（电气工程专业论文）电能计量的无线采集与监视系统性能的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 自动抄表技术( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 是将数据自动采集、传输和处理应 用于自来水、电力、天然气( 以下简称水、电、气) 供应与管理系统中的一项新 技术。它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的现代 化带来了新的希望。我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。 随着水、电、气市场管理改革的不断深入、对自动抄表技术的研究必将成为热点 与方向。 我国电力系统传统的抄表方式是人工抄表，这种方式成本高、效率低、易出 错。而且由于抄表周期比较长，使得用户用电量无法及时读取，给电力部门分析 用电情况带来很大困难。另一方面，窃电现象十分突出，电力部门希望对电能计 量现场进行监视，捕获用户窃电时的图像证据。根据近年来电力系统自动化抄表 技术、g s m g p i 强数据通信技术等发展的趋势，原系统提出并设计实现了基于 g s m g p r s 网络通信的、使用低成本的5 l 单片机的电能计量无线采集及监视系 统。 原系统主要由电子式电能表、现场单元、g p r s 网络、控制终端( 手机) 等 部分组成。实现了对a b b 协议和d i f i 6 4 5 1 9 9 7 协议电能表的定时抄表、随机抄 表，以及捕获现场照片、收发短消息，并将数据用e - m a i l 、s o c k e t 传输等功能。 根据用户提出需要实现f t p ( f i l ct r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议) 方式进 行数据传输的要求，本文对系统做了进一步的改进g 1 ) 比较无线通信模块的数据传输方式，确定f t p 数据传输。 2 ) 为更好的方便用户操作现场电能表，增加了修改国产电能表地址码的命令 m m n o ( m o d i f y m e t e r a d d r e s s n u m b e r ) 。 3 ) 在保留原有的e - m a i l 方式传输随机抄表数据的基础上，采用汇编语言编 写客户端程序，在现场单元上执行，实现f t p 方式进行定时抄表和提取现场照片。 4 ) 采用a c c e s s 建立数据库作为系统的后台数据库。利用v b 对数据库的编 程技术实现了系统对获得的数据的读、写、预览和打印等操作。 本文所研究的电能计量的无线采集与监视系统不仅能满足电力部门的要求， 也可以应用于工业控制、远程遥测等领域，具有广阔的应用前景和明显的经济价 值。 关键词：自动抄表，防窃电，f t p 通信，v b ，a g c 宅- s s 数据库 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m r ) i san e wt e c h n o l o g yw h i c ha p p l i e sd a t a a c q u i s i t i o n , t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gt ow a g r , p o w e r , a n dg a ss u p p l ya n d m a n a g e m e n lw i t ha m r , t h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e r 职a d i n gs h o r t c o m i n g sc a nb e o v e r c o m ea n df l e wh o p eh a sb e e nb r o u g h to u t t h ea m rs ) 嘲 e m sa d e v e l o p e dl a t ei n o u rc o u n t r yb u tp r o g r e s s i n gf a s t w i t hm a n a g e m e n tr e v o l u t i o ni nt h ew a t e r 9p o w e ra n d g a sm a n a g e m e n t , t h ea m r r e s e a r c hi sb e c o m i n gat r e n d t h ew a yf o rm c 吼e rr e a c t i n go fc h i n e s ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sb ym a n u a lw o r k , i no r d e rt oe n h 撇t h ee f f i c i e n c ya n dl o w e rt h ee x p e n s e , i t sb e t t e rt ou p d a t et h e m e t h o dw i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y o n - s i t ee v i d e n c eo f e l e c t r i cp o w e rt h e f ti sn e