（系统分析与集成专业论文）远程无线抄表系统设计.pdf

摘要 自动抄表是利用先进的计算机技术和通信技术自动获取和处理用户表具数据的一种 手段。是提高供电企业自动化管理水平的需要，也是计算机技术和通信技术迅速发展的必 然。它能够避免传统抄表数据实时性差、准确率低的缺点，保证用户表具数据实时、准确 的送到相关部门数据库。由于自动抄表的先进性和广阔的发展前景，国内外对它的研究发 展很快。目前国内的自动抄表方式主要有i c 卡预付费、电力线载波、r s 一4 8 5 总线、g p r s 蜂窝网络等。每种方式都存在着一些缺点，而没有大范围的推广开来。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，具有低功耗、低成本、低速率、 近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段的特点。它以i e e e 8 0 2 1 5 4 为标准，只 需要很少的能量，就能够以接力的方式通过无线电波将数据传递下去，具有很高的通信效 率，主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间。典型的传输数据类 型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。 本文提出了一套由r s 一4 8 5 总线、z i g b e e 无线局域网和g p r s 蜂窝网络混合组网的远程 自动抄表系统设计方案。本自动抄表系统避免了远程有线网络布线成本高、无线局域网通 信距离近、g p r s 网络通信费用贵的缺点，具有技术先进、易于实现、传输速率高、可靠性 高、成本造价低、易于普及等优点，成为未来发展的趋势。 本自动抄表系统主要由用户电能表、采集终端、集中器、管理中心计算机组成。本文 详细阐述了各部分之间数据通信链路的建立。采集终端与电能表之间的通信采用r s - 4 8 5 总线协议。相关国标对电能表r s 一4 8 5 通信的物理层和链路层做了具体的定义。采集终端 是基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的嵌入式数据收发、处理系统，只需要按国标定义通过r s - 4 8 5 总线抄取电能表数据。集中器与采集终端之间由c c 2 4 3 0 芯片搭建的z i g b e e 网络提供透明 通信信道。c c 2 4 3 0 芯片是c h i p c o n 公司生产的首款符合z i g b e e 技术的2 4 g h z 射频系统单 芯片，只需要很少的外围部件配合就能够搭建无线局域网，并实现路由和中继功能。集中 器内的无线数传模块s a r o3 1 5 0d t u 通过g p r s 接入i n t e r n e t 网络，实现跟管理中心的通 信。s a r 0 3 1 5 0 能为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。 本文还从开发平台、设计思路与实现等方面介绍了管理软件的开发过程。最后给出了 改进和提高本系统的一些建议。 关键词：自动抄表系统，采集终端，集中器，g p r s 蜂窝网络 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 gi sam e r n sr e f e r st ot h eu s eo fa d v a n c e dc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yu s e r st oa u t o m a t i c a l l ya c c e s sa n dd e a lw i t had a t at a b l e i ti sn o to n l v t oi m p r o v et h ep o w e rs u p p l ye n t e r p r i s ea u t o m a t i o nm a n a g e m e n tn e e d s ，b u ta l s om a k e c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n e v i t a b l e i tc a l la v o i dt h e d i s a d v a n t a g eo fb a dr e a l t i m ea n d l o wa c c u r a c yd a t ap r o v i d e db yt h et r a d i t i o n a lr e a l t i m em e t e r r e a d i n g ，a n de n s u r et h ed a t ar e a df r o me v e r yu s e rt a b l et ot h er e l e v a n td e p a r t m e n ti nr e a lt i m e a n da c c u r a t e l y b e c a u s eo ft h ea d v a n c ea n db r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n to ft h e a u