（控制理论与控制工程专业论文）基于gsm的远程用电管理系统设计.pdf

沈日l 理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的飞速发展，为了合理利用电力资源，全国范围内的电量分时计费 政策正在进行之中，用信息自动化技术进行用电管理也势在必行。因此，具有复 费率计量功能的电能表，用电管理系统也随之发展起来。城市用电管理部门资金 充足，用电用户分布集中，用电管理手段丰富。但是农电系统的情况完全不同， 用户分布广、面积大、距离远，环境复杂、用电管理人员技术力量较弱、资金有 限，需要一套性价比高的用电管理系统提高管理效率，降低运营成本。基于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 s 全球移动通讯系统) 的远程用电管理 系统正是迎合这种需要而设计的。 文章根据农电系统的特点确定了利用短消息进行远程通信的方案，构建了基 于g s m 的远程用电管理系统的系统结构，根据结构需要以s m 8 9 5 8 单片机为控 制核心设计了付费率用电控制器、基于短消息的数据集中器和手持抄表仪的硬件 电路，编写了单片机程序，开发了简单实用的计算机管理程序，对系统的可靠性 技术进行了研究和应用。文章详细阐述了整个系统的硬件电路设计和单片机程序 设计，简单介绍了计算机管理程序的开发。 完成了基于g s m 的远程用电管理系统的设计，实现了复费率计量、远程通 信和远程控制的功能。 关键词：g s m ：短消息；复费率：用电管理系统 沈日1 理- t = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , i no r d e rt om a k eu s eo fp o w e rr e s o u r c e s r a t i o n a l l y , t h et i m e s h a r i n gc h a r g i n go fp o w e rc o n s u m p t i o ni sv e r yp e r v a s i v e ，i ti s n e c e s s a r y t ou s ei n f o r m a t i o na u t o m a t i o n t e c h n o l o g y i ne l e c t r i c a l m a n a g e m e n t t 1 l e r c f o r e t h ee l e c t r o n i cw a t t h o u rm e t e rw i t hm u l t i - r a t em e a s u r e m e n tf u n c t i o na n d e l e c t r i c a lm a n a g e m e n ts y s t e mh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d t h ee l e c t r i c a lm a n a g e m e n t d e p a r t m e n t i nt h ec i t yh a sm o r ef u n d ，i n t e g r a t e dd i s t r i b u t e du s e r sa n dv 捌o u s m a n a g e m e n tt o o l s h o w e v e r , t h es i t u a t i o ni se n t i r e l yd i f f e r e n ti nr u r a la r e a s w i d e l y d i s t r i b u t e du s e r s ，w e a k n e s so ft e c h n o l o g y , l i m i t e df u n d ，s ot h ee l e c t r i c a lm a n a g e m e n t s y s t e mw i t hh i g hp e r f o r m a n c e - p r i c ep r o p o r t i o ni sn e e d e dt oi m p r o v em a n a g e m e n t e f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o s t t h er e m o t ee l e c t r i c a lm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ng 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 s ) m o d u l ei sd e s i g n e dt om e e tt h i sn e e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er u r a le l e c t r i c a l s y s t e m ，t h er e m o t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gs