（控制理论与控制工程专业论文）基于uclinux的燃气远程抄表系统设计与研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 基于u c l i n o x 的燃气远程抄表系统设计与研究 摘要 燃气远程抄表系统用于城市中智能小区抄表，解决了过去靠人工入户抄表的难 题，使燃气管理部门、小区物业公司的抄表业务实现信息化和智能化。 本论文讨论了燃气远程抄表系统硬件和软件的研制和开发，重点讨论了燃气用量 采集以及系统中的数据传输问题。燃气远程抄表系统利用u c l i n u x 嵌入式操作系统的 网络功能对通信功能进行了完善和提高。该系统管理软件是采用d e l p h i 软件平台研 制开发的，它的核心功能实现了网络通信和利用a d o 的数据库管理。 关键字：燃气远程抄表系统，数据传输，网络通信，u c l i n u x ，d e l p h i ，数据库，a d o 硕士论文 a b s t r a c t t h e i n t e l 】i g e n tr e m o t eg a sm e t e r - r e c o r d s y s t e mi su s e dt oc h e c k i n h a b i t a n t s m e t e r si nm o d e r nr e s i d e n t i a la r e a s ，a n di t sb o r nh a ss o l v e dt h e t r a d i t i o n a lp r o b l e mo fc h e c k i n gm e t e r sb yh a n dt a c k l ea n dm a d et h e s e p r a c t i c e s i n f o r m a t i o n i z e da n di n t e l l i g e n t e do fg a ss u p p l yd e p a r t m e n t sa n dp r o p e r t y m a n a g e m e n tc o m p a n ie s t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt os t u d ya n dd e v e l o pt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h i ss y s t e m t h ec o r eo ft h es y s t e mi sh o wt or e a l i z et h ec o l l e c t i n gd a t a a n dt h ed a t at r a n s m is s i o n t h i ss y s t e mt a k e st h ea d v a n t a g e so ft h en e t w o r k c a p a b 儿i t yo fu c l i n u xt oi m p r o v et h ef u n c t i o n so fc o m m u n i c a t i o n t h es o f t w a r e u s e dt om a n a g ei n f o r m a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e db yd e l p h i t h em a i nt e c h n o l o g y a p p l i e dd u r i n gt h ec o t l r s eo fd e v e l o p i n gt h i ss o f t w a r ei st h er e a l i z a t i o no f c o m m u n i c a t i o ni ni n t e r n e ta n do fa d m i n i s t e r i n gd a t a b a s eb ya d o k e yw o r d s ： t h ei n t e ll i g e n tr e m o t eg a sm e t e r r e c o r ds y s t e m ，d a t a t r a n s m i s s i o n ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，u c l i n u x ，d e l p h i d a t a b a s e ，a d o 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：垄j 旦塾垫劳。j _ 年月，j 1 j 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全部或部分内容，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全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盐丑! 鱼虫。b 。睥6 月f 用 南京理工大学硕士学位论文 基于u c l i n u x 的燃气远程抄表系统设计与研究 1 绪论 1 1 嵌入式系统概论 嵌入式系统已有3 0 多年的发展历史，其中包括了嵌入式系统硬件和软件交替螺 旋式发展的过程。