（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的无线抄表系统的研究与应用.pdf

摘要 远程抄表技术是将数据远程采集、传输和处理应用于自来水、电力、天燃气( 以 下简称水、电、气) 供应与管理系统中的一项新技术。传统的远程抄表，无线系统 一般用于数据处理中心和数据通信中心的远程通讯，在表和数据通讯中心的短距 离通信一般使用有线通讯。如今以a r m 处理器作为主c p u 的嵌入式硬件平台，一 方面，它具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高等特点，另一方面，它为高速、 稳定地运行嵌入式操作系统提供了硬件基础。无线射频通讯成本低，可靠性好， 环境适应能力强，本文就对基于a r m 的射频无线抄表系统的开发进行了研究。 本文主要对以下五个方面的技术进行了研究：一是介绍了远程抄表的背景和 意义。二是介绍了国内外广泛使用的几种典型的远程抄表系统的原理及其系统组 成，分析了各种远程抄表系统的优、缺点以及适用范围；三是基于课题的需要， 介绍了嵌入式系统。四是搭建基于a r m 的硬件平台。硬件平台设计以三星公司的 a r m 9 2 0 t 核的$ 3 c 2 4 4 0 a 为微处理器，根据系统要求完成s 3 c 2 4 4 0 a 夕b 围器件的设 计，包括6 4 mn a n df l a s h 、6 4 m s d r a m 、s d 卡以及u s b ，串口通信的电路设计， 射频无线通讯和视频采集的设计。五是对w i n d o w sc e 操作系统的移植。平台移植 过程中b o o tl o a d e r 开发，o a l 层修改，串口和l c d 驱动程序的开发，内核的定制 过程。在应用程序开发中，p b 中导出s d k 的过程以及e v c 应用程序的调试，对数 据库进行了开发。最后，指出了本远程自动抄表系统中有待完善的地方以及抄表 技术今后的发展趋势。 关键字：自动抄表a r mw i n d o w sc e 操作系统 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 san e wt e c h n o l o g yw h i c ha p p l i e sd a t aa 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 t e r ，p o w e r ，a n dg a ss u p p l ya n dm a n a g e m e n ts y s t e m i n t r a n d i t i o n a la m rs y s t e m ，g s mo rg p r ss y s t e mw a su s e dt ot r a n s m i t i n gd a t a p r o c e s s i n gc e n t e ra n dc o m m u n i c a t i o nc e n t e r g e n e r a l l y , t h e r ea r ee q u i p p e dw i t hw i r e s b e t w e e nm e t e ra n dc o m m u n i c a t i o nc e n t e r n o w a d a y s ，t h ee m b e d d e dh a r d w a r e p l a t f o r m 讥ma r mp r o c e s s o ra sm a i nc p u h a sa l m o s tb e c o m e st h eh a r d w a r ec r i t e r i o n f o r t h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y t h e r e f o r e ，e m b e d d e d s y s t e mc o m p o s e do fa r m p r o c e s s o r - b a s e dh a r d w a r ep l a t f o r m r a d i of r e q u e n c yi sl o wc o s t i n g , h i g hr e l i a b l e ，a n d w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h i st h e s i si st os t u d ya n dr e a l i z et h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do na r ma n dr a d i of r e q u e n c ys y s t e m t h i st h e s i si st os t u d yt h ef o l l o w i n gf i v et e c h n o l o g i e s ：f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n d s i g n i f i c a t i o no fa m ri si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e ss o m ef a m i l i a r a m rs y s t e m sh o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y z e st h e i rc h a r a c t e r i s t i c s t h i r d l y , b a s e do nt h e r e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c tr e s e a r c h ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h er e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，s u c h a se m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m , a r ma n ds oo n n e x t ，t h eb m l d i n g o ft h eh a r d w a r e p l a t f o r m i sb a s e do na r m t h eh a r d w a r ep l a t f o r mu s e s a r m 9 2 0 t - c o r e d $ 3 c 2 4 4 0 af r o ms a m s u n gc o r p o r a t i o na sam i c r o p r o c e s s o r , a n d c o m p l e t e st h ed e s i g no fp e r i p h e r a ld e v i c e sa c c o r d i n gt ot h es y s t e m sr e q u i r e m e n t ， i n c l u d i n gt h ed e s i g n so f6 4 m n a n df l a s h 、6 4 m s d r a m 、s dc a r d ，c o m m u n i c a t i o n c i r c u i tb e t w e e nu s ba n ds e r i a lp o r ta n dr a d i of r e q u e n c ys y s t e m a tl a s tb u tn o ta tl e a s t , w i n d o w sc eo p e r a t i o ns y s t e mi sc h o s e nf o rt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fb o o tl o a d e r d u r i n g t h ep l a t f o r mt r a n s p l a n t ，t h e m o d i f i c a t i o no fo a l l a y e r , t h ed r i v e rd e v e l o p m e n tw i t hs e r i a lp o r t s ，l c dd r i v e r , a n d t h ec u s t o m i z a t i o np r o c e d u r eo ft h ec o r e d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n p r o c e d u r e s ，t h es d kd e r i v i n gp r o c e d u r ef r o mp ba n dt h ed e b u g g i n g o fe v c a p p l i c a t i o np r o c e s si si n t r o d u c e d a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，i td e p i c t st h ed i f f i c u l t i e si n t h i sa m r s y s t e ma n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fa m rt e c h n o l o g yi nf u t u r e k e y w o r d ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga r mw i n d o w sc e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 一、i 本人签名：! 