m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) s t r u c t u r a l l y , t h ep r e p a y m e n tp o w e rc o n t r o l l e rb a s e do ns m 8 9 5 8m c u ，t h ed a t ac o n c e n t r a t o rb a s e d o ns m sa n dt h eh a r d w a r eo fp o r t a b l em e t e rr e a d e ra r ed e s i g n e d m c us o f t w a r ei s d e s i g n e d ，t h ep r a c t i c a ls o f t w a r eo fm a n a g e m e n ti sd e v e l o p e d ，t h es y s t e mr e l i a b i l i t y t e c h n o l o g yi sa p p l i e d t h i sp a p e rd e t a i l st h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dm c u s o f t w a r e ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rm a n a g e m e n ts y s t e m t h ed e s i g no fe l e c t r i c a lm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ng s mi sc o m p l e t e d t h e s e f u n c t i o n so fm u l t i r a t em e a s u r e m e n t r e m o t ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ia r er e a l i z e d k e yw o r d s ：g s m ；s m s ；m u l t i r a t e ；e l e c t r i c a lm a n a g e m e n ts y s t e m 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 弘翥辫签惹璐，m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及目的 1 1 1 基于g s m 的远程用电管理系统设计的意义 随着我国信息自动化技术的普及，人工抄表的方式显得日益落伍，用信息自 动化技术进行抄表方式的改造，势在必行“，。另外，抄表功能也不足以满足用电 管理部门的需要，预付费与远程控制能力也即将成为现代化用电管理的主流手段。 电网的商业化运营要求电力部门全面提升管理水平m 。对于我国庞大的电力系统 而言，这一改进对电力系统本身意味着效率的提高和成本的降低。 城市用户用电管理比较方便，可以采用各种各样的抄表和管理方式，因为用 户分布集中，相对面积小。并且城市用户也是先进技术应用的受益者。因为，城 市供电容量大，电力运营部门的资金也比较充足，可以引进多种庞大的计算机管 理系统n ，。 相对于城市用户，目前，我国农电系统的特点主要体现在以下三个方面w ： 1 农电用户分布广、面积大、距离远、环境复杂。 2 电力管理人员技术力量较弱，一般专业分工不细，一个人身兼多职。 3 变电所容量较小，资金有限。 本课题针对农电系统的电力运营特点开发设计了基于g s m 的远程用电管理 系统，其的意义体现在： 首先，农电用户分布广、面积大、距离远、环境复杂，因此基于g s m 的远 程通讯能力是其他通讯方式无法比拟的，显得尤为重要。 其次，在系统设计方面，考虑到农电用户分布广，所以设计了远程预付费功 能，如此一来在系统正常运转的情况下，不需要电力管理人员去现场操作，非常 节省人力。 第三，在计算机管理软件设计方面，由于电力管理人员技术力量较弱，所以 管理软件一定要简单，容易操作，实现基本的功能就可以了，不盲目的追求功能 的复杂。 沈阳理工大学硕士学位论文 第四，在系统建设方面，利用现有的普通单费率电能表进行改造，添加了改 造设备后，用户使用的终端就具备了复费率、预付费和远程通讯能力，满足现代 化用电管理要求。 第五，作为具有使用价值的用电管理系统，除了功能上能够满足设计要求外， 系统成本是个非常关键的问题，因为在底层硬件支持中大量的使用了性价比非常 高的单片机，所以基于g s m 的远程用电管理系统的系统硬件造价低廉。 第六，在电能计量方面，课题设计的用电管理系统具有复费率计量能力，这 方面正好满足我国电价分时复费率计量和城市电力系统运营的发展方向。 第七，为防止用户窃电和用电故障，远程用电数据传输到计算机中后，进行 了一些软件处理，使系统具有一定的用电监控和数据分析能力。 第八，实际电力系统中用电终端的电能表情况( 功能和种类) 不同，设计的 用电管理系统具有很宽的适用性，能兼容多种电能表，这一点是非常重要的。 