虽然嵌入式系统在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、 船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等领域都得n t 广泛应用，但目前嵌入式 系统本身的定义却相对较为模糊。 国内普遍看法是将嵌入式系统定义为“以应用为中心、以计算机技术为基础、软 硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要 求的专用计算机系统。”其中，嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等部分组成。“1 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术等各领域的具体应用 相结合的产物。它的设计与具体目标相结合，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的 核心元件为嵌入式处理器，通常都具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点， 能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使嵌入式系统设计 趋于小型化、专业化，使其移动能力大大增强。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌 入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或处理器的内部存储器件中。 从国家战略目标与产业发展来看，嵌入式技术是实现传统制造业转型与提升的关 键技术，对整体提升我国制造业的竞争能力、大幅度地增强我国自主创新能力意义重 大。目前，国家十分重视设立专用计划与项目，推动嵌入式技术进步与快速发展。基 于嵌入式技术的应用和技术创新，也将推动新产品、新产业的诞生。 新一轮汽车、通讯、信息电器、医疗、军事等行业中巨大的智能化装备需求拉动 了嵌入式技术的发展。嵌入式系统面向特定应用领域，根据应用需求定制开发，并逐 渐向各个领域的智能化产品中渗透。随着软件技术的不断革新，硬件平台的处理能力 不断增强，硬件成本不断下降，嵌入式技术已成为产品的数字化改造、智能化增值的 关键性、带动性技术。 互联网时代的到来，为嵌入式系统的发展提供了更为广阔的空间，使得嵌入式技 术更具生命力。目前，互联网技术只连接了5 左右的计算装置，大量的嵌入式设备 急需网络连接来提升其服务能力和应用价值。从另一方面考虑，互联网的发展对嵌入 式系统技术提出了更高的要求和挑战，其中主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵 活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理等方面。嵌入式设备将以各种形 态分布在人们生活工作当中，提供更加人性化、自然化的服务。“。 1 第一章绪论 硕士论文 i 2 嵌入式操作系统及u c l i n u x 概论 通用操作系统概念可以从三方面阐述：第一，操作系统是直接操控硬件并支撑应 用程序运行的软件。第二，操作系统是实现所有应用程序都需要的基本功能的软件的 集合。第三，操作系统是所有实现必要功能的软件集合，而且这软件集合并不是由任 何应用程序提供的。”“ 嵌入式操作系统继承了通用操作系统的特点，也对其进行了适当的修改，使之更 能适应嵌入式系统的要求。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效 性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专业性等方面具有更加突出的特点。 嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它已经成 为嵌入式系统中极为重要的组成部分。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱 动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。目前嵌入式操作系统的 品种较多，据统计仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有4 0 余种。由于嵌入式系统 对实时性、稳定性和可靠性等方面要求较为严格，因此使得实时性成为区分嵌入式操 作系统的重要标准之一。一般可将嵌入式操作系统分为两类：一类是面向控制、通信 等领域的实时操作系统，如风河系统公司的v x w o r k s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 公司的n u c l e l l s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，主要应用于个人 数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等产品。由于大多数嵌入式 操作系统都具有一个多任务核心，以满足嵌入式系统多任务的需要。