亚壁：幽叁日期至塑：汇 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：建! 进篁 导师签名： 日期迎2 ：! 望 昌期芝2 ：i ：2 第一章绪论 1 1 1 无线抄表技术 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 如今，在美国、加拿大、日本和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用自动抄 表系统代替传统的人工抄表，尤其是煤气表的自动抄表，己经有几十年的发展历 史。a m r ( a u t o m a t i o nm e t e rr e a d e r ) 技术在8 0 年代就诞生在美国。在一些发达国家 已实现了抄表自动化和银行联网付费的功能。自动抄表系统的快速发展得益于8 0 年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，它们使得a m r 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， 如今a m r 系统己达到可以大规模推广的实用性阶段。8 0 年代中期以来，美国在 a m r 技术的开发和应用上就己取得了长足的进步：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；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 年初就已装了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 tr e p o r to na m rd e p l o y m e n t ”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。至u 2 0 0 1 年已经有9 1 百万美元的营业额。而在s c o t 报告中，截至至u 2 0 0 3 年1 月， 北美已经有4 9 ，311 , 3 7 2 个单位使用自动抄表。在欧洲，由于官方宣称在2 0 0 0 年前后 撤消对公用事业的某些管制( 例如供货、销售等) ，引起了公用事业企业间的竞争加 剧。a m r 技术成为企业提高服务水平、争取用户并提供及时的耗用信息、降低销 售成本的重要手段，于是英、法、德、意等国的企业纷纷制订发展a m r 技术的计 划。其中能生产自动抄表设备的表具制造公司有英国的d r e s s e ri n d u s t r i e s ，法国的 m a g n o l ，德国的s c h l u m b e r g e r ，意大利的m e t r u m o 另外，美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表研究协会a m r a ( a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n ga s s o c i a t i o n ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次年会都有专题报道， 旨在进一步发展和推广a m r 技术。近年来欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表技术协会( u k a m r a ) t g 相继成立。与此同时，i e c 的t c l 3 和t c 5 7 两大标准化组织在其标准体系中都为a m r 系统制定了相关的标准。各种形式的 基于a r m 的无线抄表系统的研究与应用 a m r 系统，各种新的a m r 技术不断推陈出新，推动着整个自动抄表技术行业的发 展。 1 1 2 嵌入式技术 随着计算机和通信技术的快速发展，嵌入式系统己经广泛渗透到人们的工作、 生活中，从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表到汽车、航天航空、 军事装备、制造工业、过程控制等。尤其是随着嵌入式系统与i n t e r n e t 的日益结合， 使得嵌入式应用项目越来越多样化，嵌入式电子产品的功能也日益强大【l 】【2 】。 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，是嵌入式 系统的核心。而a r m 处理器具有高性能低功耗、低成本等显著优点，已成为高性 能、低功耗嵌入式微处理器的代名词，是目前3 2 位、6 4 位嵌入式处理器中应用最 为广泛的一个系列。而英国先进r i s c 机器公司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 作为 f a b l e s s 、c h i p l e s s 这一生产模式最为成功的典范，既不生产芯片，也不销售芯片， 而是设计出高效的口内核，授权给各半导体公司使用；半导体公司在a r m 技术的 基础上，根据自己公司的产品定位，添加自己的设计并推出芯片产品；最后由o e m 客户采用这些芯片来构建基于a r m 技术的最终应用系统产品。