第九，任何系统都有自己适用的生命周期，系统升级空间的设计要给予适当 的考虑，基于g s m 的远程用电管理系统提供了一个电能表用电管理的构架，在 这个构架上既可以搭载单费率普通电能表使其具有复费率、预付费和远程控制的 能力，同时也兼容性能先进的多功能表，在多功能表没有普及前具有相当的使用 价值和市场空间。 最后，基于g s m 的远程用电管理系统在使用时，组网模式多样，运营成本 低廉，适合于产品化。 1 1 2 抄表系统与用电管理系统的区别 人工抄表已经比较落后了，现代化的自动抄表系统简称a m r s ( a u t om e t e r r e a d i n gs y s t e m ) 应用在不同的仪表上有不同的名称( 电能表自动抄表系统、水 表自动抄表系统和煤气表白动抄表系统等) ，主要是仪表数据的读取、数据传输和 计算机数据统计及分析“1 。从设计的角度来看，大致分为两种：一种是仪表本身 具备微处理器核心，具有数据通讯接口和通讯能力，然后再应用各种通讯方式组 成网络，最终将数据汇总到计算机中进行统一的数据统计和分析；另外一种是仪 表本身不具备数据通讯接口，需要附加数据采集设备，附加的采集设备具有数据 通讯接口，利用采集设备组成网络的底层，进行组网，最终也将数据汇总到计算 2 第1 章绪论 机中进行数据统计和分析“1 。 现代用电管理系统的范畴包含了电能表自动抄表系统，需要有发出控制指令 的能力，不单要读取电能表的数据，进行预付费管理，还要根据不同的情况( 恶 意欠费和用电异常等) 对用户进行供电的控制。其组网的方式与抄表系统相同， 或者是直接应用具有通讯接口的电能表，或者附加有通讯接口的采集设备。 1 1 3 用电管理系统中的复费率电能计量方式 随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大，不同时间电力负荷不平 衡的现象越来越突出m 。为鼓励用户在用电低谷时段用电，缓解用电紧张，用电 管理部门建立了分时段计费计量的售电措施，这种理论也称为实时电价理论。目 前世界各发达国家的电力市场都是建立在实时电价理论基础上的分时竞价机制， 以达到资源优化配置的效果，实时电价理论己为当今学术界及电力工业所接受并 普遍应用于电力市场的设计和营运中。为了合理利用电力资源，我国电力部门对 用户的用电量分时计费的政策也正在推广进行中，复费率的概念也就是实时电价 理论的最直接体现。 1 1 4 复费率计量中时段电价的确定 在电力市场运营模式下，电力企业在考虑系统运行的安全性和可靠行的同时， 必须把经济效益放在重要位置。复费率计量中时段电价的确定是在政府的相关规 定的政策范围内，根据区域电价情况，运用相关的实时电价理论推算出时段电价 的”】。 1 2 相关问题研究的现状 1 2 1 自动抄表系统的研究和应用现状 目前，许多国家和区应用了远程抄表技术。所使用的通信媒体包括：红外线、 双绞线、无线电台、电话线、光纤、电力线、同轴电缆及公共网络等，大部分都 采用这样的构建方式：采集终端得到的数据，利用总线方式进行底层通讯，再由 沈阳理工大学硕士学位论文 集中器统一发送数据到主计算机。但各种系统方案根据自身设计的终端，数据的 传输方式，都具有各种不同的特点和适用范围，可见，抄表系统的解决方案都是 有针对性的，没有一种方案占有绝对优势，适合于所有的情况和地区。因此，各 地区和国家纷纷采用适合自己国情的方案，有些国家特制定了自己的、适用远程 抄表技术的家庭自动化通信标准。 在美国，用于家庭自动化和娱乐的技术推广，选择了( e i a ) 的c e b u s 标准。 在日本，多家家用电器公司也组成了类似组织称作“e c h on e t w o r k c o n s o r t i u m ”，并开发了o p u s ( o p e n p l a n e tu n i v e r s a ls t a n d a r d ) 标准，用于实现 家用电器网与万维网( w a n ) 之间的连接，从而解决了房间外部与内部电器之间的 通信。利用该种方式也可解决家用电器控制和自动抄表问题。 在欧洲，c e n e l e c 通过家庭与楼字电器系统( h b e s h o m ea n db u i l d i n g e l e c t r o n i cs y s t e m ) 委员会t c l 0 5 和主干( 电) 网通信系统( m a i n sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 委员会s c 1 0 5 a 建立了若干标准起草工作组。但是，至今还没有统一的设 计”1 。 国内用于抄表的技术有很多种，如人工抄表，r s 4 8 5 ，红外线和电力线载波 等。其中r s 4 8 5 和红外抄表的技术比较成熟，并且被广泛采用，电力线载波抄表 只能在小范围内使用。r s 4 8 5 抄表需要布线。如果一栋大楼已经完工，重新布线 是很困难的；红外抄表虽然不用布线，但仍需人工抄表，同时由于光线等方面的 影响，在保证数据传输的可靠性的前提下，如何增加红外通讯的通讯距离始终是 系统设计的一个难题；由于受技术及国内电网客观条件的影响，电力线载波抄表 仍存在许多技术问题“。 1 2 2 用电管理系统的研究和应用现状 目前在国内，一部分用电管理系统指的是一个很复杂的计算机软件系统，软 件集负荷监控、负荷预测、远方抄表、购电控制、催收电费、计量监察、电压监 测、配变监测、电子传票、线损分析、谐波管理、地方电厂数据采集、用户服务 等多种功能和门类于一体的现代用电管理系统n - 一。