e d e d a sw e l la sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g , b e c a u t h e r ea p p e n d e dm o r ea n dm o r et h e f t e v e n t so fe l e c t r i cp o w e ra p p e a r e di nt h ep a s ty e a r s a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f a m r t e c h n o l o g y , a n dg s m g p r st e c h n o l o g yi nf e i n ty e a r s ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l y d i s c u s s e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s sf o rar e m o t ee l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do ng s 衄r sn e t w o r kc o m m u n i e a t i o n t h es y s t e mi sc o n s i s t so fe l e c 血o - m e t e r , o n - s i t e - u n i t , g p r sn e t w o r k , c o n u o l t e r m i n a l ( m o b i l et e l e p h o n e ) t h es y s t e mh a sp e r f o r m e ds u c c e s s f u l l y , a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gu l l d e rt h ea b b a n dd l t 6 4 5 - 1 9 9 7p r o t o c o lr e g u l a r l yo rr a n d o m l y , t o o kf i e l d p h o t o0 1 1t h es p o t , r e c e i v e da n ds e n ts h o r tm e s s a g e s , a n dt r a n s m i t t e dd a t ab ye m a i l t h i sp a p e rm a d ei m p r o v e m e n to nt h es y s t e m , t om e e tt h en e e d so ft h ep o w e r c o m p a n y 1 ) s t u d yt h em o d eo ft r a n s m i s s i o n0 1 1t h em o d u l eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s , a n dc o n f i r mf t pt r a n s m i s s i o n 2 1a n o t h e rc o m m a n dm m n 0h a sb e e nd e v e l o p e dt oe n r i c ht h ee x i s t i n gc o m m a n d s e t , w h i c h i su s e dt om o d i f yt h em e t e r - s p e c i f i cn u m b e r 3 ) t h es y s t e mh a sf u n c t i o n a l l ye x p a n d e db yf t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) b a s e d d a t at r a n s m i s s i o n , w h i l er a n d o mr e a d i n gi sc o m p l e t e db ye - m a i l 舢m i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s ei su s e di nt h i ss y s t e ma sb a c k s t a g ed a t a b a s e ，v b e m p l o y sm a n yl a n g u a g ec o m m a n d st oa c c e a st h ed a t a b a s ei no r d e rt om e e tt h e o p e r a t i o n a ld e m a n d so f r e a d i n g w r i t i n ga n dp r i n d n 孚 t h i ss y s t e m 啪n o to n l ys a t i s f yt h ed e n m n do f t l 把e l e c t r i cp o w e ra d m i n i s t r a t i o n , b u tc a nb ea p p l i e di no t h e r8 