经过1 0 多年的发展， a r m 公司己是业界领先的口供应商【3 1 。 a r m 微处理器得到了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，全球己有1 0 多 家公司在采用a r m 技术，2 0 家最大的半导体厂商中有1 9 家是a r m 的用户，包括t i 、 p h i l i p s 和i n t e l 等公司。优良的性能和准确的市场定位极大地丰富了a r m 资源，加速 了基于a r m 核的、面向各种应用系统芯片的开发应用，使得a r m 获得了更广泛的 应用，确立了a r m 技术的市场领先地位。a r m 在高性能嵌入式应用领域获得了巨 大的成功，己在3 2 位嵌入式应用中稳居世界第一。在2 0 2 年，基于a r m 核的芯片占 据了整个3 2 、6 4 位嵌入式微处理器市场的7 9 5 ，全世界已使用- j 2 0 多亿个a r m 核。 如今，a r m 公司已经成为业界的龙头老大，“每个人口袋中都装着a r m 是毫不 夸张的，因为几乎所有的手机、移动设备、p d a 都是用基于a r m 核的系统芯片开 发的。 嵌入式操作系统是支持嵌入式系统工作的操作系统软件，一般用于比较复杂 的嵌入式系统软件开发中【4 】。嵌入式操作系统一般具有实时特点，是嵌入式系统的 灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量， 而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。目前常见的嵌入式操作系统有l i n u x 、 p c o s i i 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 等。其中w i n d o w sc e n e t 是微软 推出的一款面向嵌入式应用的操作系统，它继承了w i n d o w s 家族优秀的图形用户 界面，是一款多任务、模块化、实时性能好、通信能力强大且支持多种c p u 的操 第一章绪论 作系统。w i n d o w sc e n e t 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品等 领域设计开发的操作系统产品，已开始广泛应用于数码相机、智能手机、p d a 、 工业控制等嵌入式领域。 1 2 本课题的主要任务 本课题主要讨论了一种基于a r m 微处理器的无线抄表系统的研究与实现的方 法。系统的主要功能是：建立无线传输和视频采集的硬件平台，以w i n d o w sc e 为 嵌入式操作系统，使其通过视频采集模块采集图像，并将视频图像实时的显示在 l c d 上，建立无线的传输通道。 本文中主要论述了在以基于a r m 核微处理器的嵌入式系统的无线抄表系统的 设计中，对软硬件平台设计的过程，主要包括下面三部分内容： 1 对无线抄表的组成和原理进行了研究。 2 以$ 3 c 2 4 4 0 为核心处理器，选择合适的存储器以及需要的各个接口设备等， 完成了无线抄表系统的硬件设计。 3 对嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的开发进行了分析，进行了w i n d o w sc e 操作 系统的b o o tl o a d e r 开发，底层o a l 的开发和驱动程序的开发，还包括对w i n d o w s c e 操作系统内核的定制和应用程序的开发。 1 3 论文的组织 论文一共分为六章： 第一章为绪论，介绍了本论文的研究背景、研究意义和本论文的主要内容。 第二章介绍了远程抄表技术的原理和图像采集的原理等。 第三章对嵌入式系统进行了概述，介绍了a r m 技术和w i n d o w sc e 操作系统。 第四章介绍了硬件平台的设计。主要说明了s 3 c 2 4 4 0 的基本结构，并对硬件平 台的存储系统，通讯接口的设计，无线传输模块等做了详细的介绍。 第五章介绍了w i n d o w sc e 操作系统的开发，主要包括b o o tl o a d e r 开发，底层 o a l 的开发和驱动程序的开发，还包括对w i n d o w sc e 操作系统内核的定制和应用 程序的开发。 第六章是对本论文的总结和展望。 第二章远程抄表原理 第二章远程抄表技术原理 2 1 远程抄表系统的组成 自动抄表技术发展到今天，已经形成了“f c s ( f i d d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 构架、 嵌入式单元”的鲜明特点。抄表技术的核心就是数据的采集和传输，因此抄表系 统就是一个整合了各个仪表数据的通信系统，同时融合了测控技术和软件技术。 自动抄表系统a m r s ( a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 结构一般由计量表，数 据采集器，传输控制器，抄表系统中心计算机四级机构组成。