t o m a t i c m e t e rr e a d i n g ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt oi ti sf a s ta th o m ea n da b r o a d a tp r e s e n t t h e m a i nw a y so fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gh a v ep r e p a i di cc a r d ，p o w e rl i n ec a r r i e r , r s 4 8 5b u s ， g p r sc e l l u l a rn e t w o r k s ，a n ds oo n t h e r ei ss o m e d i s a d v a n t a g et oe a c hw a y , s oa l lo ft h e ma r e n o tb e e np r o m o t e do p e n l yw i t hl a r g e - s c a l e z i g b e ei sa ne m e r g i n gs h o r t - r a n g e ，l o w r a t ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y , w i t hl o w p o w e r , l o w - c o s t ，l o wr a t e ，a tc l o s er a n g e ，s h o r tl a t e n c y , h i g hc a p a c i t y , h i g hs e c u r i t ya n dl i c e n s e f r e e f r e q u e n c yb a n dc h a r a c t e r i s t i c s t oi e e e 8 0 2 15 4a st h es t a n d a r d ，o n l yas m a l le n e r g y , i tc a i l t r a n s m i td a t a a d o p t e dt h ew a yt or e l a yt h r o u g hr a d i ow a v e sw i l lc o n t i n u ew i t hh i g h c o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y i ti sm a i n l ya p p l yt ot h ev a r i o u se l e c t r o n i cd e v i c e sa tas h o r td i s 切n c e 1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o na n dt r a n s m i s s i o nr a t ew h i c hi sn o th i g h t h et y p i c a ld a t at y p e sc o n t a i n s c y c l i c a ld a t a , i n t e r m i t t e n td a t aa n di o wr e s p o n s et i m ed a t a t h i sp a p e r p r e s e n t sad e s i g np r o g r a mo fw i r e l e s sr e m o t ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e ms e t b yt h er s 一4 8 5b u s ，z i g b e ew i r e l e s sl a na n dg p r sc e l l u l a rn e t w o r k s t h ea u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e ma v o i d st h ed i s a d v a n t a g eo fl o n g - d i s t a n c ec a b l en e t w o r kw i t hh i g hc a b l i n g c o s t s ， n e a rd i s t a n c ew i r e l e s sl a n c o m m u n i c a t i o n s ，e x p e n s i v ec o m m u n i c a t i o nc o s t so fg p r sn e t w o r k ， h a st h ea d v a n t a g ew i t ht e c h n o l o g i c a l l ya d v a n c e d ，e a s yt oa c h i e v e ，ah i g ht r a n s f e rr a t e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t s ，e a s yt op o p u l a r