对于系统核心的 功能而言，虽然各种嵌入式操作系统差异较大，但是其均需完成以下基本任务：进程 间通讯、线程调度、中断和内存管理等。 l i n u x 从1 9 9 1 年问世发展至今，已经成为功能强大、设计完善的操作系统之一， 在嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式l i n u x 是对标准l i n u x 操作系 统经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几k 到几m 的存储器芯片或者单片 机中，适合于特定嵌入式系统应用场合的专用l i n u x 操作系统。近年来，嵌入式 l i n u x 的开发和研究己成为嵌入式操作系统领域中的热点之一。目前已经成功开发的 嵌入式系统中，大约有一半使用的是嵌入式l i n u x 。这些成绩主要是由嵌入式l i n u x 自身的优势所决定的： 广泛的硬件支持，支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多种体系结构，几乎能 够运行在所有主流的处理器上，具有丰富的驱动程序资源，支持各种主流的 硬件设备。 内核高效稳定，这点已在各个领域内得到实践的检验；内核设计精巧，独特 的模块机制满足了嵌入式系统裁减要求。 开放源码，软件丰富，使得基于嵌入式l i n u x 的应用程序开发更为便捷。 2 南京理工大学硕士学位论文 基于n c l i r m x 的燃气远程抄表系统设计与研究 优秀的开发工具，嵌入式l i n u x 只需软硬件能够支持串口功能，即可进行软 件开发和调试工作，节约价格昂贵的在线仿真器。 完善的网络通信和文件管理机制，l i n u x 的诞生就是为了网络，支持所有标 准的i n t e r n e t 网络协议；l i n u x 还支持e x t 2 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统， 这些都为在嵌入式系统中的应用打下良好的基础。“” 嵌入式l i n u x 领域中，主流嵌入式l i n u x 操作系统有：r t l i n u x 、u c l i n u x 、 e m b e d i x 、x l i n u x 、p o k e t l i n u x 、m i d o r i l i n u x 以及红旗嵌入式l i n u x 等。其中，国 内对r t l i n u x 和u c l i n u x 的研究较多。r t l i n u x 是由美国墨西哥理工学院开发的嵌 入式l i n u x 操作系统，已经成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和 电影特技图像处理等领域。 u c l i n u x 由l i n e o 公司开发，是开放源码的嵌入式l i n u x 的典范。u c l i n u x 是一 款继承了l i n u x 的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的操作系统，具有性能 稳定、网络功能强大和文件系统出色等优点。u c l i n u x 主要是针对没有存储管理单元 ( m m u ) 的嵌入式系统而设计的，对内存采用直接访问的方法，所有程序中访问的地 址都是实际的物理地址，使得多任务的实现具有一定的难度。u c l i n u x 的进程调度沿 用了l i n u x 的传统，系统每隔一定时间挂起进程，同时系统产生快速、周期性的时钟 计时中断，通过调度函数( 定时器处理函数) 决定进程什么时候拥有时间片，进行相 关进程切换。u c l i n u x 的设计本身并没有关注实时性问题，但可以利用r t - l i n u x 的 p a t c h 包，增强u c l i n u x 的实时性，使得u c l i n u x 可以应用于工业控制、进程控制等 领域。u c l i n u x 具有完善的文件系统性能，采用r o m f s 文件系统。这种文件系统相对 于e x t 2 文件系统空间要求更少。但r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统 需要动态保存的数据采用虚拟r a l l a 盘的方法进行处理。经过各方面的小型化改造，形 成了一个高度优化、代码紧凑的嵌入式l i n u x _ u c l i n u x ，同时保留了l i n u x 的大 多数的优点：性能稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支 持和标准丰富的a p i 。” 另外，还需强调的是u c l i n u x 具有完整的t c p i p 协议栈，对许多标准网络协议 提供支持，使得u c l i n u x 成为一个真正的针对嵌入式系统的优秀的网络操作系统。 1 3 燃气远程抄表系统的研制背景 随着科技进步，人们对信息化要求的提高，建设部陆续颁布了全国住宅小区智 能化系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) 和住宅远传抄表系统行业标 准等指导性文件，确立了信息及智能化小区工程建设的总体目标：在先进的计算机技 术、通信技术、控制技术及i c 卡技术基础上，采用系统集成方法，逐步建立一个沟 通小区内部住户与住户、住户与小区综合服务中心，住户与外部社会的多媒体综合信 3 第一章绪论 硕士论文 息交互网络平台。