a m r 系统中仪表数 据与控制信号传输路径称为通信通道，可分为上行通道和下行通道。上行通道指 的是上层传输控制器与管理中心计算机之间的远程通信线路，其主要通信方式有： 公用电话网，电力线，无线g p r s 或g s m ，以太网，卫星通讯等；下行通道指的是 数据采集器与传输控制器之间的通信线路，目前主要有：r s 4 8 5 总线，l o n w o r k s 总线，短距离射频无线等。根据自动抄表系统的功能，可以将它看成一个数据采 集和简单的数据通讯系统【5 】。如果将远程的数据传输看作上行通讯，近端的数据传 输看作是下行通讯，则抄表系统的一般结构可表示如图2 1 所示。 抄表系统 管理中一心 抄表中一心 上行通讯 图2 1 抄表系统结构图 中一心 通讯 6 基于a r m 的无线抄表系统的研究与应用 计量表：指用户使用的电表、水表、气表，一般分为传统机械型和脉冲输出 型两种。机械式表需要加装传感器，脉冲输出型则可以直接输出脉冲信号到数据 采集器，使得系统的设计很方便。 数据采集器：负责采集测量点数据，并根据协议处理、封装、存储结果，同时 将得到的结果送至传输控制器：与此同时数据采集器还接收传输控制器转发抄表 中心的各种操作命令。采集器既可以做成一表专用型，也可以做成多表通用型。 前者只能采集、存储某一具体计量表的数据，后者则可以同时采集、存储多块计 量表数据。可以依据实际情况灵活地采用不同的嵌入式系统。 传输控制器：主要完成两项任务，一是完成与采集器的数据通信工作，定时或 实时抄录采集器内计量表的数据，或根据系统要求接收某个计量表的数据，并将 数据存储在存储器内，供计算机随时调用。二是根据系统要求完成与管理中心计 算机的通信，将用户仪表数据等传送到管理中心数据库中。 管理中心计算机：调用传输控制器内计量表的数据，将数据处理、显示、存储、 打印，并向控制器发出各种操作指令，对其设置各种通讯、操作参数。系统一般 具有查询、管理、自动校时、定时或实时抄表、超载报警、断线检测功能。如果 与营业网联网，还可以进行费用结算、票据打印、统计报表、实时收费等功能。 由于系统中有控制命令和仪表数据需要传送，其通信方式的选择就很重要， 先比较各个通信方式的特点。 2 2 几种常见的上层通讯方式 2 2 1 公众电话网方式 公众电话n ( p s t n ，p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 自动抄表系统利用电信 系统铺设好的公共电话网作为载体，只需在终端仪表和抄表中心服务器上加装调 制解调器，利用电话网进行数据传输，其通信速率可达2 4 k b p s ，9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s ， 它是最早出现的远程自动抄表系统，采用公众电话网的远程自动抄表【o j 。 系统结构一般为：数据采集器将采集到的仪表数据汇集到数据集中器，再利用 调制解调器将数据传送到电话交换网上。同样，位于远端的监控中心服务器通过 调制解调器与公用电话网连接，接收电话交换网上的数据并保存到本地进行处理。 整个系统由监控中心计算机发出数据接收指令，通过m o d e m 拨号上网将指令发给 数据集中器，数据集中器根据指令选择接通通路。接通通路的电表数据经过数据 采集器采集，由专用m o d e r a t e 集到数据集中器，然后数据通过公众电话网返回给 监控中心计算机。公众电话网远程自动抄表系统采用现有的公用电话网，不必再 另外投资建网，只要两地能通电话即可完成抄表和监控，节省系统建设的成本。 第二章远程抄表原理 电话抄表的技术也己经比较成熟，信号的传输比较稳定，抄收成功率高，传输误 码率低。每个数据集中器的地址不同，确保了数据通讯的准确无误。而且电话线 抗干扰能力较强，适用于远程传输数据。 这种方式的主要缺点是：线路的连通时间较长，从几秒到几十秒；抄表计算机系 统频繁的拨号读数形成了对用户的“电话干扰”，数据传输速率较低，对于需要 频繁抄送仪表、仪表数据量较大的系统来说，此种方法效率较低。此外，电话抄 表方式受限于电话网的铺设场所，工作需要电信行业的配合，主要应用在居民小 区，对于位于野外场所的一些工控仪表，将无法直接实施。若采用单独布线的方 案，工作量较大，不仅增加了制作成本，而且存在通道易遭到破坏的问题。因此， 在实际应用中电话抄表方式易受到用户抵制而不易推广，随着新技术的出现，使 用该技术的远程自动抄表系统在实际现场的运用己越来越少。 2 2 2 电力线载波方式 电力线载波( p l c p o w 盯l i n ec a r r i e r ) 是电力系统特有的、基本的通信方式，是 指利用现有电力线，通过载波方法将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力 线载波远程自动抄表系统采用电力线载波通讯技术，通过输电线路来实现通讯 它是利用电能传输使用的特点所采用的特有的通讯方式。根据载体传输电压的特 点主要有电力载波通讯、配电线载波通讯和低电压载波通讯三种川。