r e a s ，s u c ha si n d u s t r yc o n t r o la n dr e m o t em e a s u r e m e n t i t w i l lb ep r o v e dt oh a v ew i d ea p p l i c a t i o na n do b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t s i v 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：a m 盹a n t i - e l e c t r i c d a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：歇勇 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年 民面b | 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂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、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：豫勇 签字日期。叩年j 月矽日 导师虢夹珏 辩日叩耖7 日 重庆大学硕士学位论文 i 前言 1前言 1 1 概述 随着社会的不断发展进步，越来越多的控制、采集仪表被引入到人们的生产 生活中来。各种仪表在各种场合应用的不断增多，对仪表的数据采集、仪表的管 理也成为人们越来越关心的问题。 早期的抄表方法都是抄表员现场手动抄表。这种抄表方式在仪表数量相对较 少、仪表位置相对集中的情况下效果很好。但在仪表数量较多、仪表位置比较分 散的情况下，这种传统的手动抄表方式存在着许多缺点；例如在工业现场，一些 仪表可能被放置在距离很远或者是工作环境很恶劣的地方，这些都很不利于抄表 人员去现场手动抄袭；如果某个仪表发生故障，工作人员将很难发现：传统的仪 表手动抄写消耗大量的人力物力，效率低下。手动抄表不仅劳动强度大、效率低， 还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题。所抄的数据 要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化管理系统的先进性。 正是由于人工手动抄表存在着以上的不足，人们开始寻找新的能替代劳动密集型 的人工抄表方法，自动抄表系统也就应运而生了。 自动抄表( a u t o m a t i cm e t c rr e a d i n g ，简称a m r ) 是指采用通信、计算机等 技术，通过专用设备对各种仪表( 如水表、电表、气表等) 进行自动采集和处理 表计数据。它一般是通过数据采集器对表计的脉冲进行计数，然后通过传输控制 器将信息传至计算机中心，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印。必要 时还可以通过网络和营业收费系统相连实现抄表收费一体化。自动抄表系统的出 现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多闯题，并且提高了工作效率和数据的准 确性。随着近年来计算机技术、网络技术和微电子技术的飞速发展，越来越多的 新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性、准确性和抄 表效率，己展现出十分广阔的应用前景。 1 2 自动抄表的研究背景与现状 1 2 1 自动抄表的研究背景 随着国家电力系统两网改造工作的逐渐推进，“一户一表，管电到户”政策的 贯彻，用电网络急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。如何 把庞大且分散的大用户用电量及其它数据及时有效而且准确无误地收集、统计及 分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题吐如果仅凭抄表工人挨家挨户地抄 重庆大学硕士学位论文 1 前言 表，不但会造成工作效率低，而且由人工抄表所带来的漏抄、误抄、估抄，甚至 抄表人员同用电户合伙作弊，都会给供电企业带来不可估量的损失。 另一方面，随着电子技术发展和现代电力管理要求的提高，多功能电子式电 能表已经有逐步取代传统的感应式电能表的趋势。感应式电能表的缺点体现在闭： 准确度较低、受谐波影响大、功能单一，不能满足现代电力管理要求的自动化、 智能化，提高供用电效率等要求。 多功能电子式电能表很好地克服了这些缺点。相比较而言，电子式电能表具 有过载能力强、功耗低、抗高次谐波干扰能力强、灵敏度高、易于扩展功能等优 点，适合现代电能管理的需要【3 】。在国外7 0 年代就己有商业化应用电子式电能表予 大工业用户电能计量【4 】。在我国，现在多功能电表己被电力系统推广，己经逐步取 代了传统电表，远程抄表技术的关键在于电子式电能表处( 从站) 与主站之间的 通讯，它直接关系到系统的性能。经常采用的通讯方式有电力线载波、电话线、 同轴电缆和无线电等i s 。由于多功能电表具有通信功能，因此研究对其远程抄表与 防窃电就成为了可能。 窃电不仅给国家和电力部门造成巨大的经济损失，而且还严重干扰了正常的 供用电秩序，甚至引发火灾，使供电设备损坏甚至造成大面积停电，影响公共电 网安全和社会稳定。