为住户提供一个安全、舒适、节能、高效的生活环境，实际以家庭 智能化为主、可持续发展的，具有2 1 世纪风范的智能化小区。“。“ 居民小区的气费管理是小区管理的重要一环，但发展缓慢，严重影响了智能化小 区的发展进程。气费管理作为燃气营销管理工作中的重要环节，多年来，采用传统的 手抄方式给物业管理和用户带来极大的不便。不仅误差大、时效性差、统计计算工作 量大，而且带有人为随意性，时常会出现多抄、漏抄、笔误和抄表数据管理不善等现 象。使得手抄方式已经不能满足当今社会人们对生活质量的需求，急需改进。随着计 算机技术和嵌入式技术的飞速发展，以及在各个领域的广泛应用，使得计算机技术和 嵌入式技术在燃气营销管理方面的应用成为了可能。计算机技术和嵌入式技术的引 进，将会妥善的解决手抄方式所遇到的问题。通过与营业收费软件的接口，使营业管 理从抄表到核算过程实现无纸化操作，自动化的运行方式节雀了大量时间、人力、物 力，提高燃气管理部门的工作效率，降低物业管理成本。 国家建设部在居民住宅有关技术规定中也明确要求将3 表( 水表、电表、燃气表) 必须出户。鉴于上述情况，建立住宅自动抄表系统成为当前住宅建筑，尤其是智能型 建筑中不可缺少的重要组成部分，具有十分重要的实践意义。燃气远程抄表系统正是 在这种环境下应运而生的。 从我国国情出发，目前有些小区采用了燃气智能卡读表收费系统。先付费后使用 的方式，解决了上门抄表、帐款回收等问题，提高了小区安全性等。但后期的维运费 用较高，物业管理部门需专人全天候办理汇卡充值业务。对用户而言，先付后用、充 值至表，需要自己操作，增加了麻烦，一旦燃气表内部出现故障或燃气表内资金用完 雨用户未及时充值，就会瞬间关闭燃气表总阀门，给用户带来极大的不便；对燃气公 司而言，智能卡表的数据采集是非即时的采集方式，无法及时知道该小区每天的用气 量和高低峰时段的变化，不便于及时监控、调度和管理。 而现有的电力载波自动抄表系统，其基本原理是把燃气表的数据通过电力线传 送，可节省布网资源，大大降低了建设成本。但电力载波应用存在的致命问题是我国 电网在传输数据过程中，没有专用滤波系统，易受无线电信号、电磁信号、脉冲信号 的干扰，导致传输数据错码、丢码。在家用电器启动时，瞬间会产生极大的电压和许 多脉冲信号，这些干扰信号都叠加在电网上，造成数据传输结果与原表的误差，一次 抄读成功率较低( 特别在人们用电活动频繁的时段) ，可靠性不高。要解决这一问题， 就必须解决电力线上的电磁干扰和负载变化产生的干扰问题。 燃气远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的所遇到的问题。燃 气远程抄表系统适用于不同条件的城乡及一定区域内的居民用气的集中抄表管理。本 系统集嵌入式技术、微电子技术、自控技术、通信技术和网络技术于一体，通过软硬 件两方面的相辅相成的设计来达到整个系统的智能化。为了适应不同小区的特点，本 4 南京理工大学硕士学位论文 基于u c l i n u x 的燃气远程抄表系统设计与研究 系统应实现燃气表的远程查抄、计量、收费、报表打印等基本功能；做到组合灵活， 扩充方便，通讯方式多样，从不同角度满足住户和物业的多种需求，真正实现能源计 ， 量的科学化管理。9 ”，“1 1 4 论文的主要研究工作及其意义 1 4 1 论文的主要工作 本论文研究目标是：设计出一套可靠、实用的燃气远程抄表系统，通过软、硬件 的设计来达到系统的智能化：实现燃气表的远程查抄、计量、收费、报表打印等功能； 能实时采集各用户的用气量，掌握用气量和变化情况；实现远程监控功能：实现系统 故障自动诊断与报警功能，主要包括短路、断路检测等功能；留有i c 卡接口，保持 与i c 卡抄表的兼容性；具有三表联抄扩展功能。结合该系统对u c l i n u x 嵌入式操作 系统的网络应用技术做进一步的探讨。 为了实现上述目标，本论文主要从以下内容进行研究与设计： 1 对系统进行总体设计，确定总体设计原则，在此基础上给出系统的总体方案， 包括系统的结构框图、各组成部分功能及其通信协议的定义等。 2 对系统的数据采集子系统进行设计与开发，通过数据采集子系统的功能分析， 对各层设备分别进行设计，包括软硬件两方面，重点考虑系统的可靠性和抗干扰性。 3 对系统的通信子系统进行设计与开发，分析通信子系统功能，选择合适的嵌 入式操作系统以及硬件平台，进行软件开发，实现通信子系统的任务。 4 对系统的监控管理中心软件进行设计与开发，通过管理软件的系统设计以及 功能模块的划分，选取合适的开发环境，对各模块进行独立设计；并搭建试验平台， 对系统进行调试运行，分析获取的数据，验证系统的可靠性和准确度。 5 根据系统的实际情况和需求分析，对u e l i n u x 嵌入式操作系统的网络应用进 行研究，初步实现了基于u c l i n u x 通信予系统的网络远端控制和嵌入式h t t p 功能。 l 4 2 课题的意义 燃气远程抄表系统主要为了实现燃气表的远端抄收管理功能，是利用嵌入式技 术、微电子技术、自控技术、通信技术和网络技术与燃气表计量技术相结合，将用气 信息综合处理，与收费系统相结合，既可节省人力又可减少燃气公司与客户之间的纠 纷，提高管理部门的工作效率，也适应用户对用气缴费的新需求。同时，结合燃气远 程抄表系统对u c l i n u x 嵌入式操作系统网络应用技术进行研究。