这种系统是基于数据管理和分 析的计算机软件系统，数据的来源是计算机或者是互联网，而不包括数据的现场 采集和现场执行机构。另一部分是真萨的用电管理系统，包括数据采集和远程动 4 第1 章绪论 作能力，但这种系统主要应用与无人值守变电站，变电箱，造价昂贵，针对的是 大负荷变电站开关设备。由于不满足于数据上传的抄表功能，近年来逐步开始出 现了针对低压终端用户群的用电管理系统，各个仪器仪表厂家也在探索之中，目 前没有统一的国家标准出台，因此这个应用的领域仍然有很长的路需要走。 1 - 3 主要工作 1 设计基于g s m 远程用电管理系统的硬件系统： ( 1 ) 复费率用电控制器。具有r s 4 8 5 、红外线接口，并利用现有多个、多相、 多种电能表的输出脉冲信号，对用户的用电情况进行相应的数据记录、数据传送、 用电控制控制( 如：通断电) ，并实现复费率计量，预付费和用电数据显示功能。 ( 2 ) 手持抄表仪。利用红外线通讯方式，用于非远程控制的无线操作，是不 使用远程通讯，抄表不方便( 如控制器在变压器附近的高处) 、现场调试以及远程 数据传输失效时的操作设备。 ( 3 ) 基于s m s 的数据集中器。用电管理的计算机主机通过短信模块与远方的 数据集中器通信，实现用数据远程传输。 2 设计基于g s m 远程用电管理系统的计算机软件： 计算机管理软件具有用户管理，参数设置，数据统计、分析，单据打印，与 g s m 模块通信等功能。 1 4 课题的设计目标 课题最终的目标是针对农电系统的特点，设计出一套完整的远程用电管理系 统，它是一套以g s m 平台的短信息为数据传输通道，以复费率用电控制器为数据 采集和控制执行终端，以具有短信息收发能力的数据集中器为数据枢纽，以计算 机为数据管理核心的系统。系统能够实现复费率计量、预付费、欠费断电、红外 抄表，红外售电，远程抄表、远程售电和所有相关数据的计算机管理功能。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 5 论文内容 论文的主体分为五章，内容安排如下： 第一章，介绍了课题研究的背景及意义，用电管理系统的应用现状，为本文 做以铺垫。 第二章，g s m 网络技术简介。因为课题设计的远程用电管理系统是依托于g s m 公共网络的，所以在这里对g s m 的一些相关的技术作一点介绍。 第三章，系统硬件设计及实现。详细的描述了基于g s m 远程用电管理系统的 各个硬件部分的设计过程，从硬件框图，到电路设计，每一个部分都叙述了实现 方法。 第四章，系统软件设计及实现。本章分为两个部分叙述系统软件的设计，其 一是结合系统硬件的单片机软件设计及实现：另外一部分是介绍了基于g s m 远程 用电管理系统的计算机管理软件的模块的设计及实现。 第五章，系统可靠性设计技术研究。叙述了与系统可靠运行的相关技术研究 和在本系统中的应用。 最后的结论部分，对课题所做工作在各个方面作以总结，说明工作的先进与 不足之处，并以此为基础对下一步工作以及用电管理系统的发展提出一些展望。 第2 章g s m 通讯系统相关技术简介 第2 章g s m 通讯系统相关技术简介 g s m 是1 9 9 2 年欧洲标准化委员会统一推出的，全称是g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，简称g s m ，意为全球移动通信系统“”。它是欧洲8 0 年代 末研制出来的、以数字为主的第二代移动电话系统，是全球最成熟的数字移动电 话网络标准之一，用的是窄带时分多址( t d m a ) ，允许在一个射频同时进行8 组 通话。能提供非话业务及全面的语音、文字和数据业务，并提供一些诸如短消息 服务、语音信箱、呼叫转移等的增值业务。随着用户不断的增长和数字通讯的发 展，又出现了c d m a 、w c d m a 等数字通信系统，但目前g s m 技术最成熟，而 且它以o s i 为基础，技术标准公开，发展规模最大，已经建成的覆盖全国的g s m 数字蜂窝移动通讯网，是我国公众移动通讯的主要方式。 g s m 数据业务是基于电路交换的数据业务，提供9 6 k b p s 的接入速率，这也 是目前网上设备都支持的一种业务”。g s m 采用的是数字调制技术，其关键技术 之一是时分多址( 每个用户在某一时隙上选用载频，且只能在特定时间下接收信 息) ，因此其话音清晰，保密容易，能提供的数据传输服务较多。 2 1g s m 通讯系统的组成 g s m 通信系统主要由移动交换子系统( m s s ) 、基站子系统( b s s ) 和移动 台( m s ) 三大部分组成，如图2 1 所示。其中m m s 与b b s 之间的接口为a 接 口，b s s 与m s 之问的接口为u m 接口。g s m 规范对系统的a 接口和u m 接口 都有明确的规定，也就是说，a 接口和u m 接口是开放的接口”。 1 移动交换子系统m s s 。完成信息交换、用户信息管理、呼叫接续、号码 管理等功能。 2 基站子系统b s s 。b s s 系统是在一定的无线覆盖区中由m s c 控制，与 m s 进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户的接人和寻呼、信息的传送等 功能。 