i z ee t c ，t h e nt ob e c o m et h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d t h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e db yu s e r s e n e r g y m e t e r ，c o l l e c t i n g t e r m i n a l s ，c o n c e n t r a t o r s ，t h em a n a g e m e n tc e n t e ro nc o m p u t e r t h i sp a p e re l a b o r a t e st h es e tu po f t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e nt h ev a r i o u sp a r t s r s 4 8 5b u sp r o t o c o li s u s e df o r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o l l e c t i o nt e r m i n a la n dt h ep o w e rm e t e r r e l a t e dg bd o e sa s p e c i f i c d e f i n i t i o nf o rt h ec o m m u n i c a t i o no fr s - 4 8 5b e t w e e np h y s i c a l l a y e ra n dl i n kl a y e r c o l l e c t i o n t e r m i n a l si st h et h es y s t e mw h i c h i m p l e m e n t se m b e d d e dd a t at r a n s c e i v e ra n dt r e a t m e n tb a s e do n t h em s p 4 3 0 f1 4 9s i n g l e c h i p ，a n dj u s tn e e dt oc o p yt h ed a t af r o me n e r g ym e t e rt h r o u g h r s 一4 8 5 i na c c o r d a n c ew i t ht h ed e f i n i t i o no fg b z i g b e en e t w o r ks t r u c t u r e d b yt h ec c 2 4 3 0c h i p p r o v i d e st m s p a r e n tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb e t w e e n c o n c e n t r a t o ra n dt e r m i n a l - c c 2 4 3 0c h i p i st h ef i r s ts i n g l e h i pw i t h2 4 g h zr fi na c c o r dw i t hz i g b e et e c h n o l o g ym a d eb yc h i p c o n c o m p a r t y , a n do n l yv e r yf e we x t e r n a lc o m p o n e n t sr e q u i r e d w i t hw i l lb ea b l et os e tu pt h e w i r e l e s sl a na n di m p l e m e n tr o u t i n ga n dr e l a yf u n c t i o n s s a r o3 15 0d t ua c c e s s e si n t e r n e t t h r o u g hg p r sn e t w o r k t oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h em a n a g e m e n t c e n t e r s a r 0 315 0 c a np r o v i d eu s e r sw i t hh i g h s p e e d ，a l w a y s 。