一些窃电者私自在伊电设麓上乱接线造成人身事故的葶 也时 有发生。大多数进行窃电的都是专门的电工，他们对计量装置的工作原理和接线 方式都很清楚，再加上市场经济状况下，封印线、封印铅都可以通过各种渠道买 到，并很难看出破绽。如果安装专门的防窃电装置不但会增加系统的运行成本， 而且这些反窃电措施都无法获得窃电现场的图像证据。总之，上述的防窃电措施 均不能完全排除窃电现象。所以电力系统需要一种监视设备，把现场表计运行的 状况监控起来，一旦有人靠近表计现场，就立即启动摄像装置，把现场的状况拍 摄下来，并立即传到主站，这样就可以得到窃电现场的证据。 因此，电力部门需要一种投资较少，安装及维护方便，通讯可靠，计量准确， 并能监视计量装置运行现场的远程自动抄表及监视的系统解决方案1 6 1 2 2 国内外自动抄表的现状 远程自动抄表系统是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通信技术、网 络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度集成 性，集软件、硬件为一体，对各种范围内电力用户实时用电量信息以及各种故障 信息数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统 7 1 具有抄收速度快、计 算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用自动抄 表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速 的统计实时线损。 2 重庆大学硕士学位论文 1 前言 根据电能表的发展趋势嘲，实现自动抄表主要有两种方式1 9 【1 0 】：一是通过电 能表本身来解决，即是采用i c 卡形式的电能表，用户在售电机上买电后将卡插入 自己的表中即可用电，预先将使用的电量记录在售电机内，实现先买电后使用； 另一种就是利用自动抄表系统来解决。目前，世界上大多数国家都以后者的发展 为主【1 1 1 。许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要 集中在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发 展历史。 抄表技术的快速发展得益于8 0 年代计算机技术、超大规模集成电路( v l s i ) 和通讯技术的高速发展，它们使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通 信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步，达到可以大规模推广的实用性阶段。 欧美一些发达国家在7 0 至8 0 年代即己开始对远距离电能表数据的采集进行 研究。日本当时已经开始试用电力载波于远程抄表；美国的配电线路载波远程抄 表系统已投入试运行。8 0 年代中期以来，美国在科罗拉多州丹佛市，一家公用事 业企业( p u b l i cs e r v i c ec o ) 将7 7 万余台电表和6 7 万余台煤气表实现了自动抄表， 成为当时美国推广应用量最大的一家公司；到了9 0 年代以后，英国开发出低压电 力线载波通讯系统p o w e r n e t 具有自动抄表功能；还有利用电力载波通讯与无线通 讯结合所组成的系鲥1 2 1 ，还有根据情况自动选择通信方式的系统【l 射。1 9 9 4 年l o 月美国电世界摘要介绍c h a r t w e l l 公司对北美2 2 个电力公司和3 1 个产品供应 商的调查结果也指出：北美( 主要指美国和加拿大) 在1 9 9 4 年初就己经按装3 1 4 0 6 3 块具有自动抄表功能的电度表：安装了1 9 7 3 7 7 个自动抄表单元；“1 9 9 8s c o t t r e p o r to na m rd e p l o y m e n t s ”资料披露，在1 9 9 8 年度，美国共有7 9 1 项a m r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了自动抄表。到2 0 0 1 年己经有9 百万美元 的营业额。而在s c o t t 报告中，截至到2 0 0 3 年1 月，北美己经有4 9 3 1 1 3 7 2 个单 位使用自动抄表。并且每年均发表关于市场份额、每个单位用表数量和表的服务 类别的调查报告。 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚。2 0 世纪8 0 年代初才开始研究远程 自动抄表系统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自 动化抄表方式并存的格局。我国也已经研制出基于零相载波的自动抄表系统【。 国内所采用的抄表方式大致可以分为三种。一是传统的人工抄表方式，抄表人需 到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。二是预付费方式， 抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、i c 卡 等，按购买额提供用量，完成收费工作。三是远程抄表方式，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。