3 移动台m s 。m s 是g s m 系统的移动用户设备，它由两部分组成：移动 终端和客户识别卡( s i m 卡) 。移动终端可以完成话音编码、信道编码、信息加 沈阳理工大学硕士学位论文 密、信息的调制和解调、信息发射和接收。 图2 1g s m 通讯系统的组成 4 操作维护子系统。g s m 子系统还包括操作维护子系统( o m c ) ，对整个 g s m 网络进行管理和监控。通过它实现对g s m 网络内部各种部件功能的监视、状 态报告、故障诊断等功能。 2 2g s m 网络主要参数 主要参数n 飞 频段：9 3 5 9 6 0 m h z 基站法，8 9 0 9 1 5 m h z 移动台法 频带宽度：2 5 m h z 通信方式：全双工 载波间隔：2 0 0 m h z 信道分配：t d m a 每载波8 时隙，全速信道8 个，伴速信道1 6 个 信道总速率：2 7 0 8 3 k b s 调制方式：g s m k 调制指数0 3 数据速率：9 6 k b s 每个时陈信道比特率：2 2 8k b s 2 3s i m 卡功能 ( 1 ) 功能简介 s i m 卡的主要完成两种功能：存储数据( 控制存取各种数据) 和在安全条件 第2 章g s m 通讯系统相关技术简介 下( 个人身份号码p i n 、鉴权钥l ( i 正确) 完成客户身份鉴权和客户信息加密算法 的全过程。此功能主要是由s i m 卡内的一部具有操作系统的微处理机完成。芯片 有八个触点，与移动台设备相互接通是在卡插入设备中接通电源后完成。此时， 操作系统和指令设置可以为s 1 m 提供智能特性。 s i m 卡智能特性的逻辑结构是树型结构。全部特性参数信息都是用数据字段 方式表达。即在根目录下有三个应用目录，一个属于行政主管部门应用目录，两 个属于技术管理的应用目录，分别是g s m 应用目录和电信应用目录。所有的目 录下均为数据字段，有二进制的和格式化的数据字段。数据字段中的信息有的是 永存性的即不能更新的，有的是暂存的，需要更新的。每个数据字段都要表达出 它的用途、更新程度、数据字段的特性( 如识别符) 、类型是二进制的还是格式化 的等。 s i m 卡除了存储正常的数据字段，也存储有非文件字段，如鉴权钥、个人身 份鉴权号码、个人解锁码等数据。 ( 2 ) 功能配置 位置信息 这种功能所配置的数据字段为6 f t e ，用于存储客户临时身份识；b i j ( t m 5 1 ) 、 位置区识另i ( l a r ) ，临时身份的有效时n ( t m s m m e ) 、位置更新状态。这样，既 能保证客户的移动性，又能很快地寻找到客户移动后的新位置。 缩位拨号 这种功能所配置的数据字段为6 f 3 a ，用于存储客户电话号码、被叫客户子 地址识别符、网路承载能力识别符等。这种功能客户可在移动设备的键盘上完成。 短消息 这种功能所配置的数据字段为6 f 3 c ，用于存储移动设备从网路端接收的短消 息，以及移动台发起的短消息。 计费 这种功能所配置的数据字段为6 f 3 9 ，用于存储所有的呼叫话费信息，即在客 户通话结束后的最终话费m ，。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 4g s m 通讯系统的特点 1 频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技 术，使系统具有高频谱效率。 2 容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载干比要求降低至4 d b ， 故g s m 系统的同频复用模式可以缩小到4 1 2 或3 9 甚至更小( 模拟系统为7 2 1 ) ； 加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使g s m 系 统的容量效率( 每兆赫每个小区的信道数) 比t a c s 系统高3 5 倍。 3 话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及g s m 规范中有关空中接口和话 音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质 量无关。 4 开放的接口。g s m 标准提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报 刊网络直接以及网络中各设备实体之间，例如a 接口和a b i s 接口。 5 安全性。通过鉴权、加密和t m s i 号码的使用，达到安全的目的。鉴权用 来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由s i m 卡和网络a u c 的密钥决定。 t m s i 是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防有人跟踪而泄漏其地理 位置。 6 与i s d n 、p s t n 等的互连。与其他网络互连通常利用现有的接口，如i s u p 或t u p 等。 7 在s i m 卡基础上实现网络漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着 用户可以从一个网络自动进入另一个网络。