o n ，t r a n s p a r e n t d a t at r a n s f e r , v 1 r t u a ip n v a t ed a ：t a c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s t i f f sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s sf r o m t h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，d e s i g n i d e a sa n di m p l e m e n t a t i o na n d o t h e r a s p e c t s f i n a l l y , i t g i v e ss o m e r e c o m m e n d a t i o nt oi m p r o v ea n de n h a n c et h es y s t e m k e yw o r d s ： a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，c o n c e n t r a t o r , a c q u i s i t i o n t e r m i n a l ，g p r sc e l l u l a rn e t w o r k v 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“ ) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士囹论文远程无线抄表系 统设计，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士口硕士囹学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包含他人已经 发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：孪钢争 日期：纱。尹f 2 7 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 远程无线抄表系统设计系本人在曲阜师范大学攻读博士口硕士囹学 位期间，在导师指导下完成的博士口硕士团学位论文。本论文的研究成果 归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人 完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文 的全部或部分内容。 作者签名：孪娴产日期：弘口，2 9 剔槛辄乏连像日期：叫i 嘣 量童缝缫 五线亟猩盐壶歪荭监让弋皇垫些婴窒堕：堡! ：笙茎：! ! ! ! 第1 章绪论 随着我国电力系统两网改造工作的逐渐推进，“一户一表，管电到户 政策的贯彻实 施，工业和民用供电网络急剧膨胀，使得供电企业对网络的管理任务日益加剧。如果仅凭 抄表工人挨家挨户地抄表，不但工作效率低，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。供电部门迫切的 需要一种全新的管理方式，能够从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电 量和负荷曲线等。自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。 1 1 自动抄表的发展现状 自动抄表系统的先进性和广阔的发展前景，使得关于自动抄表系统的研究在国外发展 很快。特别是美国、日本和欧洲，有很多公司从事这个领域的研究和开发，制定了许多标 准和通信协议，并且已生产出相应的产品。 在美国，用于家庭自动化和娱乐的技术推广，已选择t ( e i a ) 的c e b u s 标准( c o n s u m e r e l e c t r o n i cb u sc e b u s 定义了控制通信协议及7 种通信媒体) 。i e e e 的自动抄表协会 ( a r m a ) s c c 3 1 是研究各种通信方法的委员会。其中，也将c e b u s 中的电力线载波技 术作为一种可选方案。e i a 已要求a r m a 在配电自动化及仪表自动化中保持与c e b u s 文 本定义一致。委员会自身也在推广c e b u s 及r a d i o p l c 混合系统。另外，作为工业现场 应用的l o n g w o r k 总线已被作为美国空调暖通工程师协会( a d h r a e ) 的标准，l o n g w o r k 总 线也包括p l c 在内的多种媒体通信。利用l o n g w o r k 总线技术也可实现电力线载波自动抄 表通信。 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 kc o n s o r t i u m ”，并 开发了o p u s ( o p e np 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n ( 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h b e s ( h o m ea n db u i l d i n ge l e c t r o n i cs y s t e m ，家庭与楼宇电 器系统委员会) t c l 0 5 和( m a i n sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 主干( 电) 网通信系统委员会s c 1 0 5 a 建立了若干标准起草工作组。研究电力网载波系统通信协议标准、数据规范和系统接口， 以及用于装置与主干( 电) 网连接的滤波器和设备阻抗。虽然，电力网具有很大的吸引力， 然而，用于保证进户系统兼容性和抗干扰性的电抗及连接协议接口等通用功能，至今还没 有统一的设计，这是电力线载波受到关注的重要原因【l 】。 