其工作原理是 将仪表终端的各种数据通过采集设备调制后，通过电力线( 交流输电线) 传送，由中 心控制站在接收端再将其还原成数据信号，进行调制接收，实现双向通讯。 囝2 2 电力线载波远程抄袭 由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介电力线载波通讯具有 无需布线，安装使用比较方便，无需支付抄袭时数据传输的费用，通信线路不易 破坏，路由合理，可同时复用远动信号等特点，是不需要线路投资、无需维护的 有线通信方式，也是世界各大公司及研究单位争相研究的热点。国外许多著名公 司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相应的器件和产品如 一 哗o i 一。| | 学 幢 一 i i 一 奄 一 。 一 船 n 蕈一 基于a r m 的无线抄表系统的研究与应用 i n t e l l o n ，t h o m s o n ，a t m e l 等。 我国从5 0 年代开始电力线载波通讯技术的研究，8 0 年代发展到全盛时期， 9 0 年代初期以后，电力线载波技术的需求随着经济的发展进一步扩大。国外网络发 展很快，实现了在p l c 上传送大量信息的功能，有的厂商已在m h z 频段上开发产品， a b b 公司在低压和中压配电系统上均有高速p l c 的经验。但是在频段过高( 1 m h z ) 时高频辐射过大而难以得到电信管理部门的使用许可。欧盟己发布用于低压载波 的标准e n 5 0 0 6 5 ，规定用3 1 4 8 5 k h z 为载频，我国大多为载频1 0 0 k h z 左右，但目 前在我国国内，电力线载波技术的发展遇到了一些问题，尤其是我国电力网污染 比较严重，在很大程度上影响了电力线载波的数据传输质量。简单地说，影响电 力线载波传输质量主要有两个因素：一是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是 噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定着数据传输的 质量，其不利特性具体表现在以下几个方面： 1 低阻抗：变压器和用户设备如空调、冰箱等有着极低的阻抗。可以使传输 信号严重衰减。 2 可变阻抗：在线负荷变化大，如家电设备的瞬间起动等等，使得通信设备无 法设计阻抗匹配。而且电力线的网络结构具有随机不定特性，因此造成网络阻抗 的时变特性，这对载波设备的适应性设计造成很大困难。 3 可变的分布阻抗：可变的分布阻抗几乎对所有频率的信号都起着衰减或隔 离的作用，如分布电感可将高频断路、低频短路，而分布电容则可将高频短路、 低频断路。这些变化没有规律，呈随机状态。 4 噪声：电力网的嗓声干扰主要由配电变压器和用户装置产生。噪声基本来源 为：开关电源，通用交、直流两用电机，带有可控硅的调光、调压装置，通信设备 及其它智能建筑产品等。这些设备产生的背景噪声包括随机噪声、平滑频谱噪声 以及工频谐波噪声等，可为尖刺、宽带和谐波形式。 5 。另外，高频时的容性阻抗和低频时的感性阻抗使信号严重衰减，载波信号 中所携带的数字信号经过电力线传输后产生了巨大的畸变都对载波通讯造成很大 的影响。 正是由于以上这些原因使得电力线载波技术在传输距离和数据传输的准确性 方面难以实现突破，使得电力线载波抄表技术很难真正地在国内推广应用，目前 只是在电能表抄表应用方面有些试点，真正推广还要有相当的历程，需对现有的 电力线载波抄表技术进行深入的研究和改造，目前常见的有常规载波法、扩频载 波法、超窄带( u n b ) 电力载波通讯等，以提高通信的抗干扰能力等。一旦解决了这 些问题，电力载波通讯技术的发展前景将是十分广阔的。 2 2 3 基于g s m 网络的无线抄表系统 第：章远程抄表原理 作为手机增值服务的短消息功能在我国已经得到广泛的应用，它是g s m 系统 提供给用户的种重要数字业务，不需要建立端到端的业务通道，一次短消息的 传送就是一次通信的完成，具有分组数据的特点。而且它除了能完成文字信息的 传送之外，还可以作为数据业务的承载平台，开发各种应用系统口】。基于短消息方 式的远程自动抄表系统就是利用电信部门提供的s m s 功能实现仪表数据的远距离 传送。g s m 模块之间能够通过s m s 进行数据传输，利用该项功能，只需将具有s m s 服务功能的g s m 模块加入到每一只仪表和中心管理计算机中即可以实现远程无 线抄袭。在实际抄表过程中，由中心管理计算机向特定的仪表发送抄表命令，抄 表命令被封装成短消息格式发给远端仪表或是数据集中器，远端仪表或是数据采 集器再把相应的仪表数据以短消息的格式返回给中心管理计算机，从而完成抄表 过程。 掣蜊船垦 剿i - i 。 i 1 ；夕 圈2 3g s m 远程抄袭 采用短消息方式通讯的远程自动抄表系统具有以下几个优点： 1 系统结构简单。系统由主站和抄表终端两部分组成利用现有的g s m 网络， 技术成熟，不需要另外昂贵的系统设备，也不受时间、空间的限制 2 安装、维护运行方便，对有线网络依赖少。系统安装比较方便，只要在设 备仪表附近安装带g s m ；漠块的数据采集装置即可。