g s m 系统可以提供全球漫游，当然也 需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。在g s m 系统中，漫游是在s i m 卡 识别号以及被称为i m s i 的国际移动用户识别号的基础上实现的。这意味着用户 不必带着终端设备而只需带着他的s i m 卡进入其他国家即可。终端设备可以租 借，仍可达到用户号码不变，计费账号不变的目的m 。 2 5g s m 移动通信网络业务 g s m 移动通讯网能提供6 类1 0 种电信业务，其业务编号、名称、种类和实 第2 章g s m 通讯系统相关技术简介 现阶段见表2 1 所示“。 表2 1 电信业务分类 分类号电信业务类型编号 电信业务名称实现阶段 1 话音传输 1 1 电话 e 1 1 2 紧急呼叫 e 1 2 短消息业务 2 1 点对点m s 终止的短消息业务 e 3 2 2点对点m s 起始的短消息业务a 2 3 小区广播短消息业务 f s 3m h s 接入3 1 先进消息处理系统接入a 4 可视幽接入 4 1 可视图文接入子集1a 4 2 可视图文接入子集2a 4 3可视图文接入子集3a 5智能用户电报传递5 1智能用户电报a 6 传真 6 1 交替的语音和三类传真透明 e 2 ， 交替的语音和三类传真非透明a 6 2 自动三类传真透明 f s 自动三类传真非透明 f s 2 6s m s 短信息业务的特点 s m s 短信息服务作为g s m 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运 营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。由于g s m 具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，极大提高了网络覆盖范围的同时为 客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。它对用户的数量也没有限制，克服了传 统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量 有限的缺陷。与传统的集群系统在无线网络覆盖相比，具有无法比拟的优势，加 上g s m 的s m s 本身具备的数据传送功能，使得这些应用得到迅速的普及。双向 数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通讯提供了一个强大的 支持平台一一”。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 7 本章小节 本章对g s m 相关的网络通讯技术进行了介绍，包括g s m 通讯系统的组成， g s m 网络的主要参数，s i m 卡功能，g s m 通讯系统的特点，移动通信业务以及 本课题使用的s m s 短信息业务的特点。正是因为g s m 通讯系统的这些特性，所 以课题选择了它作为系统的远程通讯方式，也为后面的介绍做了铺垫。 第3 章系统硬件设计及实现 第3 章系统硬件设计及实现 本章将详细叙述基于g s m 的远程用电管理系统的硬件平台设计及实现过程。 重点叙述硬件设计中根据工程实际的要求进行的方案设计、器件选择及电路设计， 也是课题的重点部分之一。 3 1 系统硬件设备描述 基于g s m 的远程用电管理系统设备如图3 1 所示： 多孑乏多多7 回团回国画回国画 图3 1 硬什设备结构示意幽 基于g s m 的远程用电管理系统的硬件设备包括：复费率控制器、数据集中 器、手持抄表仪和连接短信模块的计算机系统。 系统的应用方案：一台计算机，手持抄表仪，复费率控制器若干，数据集中 器若干。 用户将预付的电量存储进复费率用电控制器，复费率控制器采集并计量电能 沈研1 理工大学硕士学位论文 表的脉冲，直到预付的电量不足时切断这个用户的供电电源，每一个控制器最多 可以采集8 个脉冲输入。 控制器之间采用r s 4 5 8 总线通讯的方式与一个数据集中器相连，在总线中数 据集中器是主机，通过呼叫的方式与每一个控制器进行通信，读取每一个控制器 的计量数据，并向每一个控制器下载预付电量和复费率计量的标准。 数据集中器利用短消息与主管计算机之间进行数据的传输。最终实现了远程 的用电管理。 手持抄表仪与控制器之间是可以进行红外通讯，其功能与数据集中器相同， 但不具备短消息通讯的功能，它与计算机之间采用r s 2 3 2 接口进行数据通信。 整个系统的硬件设备，除了主计算机以外，复费率用电控制器、数据集中器 和手持抄表仪都采用了当今主流的单片机技术进行的开发设计。采用了模块化的 设计方法，使硬件电路设计具有通用性，在微处理器的选择上，选用了同一种单 片机s m 8 9 5 8 。 3 2s m 8 9 5 8 单片机简介 s m 8 9 5 8 单片机是新茂国际科技股份有限公司生产的，标准8 0 5 1 系列的带 f l a s h 存储器的s m 8 9 x x 系列家族中的一款m - 。课题中我们选用的是p l c c 封装 的s m 8 9 5 8 ( 如图3 2 ) ，在这里简介如下。 1 总体描述： s m 8 9 5 8 系列产品是一种内嵌3 2 k 字节闪存和1 k 字节片上r a m 的8 位单片 微控制器。