我国在这个领域起步较晚，但是发展势头非常迅猛，国内已有上百家企业从事自动抄 曲q u f u 芬n o r 即m a l 髫u n i v z e r s 亏i t y 表系统的研制开发工作。该技术目前在我国已开始应用于实际，远程抄表技术己被正式列 为上海市有关规划，已成为上海市智能化住宅小区的基本配置。 1 2 自动抄表方式比较 目前国内外普通采用的自动抄表方式有三种：i c 卡预付费、电力线载波自动抄表，远 程无线自动抄表，它们拥有各自的特点及适用范围【2 1 。 智能i c 卡预付费方式 智能i c 卡预付费技术源于国外，它是将用户信息存入卡中，利用微机技术、i c 卡技 术进行数据管理的方法。该方式有着自身的优点： 1 ) 采用预付费方式，避免纠纷。 2 ) 无需敷设管线及线路维护。 3 ) 限量消费，节约能源。 但i c 卡预付费方式也有着以下很多的弱点： 1 ) 技术不成熟，主要表现在经常出现误报警，即用户i c 卡中尚有足够用量的情况下， 表也会产生报警，并且停止供应，造成即便有卡也不能用电的情况，给人们造成一定的困 扰。 2 ) 利用i c 卡预付费方式，造成先买单后吃饭的问题，缺少人性化，因此只适用于散 户，不便于集中物业管理。国外i c 卡抄表方式只是在一些低档的或流动性场所使用，至 今仍未被广泛应用。另外此种方式需要用户到指定部门购买i c 卡，把本来属于卖方的劳 动由买方来承担，不能体现便民性。 3 ) 用户不能及时了解自己的消费情况，无法及时地核实自己的耗能数据。 4 ) 随着电子技术的发展，i c 卡越来越容易被解密，造成假卡或造成控制系统失效， 难以取证认定，易发生纠纷。i c 卡受到攻击后对住户或成国家都会造成损失。 5 ) 难以上网查阅，并且对水、电、气难以进行动态管理。 6 ) 售后服务很难解决，如果i c 卡或智能仪表出现问题，必须及时维修，会给物业部 门和管理部门造成巨大的负担。 7 ) i c 卡抗干扰能力差，价格高，寿命短，综合效益差。 电力线载波自动抄表方式 电力线载波方式是采集终端将电表数据调制后，通过电力线传递，在接收端解调还原 成数字信号，在同一台配电变压器供电范围内统一编址，并由采集器巡回读写的处理方法 p j 。电力线载波自动抄表方式的优点是：利用电力线传输，无需敷设线路节省资源。虽然 此种方式有明显的优点，但并没有在我国得到广泛地使用，主要是因为关键技术不能解决。 目前我国住宅小区使用的是低压电力网，低压电力网由于频率低，通道特性不具备一般性， 动q u f u 霹n o r 卯m a l 君u n i v 乒e r s 亏i t y 即不同线路的特性差异很大或线路信道具有时变性，而且线路噪声功率较其它线路大，所 以在这样的通道上实现常规的窄带传输比较困难。其缺点主要表现为： 1 ) 电网在传输数据过程中，经常受到无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导 致传输数据错码、丢码。 2 ) 家用电器启动时瞬间电压极大，产生许多脉冲信号，这些干扰信号叠加在电网上， 造成数据与原表的误差。 3 ) 传输距离有限。由于配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，电力载波信号只能 在一个配电变压区域范围内传递。数据传输距离受到限制。 要想充分利用电网进行载波就必须解决抗干扰接收问题和信号处理问题。然而我国的 电网的纯净度差，想要解决它，不但要相当大的投资，而且必须解决许多关键性的技术问 题，目前还很难实现。 远程无线自动抄表方式 远程无线自动抄表方式采用无线通信技术和计算机网络技术等自动获取、处理用户用 电信息。其具备有线抄表的优点，另外还能降低组网成本和网络维护难度，提高抄表的准 确性和实时性，使管理部门能及时准确地获得用户数据。随着无线通信技术的不断发展， 市场上出现了许多面向抄表系统的无线解决方案。目前比较流行的几种是：基于点对点无 线数传模块、基于g p r s c d m a 数字蜂窝网络【4 】、基于无线局域网技术或者是其中几种方 式的组合。远程无线自动抄表方式主要有以下优点： 1 ) 工作效率高。远程抄表系统以精确的构思，解决了管理部门与用户之间的矛盾。 以往每一个居民小区都需派专人抄表，不仅抄收数据繁琐，而且统计困难。采用远程抄表 系统后，计算机直接采集每个住户的电量数据，并进行分析、整理、存储，同时计算出相 关的费用，使供电企业及物业管理部门从根本上减少人工上门抄表带来的繁杂低效的运作 模式。当电价发生政策变动时，系统通过管理中心改变软件设置便可实现。这个系统能更 好的满足用户需求，达到科学管理、减员增效的目的。 2 ) 系统维护方便、升级容易。若需要更换网络中设备，只要在更换后通过微机重新 设置有关参数即可，无需变动现场其它硬件及参数，整个操作仅需几分钟。若要对系统进 行升级，这在以单片机为核心的网络型远程抄表系统是很容易做到的，将写入c p u 中的程 序进行调整，或配以相应的模块即可满足要求。 3 ) 可实现实时采集数据。管理中心计算机实时调用或定时将分散于各地的集中器数 据采集并汇总绘制成图表，从而实现远程自动抄表。还可以通过计算机网络与营业计算机 系统有机结合起来，实现数据共享、远程自动抄表，提供最原始的数据，绘制出用户日、 月、年的负荷曲线，掌握耗能配额及各用户耗能指数，做到整体监测、分析考核。 