当前在我国国内大量使用的仍然是传统的人工抄表方式，部分地区己经开 重庆大学硕士学位论文 l 前言 始了远程抄表的应用，但并不为广泛。 1 2 3 原系统实现的功能和不足 原课题基于自动抄表系统和窃电的现状，研究了一种既能远程抄表( 随机抄 表和定时抄表) ，又可以对电能表运行现场进行监视的一种抄表与监视系统。它 是安装在现场的一只“鹰眼”，对现场的情况随时进行监视，一旦发现“动静”， 马上把现场的窃电图像证据拍摄下来，并上传到主站。基于这种思想，利用蜂窝 移动通信中g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线服务) 网络强大 的数据传输能力( 它的理论最高速率可达1 7 1 2 k b p s ) 以及它覆盖范围广、使用 方便、网络维护费用少、成本低、不受地域限制等优点，原课题提出了“电能计 量的无线采集与监视系统”嘲，系统框图如图1 1 所示。并对其进行了深入的研 究。该系统不但可以方便地实现远程的随机抄表和定时抄表功能，而且可以对电 能表的现场情况进行监视，自动捕获不法电力用户的窃电证据，能够有效达到防 窃电目的。 革 舞拜一 图1 1 系统结构图 f i g1 1t h es t r u c t u r eo f s y s t e m a t i c 该系统主要由电能表( 全电子式) 、现场单元、g p r s 网络、控制终端( 手机) 和管理中心等五个部分组成。 电能表是系统抄读的数据源，它负责提供电力用户的用电计量和其它数据。 现场单元主要由摄像模块、无线通信模块和控制单元等部分组成。其中，摄 像模块负责捕获窃电现场的图像证据；无线通信模块负责与g p r s 网络通信，传 输各种需要的数据；控制单元是现场固定单元的核心部分，它负责协调各部分的 工作，从而实现抄表和监视功能。 g p r s 网络是整个系统的通信媒介，通过它可以接收和发送短消息、语音、 以及i p ( i n t e r a c tp r o t o c o l ，互联网协议) 和x 2 5 两种分组数据。口协议主要用于 负责口寻址、路由选择和口数据包的分割和组装；x 2 5 协议是公用数据网上d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ，数据终端设备) 和d c e ( d a t ac o m m u n i c a 6 0 n e q u i p m e n t ，数据通信设备) 之间的接口规程，是广域分组交换网中的用户终端与 网络的接口标准 4 重庆大学硕士学位论文 1 前言 控制终端( 手机) 它既是系统中的遥控器又是显示器，它负责给现场单元发 送各种短消息命令，包括随机抄表命令和控制命令；并接收现场单元返回的短消 息，包括短消息命令的执行情况和故障报警信息。 管理中心是安装在电力部门的计算机，它负责接收现场单元发送来的抄表数 据和窃电图像证据，并对各种数据进行管理。 目前，系统处于试用阶段，实现的功能有： 1 ) 每天定时抄表，通过e - m a i l 的方式发送到管理中心； 2 ) 监视现场情况，有异常情况时，通过g p r s 网络发送短消息到工作人员的 手机上； 3 ) 拍摄现场情况，加以处理、存储并通过e - m a i l 的方式发送到管理中心。 该系统可广泛应用于工业、矿产、环境等领域的监控中。 虽然系统已经实现了既定功能，但还有几点不完善的地方，需要进行改进： 1 ) 无线通信模块的数据传输方式有待改进。原系统采用的是e - m a i l 方式， 将现场单元获取的数据发送到指定的邮箱。但是，收发邮件有时会出现；服务器 繁忙以及带宽拥塞的现象；发送电子邮件的命令允许发送的最大文本是1 8 k b ， 不能大文件传输；邮箱容量有限；邮件方式保存的数据不方便管理。 2 ) 缺乏数据信息管理系统，不便于用户进行操作。为了满足用户的需求，增 加的功能如下： 进行数据库管理； 系统用户管理、权限管理、查询数据、图片管理等； 对运行事件和抄表数据进行浏览和分析，以及打印。 1 4 论文的主要工作 通过对自动抄表的研究背景和国内外现状的分析和研究，以及肯定了原有系 统实现的功能，并根据用户提出采用f t p ( f i l et r a n s f e r p r o t o c o l ，文件传输协议) 方式进行数据传输的要求，本论文的工作包括如下几个方面： 1 ) 比较无线通信模块数据传输方式，确定f t p 数据传输。 2 ) 为更好的方便用户操作现场电能表，增加了修改国产电能表地址码的命令 m m n o ( m o d i f y m e t e r a d d r e s s n u m b e r ) 。 3 ) 在保留原有的e - m a i l 方式传输随机抄表数据的基础上，采用汇编语言编 写客户端程序，在现场单元上执行，实现f t p 方式进行定时抄表和提取现场照片。 4 ) 设计抄表数据信息管理系统，使用户能方便地对现场单元数据进行查询、 显示、打印报表和管理现场照片 重庆大学硕士学位论文2 数据通信基础 2 数据传输基础 现场单元利用现有的g p r s 网络来实现图像和数据的无线传输，具有方便、 简单、可靠、价格低等优点因此在设计系统时候，选择一种合适的g p r s 模块 也就成了关键问题之一。在本系统中，g p r s 模块主要完成与m c u 之间的数据 交换以及移动公司的g p r s 网络与远端计算机或者手机用户之间的数据交换。前 者直接通过r s 2 3 2 串口按照系统协议传输数据，后者可以通过t c p ，r p 协议栈实 现。