与其它远程抄表系统相比，此 系统基本不需要任何维护工作，只要电信部门的g s m 网络能正常工作，系统就能 正常工作。 3 覆盖范围广。只要在g s m 网络能覆盖到的范围内，都可以快速地建立一个 覆盖范围广的远程自动抄表系统 4 运行成本低。只需支付短消息费用，无需支付其它运行维护费用，目前国 图 i o 基于a r m 的无线抄表系统的研究与应用 内的短信费用为0 1 , - - , 0 1 5 元左右，如果应用规模较大，可以与运营商合作进一步 降低运行费用。 由于g s m 网络自身的结构和s m s 业务所采用的技术，基于短消息方式远程自 动抄表系统也存在着一些问题，其最大的缺点就是短信的实时性较差，传输数据 量较小。每个短消息的长度最多为1 6 0 个7 b i t 字节或1 4 0 个8 b i t 字节，如果要发送的 数据过长，只能把数据包分段放入一串短消息中，形成串联短消息再进行发送。 短消息业务是利用g s m 网络的控制信道而非语音信道进行传递的，用户发出的短 消息首先被发送到短信息中心的服务器上，短信中心的服务器对所收到的短消息 进行排队处理，再按顺序发送给相应的接收用户，如果接收用户关机或超出服务 区不能正常通信，则该条消息将进行一定的延时后重新发送，这样就有可能产生 后发的短消息先到的情况。短消息中心服务器还为每个用户开设有限的缓存区， 约1 5 2 0 条左右，当接收缓冲区存满而接收用户还不能正常通信时，将不再接收 新的短消息，即发生短消息拥塞，造成短消息丢失。此外，短消息在短消息中心 服务器中的保留时间也有一定的期限，如果超过这个期限，短消息将会被丢弃。 因此，为了保证基于短消息方式的远程抄表系统的正常数据通讯，一定要使系统 中每个g s m 模块能够可靠地与g s m 网络进行通讯【9 j 。 2 2 4g p r s 方式 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是一种基于 g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线口连接。g p r s 网络的 技术核心是在g s m 网络中传送分组数据业务，它的技术优势主要体现在两个方面： 实现了用户数据与无线网络资源的最佳结合；实现了p 协议的透明传送 基于g p r s 方式的远程自动抄表系统就是利用移动运营商提供的g p r s 业务实 现仪表数据的远程自动抄送。在整个系统中，需要在每一个终端仪表或是数据采 集器上配备一个g p r s 模块，当仪表或者数据采集器需要和远程控制中心通讯时， 只需将数据交给相应的模块封装成i p 包发送给g p r s 网络，远程控制中心可以通过 i n t e m e t 或者同样的g p r s 模块接收到远端仪表所发送的数据信息。 第二章远程抄表原理 。隰蒂 ”絮i 基矿飞 一 图2 4g p r s 远程抄表系统结构图 g p r s 是基于g s m 网络的一种应用服务，是对目前g s m 网络的补充。与原有 的g s m 业务相比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势，如传 输速率高、接入时间短，永远在线，可按流量计费，特别适合突发性小流量数据 传输。但是g p r s 技术尚有不少局限性。在实际应用中，主要的缺点有：传输的延 时问题；实际传输速率和理论值有较大差距；数据的安全性问题：具有g p r s 和s m s 功能的g s m 模块成本相对较高【l q 。 2 2 5 以太网抄表方式 以太网抄表系统是基于以太网技术开发的一种新型远程抄表系统。一般由多 个基表f 可以集成以太网卡) 、以太网采集器、以太网路由器，变换机h u b 、中心管 理计算机组成应用网络，必要的时候可以在本地加入前置级p c 用于提供本地服 务，便于小区局域网内的居民查询、打印、交费等服务【l ”。 以太网抄表系统的工作过程为：抄表中心发送抄表命令，抄表软件解析具体抄 表地址( 口) ，与测量点建立连接并发送命令：测量点接收到命令后解析命令，根据命 令执行任务，然后将数据打包、加密、封装成t c p i p 格式传送到抄表中心。 采用1 0 b a s e - - t 网络，理论速率可达1 0 m b p s ，可以使用路由器或中继器等进 行网络扩展，兼容性好，系统容量大，采集器数量原则上不受限制。而且随着i n t e r n e t 网络的飞速发展及其性能的不断提高，自动抄表技术也乘上了信息快车融合到网 1 2 基于a r m 的无线抄表系统的研究与应用 络技术的潮流中了。 采用以太网技术来抄表，其优点是显而易见的。开放性好、技术成熟稳定、 资源丰富、传输速度快、支持多种信息，可以利用已经铺设好的的网络快速而方 便地实现整个系统的信息化管理，提供更好的运营透明度，便于用户在任何时刻 了解自己的使用情况。 2 3 几种底层的通讯方式 a m r 系统中，底层近距离数据传输方案不断地吸收通讯领域和现场总线技术 的通讯方式，并将这些技术运用到自动抄表上。在这些技术中，应用比较广泛， 技术比较成熟的主要有r s - 4 8 5 总线、c a n 总线、p r o f i b u s ，l o n w o r k s 总线、短距 离r f 无线通讯等。 