它是8 0 c 5 1 微控制器家族的派生产品。s m 8 9 5 8 的p d i p 封装有3 2 个 v o 口，p l c c o f p 封装则有多达3 6 个f o 口且片上3 2 k 字节的闪存既可以当作 程序空间，又可以当作数据空间，或者数据和程序混合空问。由于它的这些硬件 特征和强大的指令系统，使得它成为一种性能价格比很高的控制器。片上闪存可 以使用商用编程器通过并口进行编程。 2 s m 8 9 5 8 特性描述如下： 工作电压：4 5 v 5 5 v 一编程电压：1 2 v 与通用8 0 c 5 1 家族产品完全兼容 1 4 第3 章系统硬件设计及实现 每个机器周期为1 2 个时钟周期 3 2 k 字节片上闪存 1 0 2 4 字节片上数据r a m 3 个1 6 位定时计数器 p d i p 封装又4 个8 位i 0 口 p u 笼封装具有4 个8 位加口， 外加1 个4 位i o 口 全双工串口通道 位操作指令 页自由跳转 1 8 位无符号除运算1 1 8 位无符号乘运算l l b c d 码运算 直接地址访问、简介地址访问 嵌套终端 两个中断优先级 1 个串行i 0 口 省电模式：空闲模式和掉电模式 工作时钟为2 5 4 0 m h z 代码保护功能 1 个看门狗定时器( w d t ) 低e m i ( 禁止a l e ) 3 3 通讯接口电路设计 ”寸n 一一荨雩等；导 = 0 高高瓮高葛器罱高焉 图3 2 p l c c 封装 在整个系统设计中，数据通信是必不可少的重要部分，整个系统的各个小的 硬件系统相互通信的根本渠道就是：硬件接口标准。在整个系统各个部分的设计 中，有几种通讯接口电路是一样的，为了在以后的各个都分中不重复的叙述，在 这罩统一介绍一下，它们是：红外线通讯接口、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通讯接口。 1 红外线通讯接口电路设计i 删 1 5 一 鲳”弘”弛钉如砷 釜芑器留磐莹莲晰毽 窑一。山莹 8 翌 卯 疗一一o_ii 鳄 一)(阁_一=i 憾 c i 山 s 叶一 孙躅喜苣 5 6 7 8 芟0 1 2 3 4 眦|曼mm腿脚胁主!睇蹦 高山r呈丁azo丁_li一置rn一i】(r 一口邑禽tl r 鱼。口cd r 、j1l 一 1 一 站 一 p 一 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 一 一 沈降l 理工大学硕士学位论文 在电力系统中，电能表使用红外通讯规定n ，；根据红外通讯的特点设计电路 如下图3 3 。红外载波为频率3 8 k h z 使用单片机内部的定时器的p w m 功能实现， 将待发送的二进制数据调制成一系列的脉冲串信号后采用脉宽调制p w m 方式发 射出去【2 1 。图中的t x d 是调制后的脉冲信号。待发送二迸制数据的“0 一或“1 一 控制两个脉冲串之间的时间间隔，即p w m 的占空比。作为默认的通讯接口。 。号= _ 图3 3 红外通讯接口电路图 图中t s a l 6 2 0 0 为红外线发射二极管，t s o p l 8 3 8 为红外线接收头，d r i v e 为通道的驱动器件，然后与串行口的t x d 、r x d 相连，即利用串行口进行红外 通讯。 2 r s 2 3 2 接口电路设计w 在课题所设计的系统中，在集中器，手持抄表仪的设计中都有r s 2 3 2 接口电 路，其通用结构如图3 4 r s 2 3 2 的接口芯片有很多种，各种电平标准的也不同，但是它们共同的特点 是外接电容和连接方法，图中的电路就是它们通用型的典型电路，左边是符合 r s 2 3 2 电气标准的接口，右边是单片机的串行接口1 1 几电平标准。 屿盟 图3 4r s 2 3 2 通用型的典型电路 第3 章系统硬件设计及实现 3 r s 4 8 5 接口电路设计“” 在现场用电控制器之间采用的是r s 4 8 5 的通讯方式，电路原理如图3 5 ： m c u 攀r 1 r 21 v c cl 一+ 5 v m a x 4 8 5 品。 r x dr o u r 1。r s 4 8 5 p a a b a _ l o g n d r e o d e b 珊d n g n d g n d 图使用隔离电源的接口电路图 图3 5 中所示的电路原理图是可靠性设计的一种电路，左侧的单片机 串行口和控制口使用光电隔离传输信号，在电路上单片机系统和通讯接口 电路的电源是分离的，这样有利于保护单片机系统的独立正常运行。输出电路的 设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较 复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以总线的传输端一定要加有保护措施。 在电路设计中采用稳压管 、组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的t v s 瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的芯片( 如 等) 。 考虑到线路的特殊情况( 如某一台分机的芯片被击穿短路) ，为防止总 线中其它分机的通信受到影响，在接口的信号输出端串联了两个2 0 q 的电阻 、。