因此要选择的g p r s 模块应该内嵌t c p 仰协议栈。现在市场上g p r s 模块的 生产商很多，如西门子，索尼一爱立信，摩托罗拉等等。经过比较和研究，采用 西门子公司的e t p r o h - 模块，它使用方便，有很好的技术支持，性价比高，且模 块内嵌t c p i p 协议栈。 在本章中，主要介绍了数据传输的基础，包括g p r s 网络特点、t c p ，l p 协议、 通信误码率和现场单元硬件组成。并对数据传输方式进行了分析，最后按照用户 的需求，每天定时抄表和现场照片部分改为f t p ( f n et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传 输协议) 方式，以便于集中处理读表数据，并保证网络系统安全。 2 1g s m g p r s 的特点 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是第 2 5 代移动通信系统，是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 ，全球移 动通信) 向3 g 过渡的一个桥梁【1 4 1 。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。g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它的基本功能 是在移动终端和i n t e m e t 网络的路由器之间传输分组数据。例如，w a p 是一种无 线网络应用协议，而g p r s 是实现w a p 应用的一种网络传输技术方式。形象的 说，w a p 如果是一封信，g p r s 就是送信到达的邮车。因此，任何一种在固定 i n t e r n e t 上的业务( 如文件传输协议f t p 、网页浏览、交谈、信函、遥信) 都可以 利用g p i 塔在移动网络上实现。 g p r s 与g s m 语音系统最根本的区别是：g s m 是一种拨号方式的电路交换 系统，而g p k s 是一种分组交换系统。二者特点对比如表2 1 所示 6 重庆大学硕士学位论文2 数据通信基础 表2 1 电路型数据业务与分组型数据业务对比 t a b l e2 1c o m p a r i s o n so f c i r c u i td a t as e r v i c ea n dp a c k e td a t as e r v i c e 对比内容 电路型数据业务( 9 6 k b p s 以下数据 分组型数据业务( g p r s ) 业务及h s c s d ) 无线信道专用，最多4 个时隙捆绑 共享。最多8 个时隙捆绑 链路建立时间呼叫建立时间长短，有“永远在线” 传输延时短，适合域实时性强的业务适度的传输延时 传输速率 从小于9 6 k b p s 到5 7 6 k b p s最大1 7 1 2 k b p s 网络升级费用初期投资少，需要增加i w f 单元及费用投资较大，需增加网 对b t s b s c 进行软件升级 络设备，但节省基站投资 提供相同业务代价价格昂贵、占用系统资源多价格较便宜、占用系统资 源少 此外，g p r s 相对g s m 具有以下特点： 1 ) g p i 塔支持基于标准数据通信协议的应用，可以和口网、x 2 5 网互联互 通。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 g p r s 也允许s m s ( s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e ，短消息业务) 经g p r s 无线信道传 输( 需要运营商支持) 。 2 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大 量数据的传输。g p r s 能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。g p r s 的计费一 般以数据传输量为依据。 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费 功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 4 ) g p r s 的核心网络层采用口技术。具有网络接入速度快，能与现有数据 网建立无缝连接：支持中高速率的数据传输；适时在线，按流量计费的特点【1 5 1 6 , 1 7 】 基于以上特性，g p r s 可以提供一种高效、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【1 。1 9 , 2 0 。因此，利用g p r s 进行数据传输具有“永远在线”、“按流量计费”、 “快捷登录”、“高速传输”和“自如切换”等优点口1 1 2 2t o p i p 协议 本系统采用无线通信模块e 1 限r o + + 是一款内嵌t c p i p 协议栈的g p r s m o d e m ，它分为m 模块和g p r s 模块两部分。p 模块内嵌t c p i p 协议栈。与作 为理论标准的o s i 模型形成对比的是作为实际的工业标准的t c p i p 模型。