因此，本课题的选择 具有重要的工程应用价值。 第二章燃气远程抄表系统总体设计 硕士论文 2 燃气远程抄表系统总体设计 2 1 燃气远程抄表系统总体设计原则 燃气远程抄表系统的总体结构设计的基本原则是依据建设部2 0 0 4 年1 2 月1 日开 始实施的住宅远传抄表系统行业标准j g t 1 6 2 2 0 0 4 。 燃气远程抄表系统的主要特点之一就是系统的智能化。首先，数据采集过程的自 动化，数据的处理及存储能力，逻辑判断能力，故障检测报警等重要环节的开发均需 考虑到系统的智能化；其次，需建立友好的人机界面，使系统信息易于读取，人机之 间信息通道畅通，参数设置操作简便，实现“傻瓜化”的人机交互的目的。 燃气远程抄表系统作为民用产品，需考虑到研发系统的生命力和市场潜力。因此， 在产品的设计和开发过程中，必须考虑其实用性；在软硬件设计开发过程中，满足系 统性能要求的同时，要考虑成本问题，具备较高性价比才能使产品具有更强的竞争力。 衡量燃气远程抄表系统性能的基本要求就是对数据真实可靠的采集与传输。首 先，需要解决数据传输问题，确保传输的可靠性。由于系统工作环境复杂，需要长时 间不间断工作，故在实际使用中要求系统具备抗干扰，稳定性，数据传输可靠等能力。 衡量抄表数据传输可靠性的主要指标之一是抄表成功率，即系统对所属用户燃气表的 累计值抄读的一次抄表成功率。公式如下： 一次抄瓤样2 嚣1 0 嘶 、 在连接的网络无故障，理想的试验条件下，一次抄读成功率需 1 9 5 。因此，在元 器件与参数的选择、采集器及集中器的软硬件设计、外包装的结构设计中都要考虑其 可靠性。其中对系统中的重要部件要进行老化测试和高低温测试，软件上保证对系统 故障能自检、自诊断。 对燃气表数据采集过程中，确保数据传输可靠性的同时，还需保证采集数据的精 确性。否则，整个系统也将不具备任何实际的应用价值。因此，精确性是本系统的内 在要求，必须保证采集数据的精确性。精确性的衡量标准是抄表系统读出的用户用气 量k 。与用户燃气表读出的用户用气量k 。之间的差值是否满足如下不等式： j 畋，一。卜畋- 。一。) o 0 2 眈“。) + 1 1 0 一l + ，1 0 ( 2 2 ) 其中： k 。试验结束时刻，抄表系统读取的用气量值； 6 南京理工大学硕士学位论文 基于, a c l i n a x 的燃气远程抄表系统设计与研究 k 。试验结束时刻，燃气表处读取的用气量值： 畋，一ij 试验结束时刻，抄表系统读取值与实际值之差： 匕。试验开始时刻，抄表系统读取的用气量值； u 。试验开始时刻，燃气表处读取的用气量值： 眠。一。) 试验开始时刻，抄表系统读取值与实际值之差： 畋。一o 。) 试验期间，燃气表显示出的实际用气量； 0 0 2 燃气表基表的误差系数( 注：试验室条件下取燃气表基表的误差 系数为0 0 2 ，现场条件下取燃气表基表的误差系数为0 1 0 ) ； o t 用户燃气表基表的小数位数； 口系统燃气读数的小数位数； ，系统燃气读数进位误差； 当畋t - 一k 。) - 眠1 0 - vo o ) o 时，y ：o ： 当眠，一圪。、卜畋、。一。o ) 脉冲输出o 0 0 8 0 0 4 0 m a 膪k 冲。 采集器：每个采集器可采集、存储8 个燃气表的数据信息，通过r s 一4 8 5 总 南京理工大学硕士学位论文 基于u c l i n u x 的燃气远程抄表系统设计与研究 线将数据传输到集中器。采集器的主要任务为检测燃气表是否异常；实时采 集电脉冲，处理、储存数据；侦听通信信号，接收、执行命令：现场和远程 设置基表的功能。主要技术参数如下： 流量信号拾取方式：多通道定时扫描； 采集器可接表数：8 1 6 只； 采集器采集距离：l o o m ； 工作电源：d c 8 1 2 v ； 尺寸：2 2 6 1 7 7 5 9 m m 。 集中器：实时、定时采集并存储下属的采集器数据；侦听通信子系统的通信 请求信号，与通信子系统进行数据传输，执行命令。主要技术参数如下： 集中器可接采集器数：1 5 只； 通信距离：1 2 0 0 m ； 工作电源：a c 2 2 0 v ； 尺寸：3 7 0 3 0 0 8 1 m m ； 集中器备用电源：4 a h 9 v 铅酸免维护蓄电池。 通信主板：是通信子系统的核心部件，主要是为了实现监控管理中心计算机 与数据采集子系统之间的通信功能，起着中间桥梁的作用；对通过通信主板 传输的数据进行处理，使数据传输满足各层通信要求，提高数据的传输效率、 可靠性和抗干扰能力。主要技术参数如下； 通信主板可负载集中器数：1 6 只； 工作电源：a c 2 2 0 v ； 尺寸：3 7 0 3 0 0 x 8 i m m 。 监控管理中心软件：完成下发抄表、控制命令；完成实时、定时燃气抄表任 务；存储、管理燃气数据；实现自动收费、打印报表、图表分析等功能；对 各层状态监控，对异常事件进行处理。其主要技术参数如下： 符合g b t 9 8 1 3 - 2 0 0 0 的要求； 能运行远程抄表管理软件，有严格的安全措施。 2 3 燃气远程抄表系统数据通信协议 通信部分是整个系统的关键环节，主要功能在于实现系统各层之间可靠的数据传 输，即监控管理中心计算机与数据采集子系统之间的数据传输。其中，最核心的部分 就是通信协议的定制，因为合理的报文结构，有利于提高系统的稳定性，抗干扰能力 和纠错能力。 