4 ) 可为居民提供公平、透明的消费平台。远程自动抄表，对用户而言，由于数据准 确可靠，为用户提供了一个对管理部门供应及自己使用情况的公正的了解，同时为管理部 曲q u f u 髯n o r 卯i i a l 嚣u n i v z e r s 亏i t y 门提供了用户用量及缴费情况的查询，从而避免由于关系、权利、人情造成的混乱，对改 善服务质量，提高管理部门形象起到了很大作用，具有明显的社会效益。 5 ) 可实现远程管理控制。可以随时监测用户表具运行状况，能及时发现表具故障。 远程抄表系统容操作性、方便性、管理理念及消费习惯的一致性于一体，组合运用当今的 多种成熟技术，为电量抄收问题提供一套全新解决模式。 然而，远程无线自动抄表方式也存在一些不足，使它没有大范围的推广开来，比如： 1 ) 采用点对点无线数传模块的远程抄表系统组网规模有限，网络结构单一，对中心 节点的依赖程度太高。一旦中心节点出现故障，会造成整个网络的瘫痪。 2 ) 采用g p r s c d m a 数字蜂窝网络的远程抄表系统组网成本太高，并且网络运行过 程中会产生高昂的数据通信费用。 1 3 论文的研究内容及结构安排 本论文的目标是结合目前的计算机技术和通信技术，提出一种新的网络结构，实现远 程自动抄表功能，并且要尽量避免目前存在的抄表系统的缺点。本论文的主要研究内容是 在用户电能表和管理中心计算机之间搭建可靠的通信链路，然后开发与之匹配的管理软 件，以实现远程自动抄表的目标。 论文共分五章，第一章绪论，介绍了自动抄表的现状，并对目前存在的主流抄表方式 进行了比较。第二章系统总体设计，进行了项目需求分析，给出了总体设计方案。第三章 数据通信链路的建立是本论文的主体部分，介绍了电能表、采集终端、集中器和管理中心 之间通信链路的建立过程。第四章管理软件设计，主要介绍了管理软件的开发平台和实现 过程。第五章总结展望，是对本课题的一个总结，另外给出了本课题后续研究的一些方向。 4 塑勉蕉缫 第2 章系统总体设计 本课题的目标是设计一套完善的自动抄表系统，该系统要提供优良先进的无线网络保 障，让供电企业可以实时的掌握供电网络的运行情况，便于日常管理和维护；要做到明显 提高供电企业的工作效率，减轻工作人员劳动强度，减员增效，降低管理运行费用。 2 1 项目需求分析 为了达到本课题的设计目标，参照国家和电力行业的相关标准基础上，特别是针对国 标d l t6 9 8 1 9 9 9 低压电力用户集中抄表系统技术条件，提出本远程无线自动抄表系统 的功能特征1 5 j ： 1 ) 用户基本档案管理功能：用户基本资料与营销m i s 系统客户资料保持一致并能及 时更新。 2 ) 整个系统安全性：登录系统的安全管理及各操作人员的权限管理至少要分为三级 ( 管理员、维护人员、工作站值班员) 。 3 ) 抄收和存储功能： a ) 定时抄功能：按设定抄收时间间隔以及抄表周期( 当地电力部门规定自动抄表 时间) ，自动抄收集中器中的各用户电能表的走度及其它信息。抄收时间间隔以 及抄表周期可以以任意时间设定，时间间隔精确到分钟； b ) 实时抄功能：具有实时随机点名抄读及按地址选抄功能( 含设备的基本常数的 随机召读) ； c ) 实时数据采集功能。系统能实时双向对电能计量终端进行数据的采集； d ) 采集的数据要求至少保存三年( 每月的抄见数) 。 4 ) 未抄收到数据补抄、提示、统计功能：系统对在规定的抄读间隔时间内未抄读数 据的电能表应有补抄功能。系统能自动提示在规定的抄读间隔时间内未抄读数据的电能 表，可按小时、天和月统计未抄读到数据的电能表总次数。 5 ) 设置功能：设置设备初始参数、主站操作软件参数，即可对集中器设置自动抄表 周期、抄读间隔及其它运行参数，并有防止非授权人员操作的措施。同时具备对集中器、 采集器等远程设置的功能。 6 ) 校时功能：可实现系统校时。同时具有与营销m i s 系统自动对时的功能，以营销 m i s 系统的时钟为主时钟。所有的采集数据均带时标。 7 ) 自诊断功能：可自动进行系统自检，发现设备( 包括通信) 异常应有记录和报警。 曼缎缫j 必嵫、塑塑塑型 能以弹出报警框的方式自动导出报警记录。 8 ) 系统操作的检查并记录：详细地自动记录所有操作人员登录系统后所进行的任何 操作。 9 ) 与现有电力部f - jm i s 系统兼容功能：可方便地与电力部门i d i s 接口，并与现有的 i d i s 系统具有同样的数据库。能实现与营销m i s 系统、负荷控制系统、远程抄表系统、电 能量管理系统等的平滑连接。 1 0 ) 扩展功能：可发布冻结命令( 含电量冻结时刻) ，可抄读任意每个电表的冻结电 量时刻及其相应冻结时刻的冻结电量( 含抄读集中器中储存的冻结电量和从采集终端( 数 据采集器) 中点名抄读每个电表的冻结电量) ，采集终端和采集模块应对需要中继传输的 数据单元具有中继传输功能。 11 ) 数据分析功能：能自动分析客户用电情况并进行前后比对。同时能自动生成客户 电力负荷曲线和其他用电图表资料。 1 2 ) 远程控制计量终端的功能：对带远程控制功能的电能计量装置在客户电费等出现 异常时能远程控制电能表电源的通、断，并具有远程恢复的功能。 1 3 ) 自动报表生成功能：能将采集的电能量数据按照电能计量规程的要求自动形成报 表输出。 2 2 总体设计方案 本远程无线自动抄表系统采用r s 4 8 5 总线、z i g b e e 无线网络和g p r s 网络相结合的 混合网络结构，该网络从系统构架上基本分为三部分6 1 ，见图2 1 系统框图。 