t c p i p 7 重庆大学硕士学位论文2 数据通信基础 是一个工业标准协议套件，是为跨广域网( 硝n ) 的大型互连网路而设计的，1 9 6 9 年由美国国防部高级研究计划局开发，它是a r p a n e t ( a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t sa g e n c yn e t w o r k ) 资源共享试验的产物。t c p i p 的目标是提供高速网络 通信链路。从1 9 6 9 年至今，a r p a n e t 已发展成为一个世界范围的通信网络，即 i l i t e r n e t 阴。i n t e m e t 主要的网络协议是t c p ，口协议，现在人们经常提到的t c p i p 并不一定是指t c p 和球这两个协议，而往往是表示i n t e m e t 所使用的体系结构或 是指整个的t c p f l p 协议族【2 7 j 。 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。同样， t c p f l p 也是一组不同层次上的多个协议的组合，它通常被认为是一个四层协议系 统，如表2 2 所示 表2 2t c i i p 协议模型 t a b i c2 2t c p 竹pp r o t o o n lm o d e l 应用层 t e l n e t ( 远程登录协议) f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议) s m t p ( s i m p l e m e s s a g e t r a n s f e r p r o t o c o l ，简单邮件传输协议) h t t p ( h y p e r t e x t t r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 传输层 t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) u d p ( u s e r d a t a p r o t o c o l ，用户数据报协议) 网络层i p ( i n t e m e tp r o t o c o l ，同际协议) a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) i c m p ( i n t e r n e tc o n u 口lm e s s a g ep r o t o c o l ，i n t e r n e t 消息控制协议) 1 g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i n t e m e t 组管理协议) 数据链路层以太网协议，p p p 协议 1 ) 链路层嗍 有时也称作数据链路层或网络接口层。通常包括操作系统中的设备驱动程序 和计算机中对应的网络接口卡它们一起处理与电缆( 或其他传输媒介) 的物理 接口细节。 2 ) 网络层阳 有时也称作互联网层，负责寻址、打包以及从一台计算机通过一个或多个路 由器到最终目标的包转发机制。处理分组在网终中的活动，例如分组的选路。在 t c p 仰协议族中，网络层协议包括： 网际协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，简称m ) ，是一个路由协议，负责m 寻址、 路由选择、分段及包重组，p 协议是t c p 】吧协议体系的核心 8 重庆大学硕士学位论文 2 数据通信基础 地址解析协议( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，气r p ) 通过广播的方法把 i n t e r n e t 层地址翻译成对应的网络接口层地址，即将m 地址翻译成m a c 地址。与之对应的是反向地址解析协议( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o n p r o t o c o l ，r a l ；t p ) 将m a c 地址翻译成p 地址。 i n t e r n e t 消息控制协议( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，i c m p ) ，负责 提供诊断功能，报告由于口包投递失败而导致的错误 i n t e m e t 组管理协议( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g m p ) 负责 管理m 组播( m u l t i c a s t ) ，将u d p 数据报发送给同组主机。 3 ) 传输层【2 ” 主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议族中，有两 个互不相同的传输协议：传输控制协议t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和用户 数据报协议u d p ( u s e rd a t ap r o t o c 0 1 ) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。 