本系统的通信协议采用字符格式和数据传输报文： 9 第二章燃气远程抄表系统总体设计 硕士论文 在字符格式中，每个字符在传输中采用异步方式，表2 1 所示 表2 1 字符格式 起始位数据位 校验位 停止位 1b i t8b i t 无奇偶校验 1b i t 数据传输报文包括命令数据包和响应数据包，两者的格式基本致，表2 2 所示 表2 2 数据传输报文格式 报头报文长度报文正文校验位报尾 1b y t e1b y l ：e3 8 3b y t e slb y t e1b y t e 其中，命令数据包由以下几部分构成： 报头：数据包的起始字节，表示一个新数据报文的开始，固定值为9 5 h ； 报文长度：报文除去校验位、报尾后的长度； 正文：包括数据采集子系统的从机地址，控制命令代码以及控制命令的参数； 校验码：采用的累加和校验： 报尾：数据包的结束字节，表示一个新数据报文的结束，固定值为a a h 。 而响应数据包的格式和命令数据包的格式一致，只是报头固定值为6 6 h ，报尾固 定值为b b h 。 接收方在接收到命令数据包后，首先校验该数据包是否正确，若数据包校验失败， 即数据包出错，则抛弃该数据包；若数据包校验正确，则接收方将响应数据包发送给 发送方。发送方在发出命令数据包后，便等待接收方的响应数据包，如果在规定时间 内未收到响应数据包，则发送方重新发送命令数据包。 命令数据包根据其内容可分为三类：检测数据包、设置数据包、抄表数据包。 检测数据包，主要包括： ( 1 ) 巡检指定集中器下有效的采集器：命令代码c s h ，数据包格式见图2 2 帧格 式( 1 ) ，响应代码d 5 h 。每个集中器最多可安装1 6 个采集器。 ( 2 ) 检查指定集中器通信情况：命令代码c s h ，数据包格式见图2 2 帧格式( 1 ) ， 响应代码d 8 h 。 ( 3 ) 检测指定集中器中蓄电池电压值：命令代码c 7 h ，数据包格式见图2 2 帧格 式( 1 ) ，响应代码d t h 。主要用来实时监测集中器蓄电池的情况，电压是否 正常。 设置数据包，主要包括： ( 1 ) 设置集中器的地址：命令代码c o h ，数据包格式见图2 2 帧格式( 1 ) ，响应 代码d o h 。集中器地址设置范围为o o h 2 7 0 f h ( 即十进制的0 0 0 0 9 9 9 9 ) 。 ( 2 ) 设置指定集中器指定采集器指定通道的单表数据：命令代码c 3 h ，数据包格 式见图2 2 帧格式( 3 ) ，响应代码d 3 h 。 ( 3 ) 设置指定集中器下采集器各数：命令代码c b h ，数据包格式见图2 2 帧格式 1 n 南京理工大学硕士学位论文基于u c l i n u x 的燃气远程抄表系统设计与研究 ( 5 ) ，响应代码d b h 。 抄表数据包，主要包括： ( 1 ) 读取指定集中器储存的全部表数据：命令代码c i h ，数据包格式见图2 2 帧 格式( 1 ) ，响应代码d 9 h 。所读取的燃气表数据为集中器定时抄收并存储的 表数据，设置的定时长短决定了集中器自动更新表数据的频率，在设计中将 自动抄表的周期定为4 小时。 ( 2 ) 读取指定集中器采集的全部表实时数据：命令代码c 9 h ，数据包格式见图2 2 帧格式( 1 ) ，响应代码d 9 h 。该命令会引起指定集中器下所有采集器立即进 行数据采集，并返回所有的实时数据。 ( 3 ) 读取指定集中器下指定采集器的指定通道的单表实时数据：命令代码c 2 h ， 数据包格式见图2 2 帧格式( 2 ) ，响应代码d 2 h 。此命令所读取的数据则为 表的实时数据。 ( 4 ) 读取指定集中器指定采集器下各个表的实时数据：命令代码c 4 h ，数据包格 式见图2 。2 帧格式( 4 ) ，响应代码d 4 h 。此命令所读取的数据也为各表的实 时数据。 当命令数据包发送到下位机后，下位机则会根据命令做出相应的处理，并向监控 管理中心发送响应数据包，如表2 3 所示： 表2 3 响应数据包含义 响应报文类型 含义 d o h 上传c o 命令设置的集中器地址，见图2 2 帧格式( 6 ) d 2 h 上传指定集中器指定采集器指定通道的采集数据，见图2 2 帧格式( 7 ) d 3 h 上传c 3 命令设置的基表底数，见图2 2 帧格式( 7 ) d 4 h 上传指定集中器指定采集器各个通道的采集数据，见图2 2 帧格式( 8 ) d s h 上传指定集中器下各个采集器的巡检结果，见图2 2 帧格式( 9 ) d 7 h 上传指定集中器蓄电池电压值，见图2 2 帧格式( 1 0 ) d 8 h 对所有集中器地址巡检时的应答信号，见图2 2 帧格式( 6 ) d 9 h 上传指定集中器下全部表的实时数据的返回消息。