其中：d 用户电能表，c 采集终端，j 小区集中器 图2 1 系统框图 前端为具有z i g b e e 组网功能的采集终端。个单元所有用户的电能表都通过r s 4 8 5 电缆连接在这台采集终端上，构成z i g b e e 网络的一个节点( 全功能结点f f d 或者精简功 6 墓攫缫 能节点i 讧d ) 。r s 一4 8 5 有线通讯网通过在一对平衡的互连电缆上传送差分信号并在接收端 进行信号判决的方式来实现数据传输，该网络具有抗干扰能力强，传输距离远( 1 2 0 0 m ) ， 数据速率高( 1 0 0 k b p s ) 的特点。国标d l t6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约中对电能 表r s 一4 8 5 通信的电气特性做了具体的规定，国内主流电能表生产商的产品都遵循上述规 定。采集终端通过r s 4 8 5 总线采集电能表的数据，可以兼容大多数电子式电能表，而不 需要重新制造安装新表，为旧居民小区的远程自动抄表改造提供了极大的便利。 中端为小区集中器【7 l 。集中器主要由两个无线通信模块组成：z i g b e e 无线模块是小区 z i g b e e 网络的协调器，负责网络的组建和网内数据交换；g p r s 无线模块负责通过移动公 司的g p r s 网络接入i n t e r n e t ，实现跟管理中心的数据交换。集中器内部完成i n t e m e t 网络 和z i g b e e 网络之间的数据交换，为管理中心和现场采集终端建立通信链路。 远端为管理中心。管理中心是远程自动抄表网络的控制节点，负责整个网络的组建和 维护。所有的控制指令都通过管理中心下发到各台小区集中器，所有的数据也都上传到管 理中心进行分析、存储。本设计中，管理中心自动监控后台数据库，将客户的操作指令按 照指令帧格式配置指令，通过s o c k e t 端口把指令发给g p r s 网关，命令z i g b e e 网络做相 应动作；监控指定s o c k e t 端口，接收来自z i g b e e 网络的心跳信号或指令返回结构，把相 应数据写入数据库。 7 肋q u f u 霹n o r 即m a l 荔u n i v z e 鹇亏i t y 第3 章数据通信链路的建立 本课题的主要工作就是在电能表、采集终端、小区集中器和管理中心之间建立低成本、 易维护、高可靠性的通信链路。以保证管理中心的命令能够准确及时的到达指定采集终端， 同时采集终端的数据按相同的通信链路返回管理中心。本章将主要介绍抄表系统在电能 表、采集终端、小区集中器和管理中心之间通信链路的建立。 3 1 采集终端与电能表的通信 采集终端与电能表之间的通信采用r s 一4 8 5 协议。国标d 坍6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表 通信规约中对r s 一4 8 5 通信的物理层和链路层做了详尽的定义。目前市场上的电子式电 能表绝大多数都遵循上述规约，这就使得我们开发的远程无线自动抄表系统具有极好的兼 容性。下面将重点介绍采集终端的硬件平台、r s 4 8 5 协议内容和采集终端内软件的实现。 3 1 1 采集终端的硬件平台 采集终端是一台基于t i 公司m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的嵌入式系统。除主控芯片 m s p 4 3 0 f 1 4 9 以外，系统主要还有两大功能模块：r s 4 8 5 接口转换模块，负责跟电能表的 通信；z i g b e e 无线模块，负责跟小区集中器的通信。 3 1 1 1m s p 4 3 0 f 14 9 单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机是德州仪器( t i ) 推出的一款1 6 位超低功耗r i s c 结构的混合信 号处理器，它以其独特的性能和丰富的片内外设成为电子技术设计开发的主流芯片之一【8 】。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的最大优点就是超低功耗。在1 8 , - - - , 3 6 v 电压，1 m h z 时钟频率下运行， 耗电电流在0 1 l a , a - - 4 0 0 1 t a 之间，在中断等待方式下，电流为0 7 衅；为了降低系统功耗， 本单片机共有5 种低功耗模式，并且可以在6 1 a s 内从低功耗模式迅速进入活动模式。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 所有的操作，除了程序流程指令，都是通过源操作数的7 种寻址模式和 目标操作数的四种寻址模式的组合对寄存器进行的。c p u 集成了1 6 个寄存器，减少了指 令执行时间。寄存器到寄存器操作的执行时间是一个c p u 周期。4 个寄存器( 程序计数器、 堆栈指针、状态寄存器、常数发生器) 用作特殊用途，其余的都可以用作通用寄存器。外 围模块通过数据、地址、和控制总线与c p u 相连。通过所有存储器操作指令可以很容易的 8 固密q u f u 乌n o r 鲰m a l 豢u n i v 未e r s 瘩i t y 对它们进行控制。