它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层， 确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于传输层提供了高 可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，u 1 ) p 则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发 送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由 应用层来提供。这两种传输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途。 4 ) 应用层 t c p i p 应用层负责处理特定的应用程序的所有细节 2 8 1 ，在t c p i p 模型里没 有会话层和表示层。应用层之上不存在其他的层，因此应用层的任务不是为上层 提供服务，而是为最终用户提供服务。应用层的具体内容就是在规定应用进程在 通信时所遵循的协议 3 0 1 。典型的应用包括虚拟终端协议( t e l n e t ) 、文件传输协 议( f r p ) 和简单电子邮件协议( s m r p ) ，还有后来发展的网络新闻传输协议 ( n n t p ) ，用于万维网( w w w ) 的超文本传输协议( r r r p ) 等。 t c p i p 协议的核心部分是t c p 和u d p 、i p 和物理层，这三层通常在操作系 统内核实现。t c p 和u d p 都使用与应用层接口处的端口与上层的应用进程进行 通信，应用层的各种进程要通过相应的端口才能与运输实体进行交互。 2 3 通信误码率 基于t c p 协议计算机通信作为一种灵活、方便、可靠的通信方式目前被广 泛采用。计算机通信属于数字通信领域其信号是一序列的。0 ”与“l ”二进制位 码流，通信的要求是迅速、准确并安全地传递和交换信息。误码是计算机通信中 主要的传输损耗，因为误码直接破坏了信息传递的准确性。衡量计算机通信质量 9 重庆大学硕士学位论文2 数据通信基础 的基本参数，也是一个重要的指标网。 根据国际电信联盟电信标准化部门i t u - t g 7 0 2 建议，误码率是在测量时间内 传输的误码( 数字流码元) 的数目( 量) 与所传输的总码数( 数字流码元总数) 之比。由于比特( b i t ) 是码元的最小单位，故当码流的每个码元是l b i t 时，误码 率就是误比特率( 简称b e r ) ，b e r 是基本测量参考单位 误码率：堡熊主塑堡旦 所传输的总码数 将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。i e e e8 0 2 3 标准为1 0 0 0 b a s e t 网络制定的可接受的最高限度误码率为l o 1 0 。这个误码率标准是针对脉冲振幅 调制( p a m - 5 ) 编码而设定的，也就是千兆以太网的编码方式。 误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中 遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因 素都会导致误码( 比如传送的信号是1 ，而接收到的是o ) 。各种不同规格的设备， 均有严格的误码率定义，如通常视音频双向光端机的误码率应该在：( b e r ) s 1 0 e - 9 。 t c p 是传输控制协议，它是一个可靠的而向连接的协议，保障某一机器的字 节流准确地传输到另一台机器。理论上讲，t c p 是传输控制协议是可以降低误码 率的发生。协议规定把输入的字节流分割成离散的报文传送给互连网络层例。在 目标终端，t c p 接收进程重新把报文组装成输出字节流。传输控制协议允许创建 和维护与远程计算机的连接，连接的两台计算机可以彼此进行数据传输。针对基 于t c p 协议的计算机通信，进行误码率测试时，要实现两个终端的连接例。因此， 在误码率测试模型中，需要建立误码测试服务器和误码测试客户机。在误码测试 服务器端，首先创建一个新的通信端点，将本地地址绑定到建立的套接字( s o c k e t ) 上并在指定的端口上侦听远程客户机的连接请求。如果侦听到连接请求则响应 该清求，完成服务器与客户机的连接。在误码测试客户机端，首先也要创建一个 新的通信端点，然后向远程服务器发出连接清求。如果服务器端接收该连接请求， 则完成与服务器的连接。建立连接之后，服务器与客户机之问可以彼此进行误码 率测试数据的传输。完成误码率测试之后，服务器与客户机都需要释放连接。 2 4 数据传输的硬件基础 2 4 1 现场单元硬件组成【1 5 】 数据要进行传输就必须有硬件作为基础，所以现场单元硬件也是非常重要。 现场单元结构框图如图2 i 所示，电路框图如图2 2 所示。现场单元按功能可以分 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 数据通信基础 为以下几个部分： 1 ) 电源：提供现场单元需要的电压； 2 ) 单片机：负责协调现场单元各个部分的工作： 3 ) 摄像模块：拍摄窃电现场的图片，输出格式为j p e g ； 4 ) r s 4 8 5 接口：和电度表实现硬件连接； 5 ) 无线通信模块：与g p r s 网络通信，传输数据； 6 ) 时钟电路：提供时间基准，保证系统时间的准确性和一致性； 7 ) 感应模块：监测人体发射的红外线变化，通过模拟电路处理后输出脉冲， 供单片机检测； 8 ) r a m ( 5 1 2 k ) ：提供足够的空间存储现场窃电的图片文件。 摄像模块i g 。g 纠时钟电路 光 单 r s 4 8 5 接口l 牟。片。纠感应模块 无线