见图2 2 帧格式( 1 1 ) d b h 上传c b 命令设置的采集器数，见图2 2 帧格式( 1 2 ) 第二章燃气远程抄表系统总体设计硕士论文 帧格式( 1 ) 情癌式( 5 )帻格式( 8 ) 帻| 旨式( 1 1 ) l 字节定义代码 l 报头9 丑1 ：2 报文长度lo 鄹 3 报文命令 c 叫l ，斩厝h 4 集中器地址 】弼 ：5 橐中器地址 x 翻 6 景加和授验 珊 7 报尾 “h 城格式( 2 ) 字节定义代码 1 报头9 显i 2 掇文长度l 0 诬 3 报文奇辱 c 2 h 4 集中器地址 x x h 5 集中器地址】 ) j 6 果集器地址x x h 7 通道号r 蹦 8 景加和授验x i 9 报尾a a h 帧格式( 3 ) l 字节定义代码 l 报韭9 瞰 2 报文长度l0 i ) 1 _ j 3 报文命令c 3 h 4 集中嚣地址舢 5 集中嚣地址础 6 漂羹嚣地址琊 7 通道0 】 卜0 触 8 表状态x 髓 9 衰底数x 捌 l n 表底数 j 【) 【日 1 1 1 表小数 煳 l 卫小数第三删m t 3 裹常数 o 埘 l t 景加和授验fx 矾 1 五报尾l h 帧格式( 4 ) 字节定义代码 i 报头 9 盛 2 报文长度l lo 毋 3 报文龠令 c 4 i i 4 集中器地址1 瑚 5 ，集中嚣地址lx 6 采集器地址x 7 累加和枝验l 煳 i 磊i 1 丽_ 1 2 字节定义代码 | 1 报头日 2 报文长度l o d 3 报文啬令 鼬 4 集中器地址 砌 5 集中嚣地址 础 【6 采集器数 珊 7 1 i 加和柱驻 瑚 8 报尾 a a h 烙式( 6 ) 字节定义代码 。l 报头 6 鼬 2 报文长度l 0 5 h 3 报文龠夸d o 8 h 4 集中器地址 读取值 5 集中器地址l 读取值 6 量加和枝验x 盖h 7 报尾姗 帧格式( 7 ) 字节定义代码 1 报头 6 曲 2 报文长度l o d h 3 报文命令 d 2 3 f f 4 集中嚣地址c 2 3 由夸指定值 5 集中器地址c 2 3 命令指定值 6 采集器地址c 2 3 命令指定值 7 通道c 2 3 命令指定值 8 裹状态x 翻 9 表底数删 1 0 表底数 x x e 1 1 1 表小敦瑚 1 2 小数第三位 x x h 1 3 袁常散砸 1 1 t 累加和技验j 瑚 1 5 报尾l 删 i 字节定义 代码 1 报头 6 明 2 报文长度l 4 3 i i 3 报文龠令 咄 4 集中嚣地址 c 4 命令指定值 5 橐中基地址c 4 龠夸指定值 【6 采集器地址 c 哇龠令指定值 7 通道0 埘 8 表收春砌 9 表底数圳 1 0 袭底数瑚j 1 l 表小数 瑚 1 2 集中器地址“命令指定值 1 & 巢中器地址c 4 命令指定懂 1 4 - 采集器地址c 4 命令指定值 1 5 通道 嘲 1 6 表块态 础 1 7 表底羲 x 埘 1 8 表房敦 瑚 1 9 裘小数x 瑚 i 6 8 累加和校验 斑l 6 9 报尾删 帧格式( 9 ) 字节定义代码 l _ 报头 9 船 2 报文长度l 0 铂 3 报文靠母 嘲 集中嚣地址c 5 命夸指定值 5 集中器地址c 5 命夸指定值 6 采集罂安装数珊 7 有效采集墨鼓 j 【x i f 8 置效采集器数 h 9 曼加和枝验x x h 1 0 报尾a 【 帧格式( 1 0 ) r 字节定义 代码 l 报头6 觎 2 报文长度l 。曙i 3 报文啬夸嘲 4 集中器地址lc 7 命令指定值 5 集中嚣地址ic 7 龠夸指定值 6 薯电池电压值ix 】( i l 7 累加和横验x 】 8 报尾b 舶 图2 2 数据包格式 字节定义代码 l - 报头 6 6 h 2 报文长度l 4 3 h 3 报文龠令嘲 4 蒹集器读出数 x 曲 5 果集嚣安装数础 6 集中器地址“赍奇指定值 7 集中嚣地址c 缔夸指定值 8 采集罂地址c 4 命令指定值 9 迁道0 坩 l o 衰状态 x x h u 表雇数l 强【 l z 衰底数 x x h 1 3 衰小数x 瑚 1 4 集中幂地址 “命令指定值 1 5 集中器地址c 4 命令指定值 t 6 果集嚣地址c 缔令指定值 1 7 通道 0 丑i l 表状寿 x 舶 1 9 衰底数 煳 2 0 表底敷胤 2 1 袁小鼓础 8 6 累加和授验瑚 8 7 报尾瑚 帧格式( 1 2 ) 字节定义1 代码 1 报头 6 唰 2 擐文长度l o 甜 | 3 报文夸 硼 4 集中嚣地址c b 命令指定值 5 集中嚣地址ic b 命令指定值 6 采集舞效c b 命令指定值 7 累加和枕验硎 8 报尾1 踞 南京理工太学硕士学位论文基于u c l i n u x 的燃气远程抄表系统设计与研究 3 数据采集子系统设计与实现 数据采集予系统采用两级r s 一4 8 5 总线结构，每个子系统最多有1 6 个集中器，每个 集中器虽多有1 6 个采集器，每个采集器有8 个通道，每个通道对应1 个燃气表。每个燃 气表上有一块发讯装置，用来产生脉冲信号。采集器主要对燃气表的脉冲信号计数， 同时实现对燃气表的最底层控制以及与集中器的通信。集中器除循环定时收集各采集 器数据外，还负责对监控管理中心计算机发出的命令数据包进行解包、分析、执行或 下传给采集器。 3 1 燃气表的改装 将具有脉冲输出的燃气表作为数据采集对象，其计量方式与传统表一致，在传统 表上安装了脉冲输出的发讯装置，发讯装置主要是由传感器组成，齿轮的旋转激发脉 冲，燃气用量与 图3 1 燃气表发讯装置电路 其中，p 为电源端，有采集器提供+ 5 v d c ；s 为输出端，向采集器发送脉冲信号； g n d 接地。 传感器选用的是单光束直射取样式光电传感器( s t l 5 0 ) ，是由高输出的红外光 电二极管与高灵敏光敏晶体管组成，采用非接触检测方式，体积小，结构简单，性能 可靠。目前，s t l 5 0 已广泛应用于多费率电能表，i c 卡电度表，绕线机等各种需测量 计数以及位置测量的场合。s t l 5 0 的极限参数如表3 1 。 