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。 在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为 q 左右，所以线路设计时，在 网络传输线的始端和末端接口处各应接 只q 的匹配电阻( 图中凡姐) ，以减少线路上传输信号的反射。 由于 一 芯片的特性，接收器的检测灵敏度为，即差分输入端 一v b =，输出逻辑，v a v b 一2 0 0 m v ，输出逻辑0 ；而a 、b 端 电位差的绝对值小于时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止 时，接收器输出逻辑0 ，这会误认为通信帧的起始引起工作不讵常。解决这个问 题的办法是人为地使a 端电位高于b 两端电位，这样的电平在总线不 发送期间( 总线悬浮时) 呈现唯一的高电平，单片机就不会被误中断而收到乱字 t 沈阳理工大学硕士学位论文 符。通过在4 8 5 电路的a 、b 输出端加接上拉、下拉电阻r 7 、r 9 ，即可很好地解 决这个问题1 。 3 4 复费率用电控制器设计 3 4 1 复费率用电控制器框图 在课题设计的用电管理系统中，最基本数据的来源和指令执行机构是具有脉 冲计数和通、断电控制能力的控制器，我们称为用电控制器( 实物见附录图1 ) ， 原理框图如下图3 6 所示： 尉： 脉冲采集 l 用电数据r 一 l 扒 数据存贮： 暨 中央处理器 r 1 用电数据、预付费数据 i 提供时间| 一 等待唤醒 图4 1 2 手持抄表仪主程序流程 单片机系统的软件模块具有通用性，关于各个硬件设备只介绍了其中的几个 软件模块，重复的部分没有累述。 沈阳理工大学硕士学位论文 4 1 4 通讯协议 1 r s 4 8 5 通讯协议 根据多功能电能表通信规约d l t 6 5 4 1 9 9 7 规定，复费率用电控制器和数 据集中器之间的通讯规约如下如图4 1 3 ： ( 1 ) 初始波特率：1 2 0 0 b p s ： ( 2 ) 通信字节格式为8 位； ( 3 ) 1 个起始位( 0 ) ，1 个奇偶验位p 和1 个停止位( 1 ) ，共1 1 位； ( 4 ) 传输时低位在前，高位在后。 图4 1 3 多功能电能表通信格式 2 自定制数据帧格式 在红外通信、r s 4 8 5 和r s 2 3 2 通信时使用了相同的自定制数据帧格式，采用 帧头+ 数据+ 校验+ 帧尾的结构进行通信，具体格式如图4 1 4 ： 传送顺序 c r c 校验 图4 1 4 数据链路层的帧格式 为了保证数据传输的可靠性，降低误码率，由图中可知，这里采用的校验算 法是循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) ，因为这种算法检查错误和纠 错能力强，并且已经在通信与测控领域广泛得到了广泛的应用。 在课题设计中，定义从数据的第3 字节到第( n 3 ) 字节进行c r c 1 6 多项式 计算。自定制数据帧格式通用于复费率用电控制器、数据集中器和手持抄表仪、 同样也是短信息通讯时的标准格式。 第4 章系统软什设计及实现 4 2 计算机管理软件的设计及实现 系统使用m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 作为后台，而在| j i 端使用a d o 作为数据访问 接口，应用层采用v i s u a lb a s i c6 0 开发。 4 2 1c s 结构设计 根据管理系统安全、快速、稳定及方便的要求，售电管理系统采用客户机 服务器模式( c l i e n t s e r v e r ) 。客户机是指运行用户服务请求程序，并将这些请求传 送到服务器的计算机；服务器是指管理数据资源，响应并受理由客户机发出的请 求，并将计算结果传送给客户机的计算机，服务器可以接受多个客户机的请求， 将请求排队或同时处理。c s 是麻省理工学院的f o r r e s t o e rr e s t r a c h 于1 9 9 8 年提 出的一种计算模式，定义台式机如何与网上服务器实现数据和应用软件共享的技 术。 远程用电信息管理系统中，采用了三级客户机服务器模式，如图4 1 5 所示。 图4 1 5 系统三级c i s 示意图 三级客户机朋务器中的三级不是指物理结构上的三级而是指逻辑结构上的 三级。它把应用系统分为三个逻辑级部分：第一层是客户方程序，第二层是应用 沈阳理工大学硕士学位论文 程序服务器，第三层是数据管理( d b m s ) 服务器。 在多层体系结构中，由于服务器集中实现了应用逻辑，客户程序可以把重点 放在显示数据和与用户交互上，客户程序甚至都不需要知道数据存储在哪儿，具 体来说，多层的体系结构具有如下优势：在一个共享的中间层封装了应用逻辑， 不同的客户程序可以共享同一个中间层，而不必让每个客户程序单独实现应用逻 辑。客户程序可以做得很小，因为很多复杂的工作由应用服务器代劳了，客户程 序只需关注用户界面本身。小的客户程序更容易发布、安装、配置和维护。同时， 客户机本身可以采用廉价的计算机来实现，降低了系统的总造价。通过分布式数 据处理，把一个应用程序分布在几个机器上运行，可以提高应用程序的性能，通 过冗余配置还可以保证不会因为局部故障导致整个系统