2 3 以太网自动抄表示意图 抄表系统的数据传输有两个方向：一是数据下发形式，是指命令由p c 机通过软 件打包后，经以太网以数据帧的形式发出；从站中的调制解调以数据帧的形式把命令 接收到集中抄表器中，再经过集中抄表器的m c u 处理成电表的数据格式，通过低层 通信网络发送给电表；二是数据上传形式，电表接收命令后，按照命令进行处理后， 把需要回复的数据按照低层网络通信的格式发送到集中抄表器上，集中抄表器再把数 硕士论文 智能远程抄袭与检测系统研制 据处理并以同样的的形式发送给主站 3 3r s 4 8 5 通信网络 3 3 1r s - 4 8 5 通信技术 r s - 4 9 5 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线【2 町，具 体规格要求： 接收器的输入电阻r i n e l 2 k n ； 驱动器能输出7 v 的共模电压： 输入端的电容_ _ _ 5 0 p f ； 在节点数为3 2 个，配置了1 2 0 f 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输 出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) ； 接收器的输入灵敏度为2 0 0 m v a p ( v + ) - ( v - p _ o 2 v ，表示信号“0 ”：( 、r + ) m 琏 - o 2 v ，表示信号“1 ”】。 r s - 4 8 5 最大传输距离约为1 2 0 0 米，最大传输速率为1 0 m b s 。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，才可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。一般1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为 l m b s 。 3 3 2 影响r s - 4 8 5 总线通信速度和通信可靠性的因素 ( 1 ) 在通信电缆中的信号反射 在通信过程中，有两种信号导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连 续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反 射，如图3 3 1 所示。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的 特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。 z l l 阳 八肘! ! 到l 图3 3 ，l 由于阻抗不连续引起的信号反射 引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原 因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。 在信号分析，衡量反射信号强度的参数是r a f ( r e f e c t i o na t t e n u a t i o nf a c t o r 反射 硕士论文智能远程抄表与检测系统研制 衰减因子) 它的计算公式如式( 3 3 1 ) 所示。 r a f = 2 0 1 9 ( v 一) ( 3 3 1 ) 其中，v | c f 为反射信号的电压大小；v 为在电缆与收发器或终端电阻连接点的 入射信号的电压大小。 ( 2 ) 在通讯电缆中的信号衰减 第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以 把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路，如图3 3 2 所示。 r l r l 图3 3 2 传输电缆等效电路 电缆的分布电容c 主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对 信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感 组成的l c 低通滤波器，总线选用标准电缆，在不同波特率时的衰减系数如表3 3 1 所示。 表3 3 1 电缆的衰减系数” l通讯波特率l 1 6 m h z4 m - z3 8 4 m h z9 6 m h z l 衰减体系数0 k i n ) l 耋4 - 2 d b i 乏2 2d b l 毫4d b l 善2 5 d b l ( 3 ，在通讯电缆中的纯阻负载 影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载( 也叫直流负载) 的大小。这里指的纯阻 性负载主要由终端电阻、偏置电阻和l 璐- 4 8 5 收发器三者构成。 在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。偏置电阻的连接 方法如图3 3 3 所示。它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线上没有数据时( 空闲 方式) 的电平拉离0 电平，这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰， 挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。 图3 3 3 偏置电阻配置图 1 5 硕士论文智能远程抄表与检测系统研制 3 3 3r s - 4 8 5 总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系 在设计r s - 4