第三章数据采集子系统设计与实现硕士论文 表3 1s t l 5 0 极限参数( t a = 2 5 ) 项目 符号 数值 单位 输 正向电流i f5 0m a 反向电压 v r6v 入 耗散功率 p7 5m w 输 集一射电压 v c e o2 5v 射一集电压v e c o6v 出 集电极功耗 p c5 0m w 工作温度t o p r - 2 0 6 5 储存温度t s t g一3 0 7 5 3 2 采集器硬件设计与实现 根据燃气远程抄表系统的总体分层结构和功能划分，可以建立采集器的功能结构 框图，如图3 2 所示。主要由微控制器、总线通信模块、电源及检测模块、信号采集 模块、外围存储器模块等组成。 3 2 1 徽控制器的选择 图3 2 采集器功能结构图 微控制器是采集器电路板的核心元件，微控制器的选择不仅需满足采集器功能模 块的要求，而且为了使系统更有生命力，还需适当的留出发展的余量和考虑成本问题， 主要从以下几点考虑； 第一，选择需满足功能设计要求，重点是功耗较低，具有较强的控制和通信能力。 第二，选择需满足可靠性高、抗干扰能力强的单片机，以适应复杂多变的现场情 况。 第三，集成模数转换功能，满足对燃气表输出脉冲的辨识要求。 第四，做为商业产品，需要考虑价格因素，选择性价比较高的单片机。 第五，采购的单片机需要易于采购，货源稳定，技术应用成熟。 最终选择了美国微芯科技公司( m i c r 0 c h i p ) 的p i c l 6 f 7 3 单片机，由于它的高速 度、低功耗、抗干扰性好、低价格、易于开发使用等优点，使其成为采集器的优选对 1 4 南京理工大学硕士学位论文基于u c l i n u x 的燃气远程抄袁系统设计与研究 象。其主要性能特点如下： 高性能的精简指令集( r i s c ) 结构的c p u ，共有3 5 条单字节指令，易于掌握： 除了程序分支指令为双周期指令外，其它所有指令均为单周期指令；指令周 期d c 一2 0 0 n s ( d c 一2 0 m h z 时钟输入时) ；i i 个内部外部中断源；8 级硬件堆 栈；采用直接、间接和相对寻址方式。 内置上电复位电路( p o r ) ；上电延时定时器( p w r t ) 和起振定时器( 0 s t ) ； 看门狗定时器( w d t ) ，带片内r c 振荡器，确保可靠性；可编程代码保护： 低功耗睡眠模式；可选择不同的振荡器工作模式；在线串行编程。 t i m e r o 带8 位预分频器的8 位定时器计数器；t i m e r l 带预分频器的1 6 位 定时器计数器，在休眠状态下，可使外部晶体时钟信号继续工作；t i m e r 2 带8 位周期寄存器、预分频器和后分频器的8 位计时器计数器2 个增强型 捕捉比较p w m 模块；8 位5 通道模数转换器；带有s p i ( 主模式) 和1 2 c ( 主 从) 模式的s s p ；带有通用同步异步接收发送器( u s a r t s c i ) 。 低功耗高速c o n sf l a s h 技术；全静态设计；运行电压范围2 0 v - - 5 5 v ；高 灌拉电流为2 5 m a ；低功耗，5 v ，4 n h z 时典型值小于2 m a ；3 v ，3 2 k h z 时典 型值小于2 0 u a 。典型稳态电流值小于l u a 。“” p i c l 6 f 7 3 单片机引脚如图3 3 所示： 图3 3p i c l 6 f ? 3 单片机引脚定义 3 2 2 采集器各功能模块设计 ( 1 ) 总线通信电路 采集器上传采集数据以及接收监控命令都需与集中器进行数据通信，需采用标准 通信接口。标准通信接口技术成熟、应用广泛，能方便的把各种计算机、外部设备、 1 5 第三章数据采集乎系统设计与实现硕士论文 测量设备等有机地连接起来，进行数据通信。 目前，主要的标准接口有r s 一2 3 2 c 标准、r s 一4 4 9 标准、2 0 m a 电流环等。r s 一2 3 2 c 是由美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的、在异步串行通信中应用最为广泛的标准 总线，适用于短距离或带m o d e m 的通信场合。r s 一4 4 9 标准，即r s 一4 2 2 、r s 一4 2 3 、r s 一4 8 5 标准，是e i a 为了进一步提高数据传输速率和通信距离而又专门制定的标准。2 0 m a 电流环是一种非标准的串行接口电路，但是由于它具有简单、对电器噪声不敏感的优 点，故在数据通信中也得到了广泛应用。 通信接口选择需要保证高可靠性的通信要求，故在总线通信电路的设计时，需要 注意三个因素：通信速率、通信距离以及抗干扰能力。 从通信速率和通信距离方面考虑，采用r s 一2 3 2 c 标准进行单向数据传输时，最大 的传输速率为2 0 k b p s ，最大传送距离为1 5 米；而采用r s 一4 8 5 标准，最大传输速率为 l o m b p s ，最大的传输距离约为t 2 0 0 米。 从抗干扰能力方面考虑，在使用范围内，标准接口都有一定的抗干扰能力。但在 居民小区中，通信环境往往并不理想，因此在通信介质和接口标准的选择时，需要充 分考虑其抗干扰能力，采取必要的保护措施。一般在长距离的数据传输中，采用 r s 一4 8 5 标准，可有效的抑制共模信号干扰；若使用2 0 m a 电流环技术，则可降低系统 对噪声的敏感程度。 由于数据采集子系统中，采集器与集中器之间的距离般在1 5 米到1 0 0 0 米之间， 数据传输选用r s 一4 8 5 总线标准比较适合。r s 一4 8 5 总线标准为