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用“冯诺依曼存储结构，程序存储器r o m 和数据存储器r a m 在 同一地址空间，在0 0 0 0 0 h 0 f f f f h 这一段范围内从低到高分别是：特殊功能寄存器、外 围模块地址、数据存储器、程序存储器和中断向量表。m s p 4 3 0 f 1 4 9 有6 0 k bf l a s hr o m 和2 k br a m 。表3 1 所列为其存储器的组织结构。 表3 1m s p 4 3 0 f14 9 的存储器组织结构 组织结构m s p 4 3 0 f 1 4 9空间大小 中断向量地址 0 f f e o h o f f f f h3 2 b 代码存储器地址0 11 0 0 h 0 f f d f h6 0 k b 信息存储器地址 0 1 0 0 0 h 0 1 0 f f h2 5 6 b 引导存储器地址 0 c o o h - 0 f f f hl k b r a m 地址0 2 0 0 h - 0 9 f f h2 k b 1 6 位外围模块地址 0 10 0 h 0 1f f h2 5 6 b 8 位外围模块地址 0 0l0 h 0 0 f f h2 4 0 b 特殊功能寄存器地址 0 0 0 0 h 0 0 0 f h1 6 b m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片的时钟系统支持基本时钟模块，包括支持3 2 7 6 8 h z 晶振、一个内部 数字控制的振荡器( d c o ) 和一个高频晶体振荡器。基本时钟模块的设计是为了同时满足 低成本和低功耗的要求，内部d c o 可以在6 微秒内快速打开时钟源并稳定【9 】。 单片机的抗干扰能力有限，尤其是处于工业现场的仪器仪表，常由于电压不稳、电弧 干扰等造成死机。为了保证系统在遭受干扰后自动恢复正常，看门狗定时器( w a t c hd o g t i m e r ) 能发挥重要作用，其主要功能是在发生软件问题后进行控制系统的重启。如果选定 的时间间隔溢出，系统自动复位。如果看门狗功能在应用中不需要，这个模块可以配置为 间隔定时器，在选定的时间间隔产生中断。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 中有两个已实现的u s a r t 接口：u s a r t 0 和u s a r t l ，两者具有相同的 功能，但是它们用不同的引脚通信，用不同的寄存器控制模块，相同功能的寄存器具有不 同的地址。本设计中的采集器利用了这两路串行接口：一路和r s 4 8 5 驱动芯片连接，用于 电能表数据的采集，另一路直接和z i g b e e 模块连接，用于跟集中器的通信。这两路串行接 口都工作在异步通信模式。在异步模式下，波特率的发生是本地完成的，也就是说要正确 地进行异步通信，通信的双方必须使用相同的波特率【l 引。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的波特率发生器使用一个分频计数器和一个调节器，分频因子n 由送到 分频计数器的时钟( b r c l k ) 频率和所需的波特率来决定 n = b r c l k 波特率 如果使用常用的波特率与常用的晶体产生的b r c l k ，则一般得不到整数的n ，还有 小数部分。分频计数器实现分频因子的整数部分，调整器使得小数部分尽可能准确。分频 因子定义如下： n = u b r 十( m 7 + m 6 + + m 0 ) 8 曲q u f u 聋n o r 卯m a j 雾u n i v 劣e r s 亏i t y j 龇幽、塑型塑生 其中，n 为目标分频因子；u b r 为u x b r l 和u x b r o 中的1 6 位数据值；m x 为调整 器寄存器( u x m c t l ) 中的各数据位。那么，波特率可由下式计算： 波特率= b r c l n = b r c l 科( u b r + ( m 7 + m 6 + + m 0 ) 8 ) 。 3 1 1 2 采集终端的硬件原理图 采集终端负责接收多个电能表的电能量信息，经处理后储存在采集终端上，停电或复 位后数据信息不应丢失和发生变化。采集终端需要具备以下功能：通过r s - 4 8 5 接口与电 能表通信功能，向电能表发送校时、初始化、读表指令，接收电能表的电能量；通过z i g b e e 网络与集中器的通信功能，接收上位机的指令，并将操作结果返回上位机；可储存前 一次采集的总电量、当前电量、当前总电量( 分时记费、复费率电能表按照电能表数据进 行采集) ，存储时间为一年；可储存上月复位日总电量、分时电量；记录本月和上月最大 连续不用电天数及起始时刻；具有分时段存储功能：具有按峰、平、谷以及4 种以上不同 费率同时存储电能量数据信息的功能n 。 为完成以上功能，设计如图3 1 硬件电路，其中省略掉了电源稳压电路、滤波电路和 一些外围元件【l2 1 。图中的l e d l 、l e d 2 、l e d 3 分别用于指示接收数据、发送数据和无线 网络状态。 1 0 曼艘缫 图3 - 1 采集终端的硬件原理图 m s p 4 3 0 f 1 4 9 在硬件上具有2 路t t l 电平的串行接口，其中c o m o 直接与c c 2