2 3 1r s 4 8 5 总线 在应用系统中，r s - 4 8 5 半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用的数 据通信总线，它是在r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 标准的基础上研究出来的一种支持多节点、远 距离和接收高灵敏度的总线标准。 r s 4 8 5 总线技术成熟，实现方便，成本低廉。它采用“平衡差动式”数据传输， 传输线上是电位差信号，不构成电荷累计，抗干扰性强，适用于恶劣的工作环境。 采用r s 4 8 5 总线的抄表系统有以下特点： 1 支持单主或多主系统： 2 通信协议可根据需要灵活制定： 3 总线上的节点数可根据负载芯片的输入阻抗不同而不同，如果需要接入更 多，需要加入中继器； 4 通信距离和通信速度成非严格反比关系，当通讯距离为1 2 0 0 m 时，通信速度 可达9 3 7 5 k b p s ，通信距离为1 0 0 m 时，通信速度可达1 2 m b p s ； 5 通讯距离大于3 0 0 m 时，需要加终端匹配电阻，一般为1 2 0 q r s - 4 8 5 总线组 成如图2 5 所示。 图2 5r s - 4 8 5 总线 第二章远程抄表原理 1 3 在抄表系统中，数据采集器和集中控制器间的通讯由于数据量小，数据结构 简单，宜通过r s 4 8 5 连接。但是由于实际应用系统中，往往分散控制单元数量较 多，分布较远，现场存在各种干扰，所以通信的可靠性不高，再加上软硬件设计 的不完善，使得实际工程应用中如何保障r s 一4 8 5 总线通信的可靠性成为各研发机 构必需解决的问题。 2 3 2c a n 总线 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) a 口控制器局域网络，是一种数字化，多主和双向的 现场总线。最初是德国b o s c h 公司为汽车监控系统设计，解决汽车众多控制设备与 仪器仪表之间的数据交换问题，它主要具备以下特点： 1 多主机依据优先权进行总线访问； 2 非破坏性的，基于竞争的仲裁； 3 借助接受滤波的多地址帧传送； 4 系统数据宽度请求； 5 配置灵活性； 6 错误检测和出错信号； 7 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭到破坏的帧可重发； 8 肩邑判别暂时的错误和永久性的故障以及故障节点的自动脱离； 9 c a n 总线系统构成的关键是c a n 控制器和c a n 驱动器。现在，世界各大厂 商都推出了很多c a n 总线产品，所以组成c a n 总线的方法很多，用于抄表系统的 如图2 6 所示。 基于a r m 的无线抄表系统的研究与应用 蕾建中 汁茸帆 上璧通讯鹧格 一f e 潦拄1 “器 。 2 33l o n w o r k s 总线 nr 菌 仪袭仪最 位袭投丧 图26c a n 总线系统 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e v , v o r kw o 血1 总线即分布式智能控制网络，由美 国e c h d o n 公司于1 9 9 3 年推出，是众多现场总线中比较完善和优秀的一种。 l o n w o r k s 现场控制网络是一个局部操作网络，它为集散式监控系统提供了强有力 的手段，由于在系统中使用可路由器，系统可不受通信介质，通信距离，通讯速 率的限制。 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片它是通讯节点的通讯协处理器，用以协 调主机与节点之间的通讯与控制，以及各节点之间信息的沟通。神经元芯片利用 高级主机完成复杂的测控功能，其外围电路简单、体积小，可做成插板式仪表的 通讯接口。这样在设计电路的时候，保证了通用性，又提高了抗干扰能力，使得 仪表在网络忙时可以独立的工作。 l o n w o r k s 总线的特点有： l o n w o r k s 技术为对等式通信网络，各节点地位均等，根据需要，可构建主从 式，对等式，客户及服务式( c s ) 结构，并且具有良好的开放性。l o n t a l k 是l o n w o r k s 总线的通讯协议，支持7 层网络协议，提供一个固化的神经元芯片的操作系统 l o n w o r k s 采用三层结构，即域，子网和节点，系统的节点数量没有任何限制。神 经元芯片中含4 8 位i d 号，是全世界唯一的。一个域可以支持3 2 0 0 0 个节点，每个子 网可以支持6 4 个节点。通讯距离为2 7 0 0 m 时，通信速度可远7 8 k b p s ，通信距离为d o r a 露 第二章远程抄表原理 时，速度可达到1 2 5 m b p s 支持多种通信介质( 双绞线，电力线，光纤，无线，红外 等) ，多种通讯介质可以在同一网络中使用。神经元芯片具有通信和控制功能，它 内部包含3 个8 位的c p u ，第一个为介质访问控制处理器，第二个为网络处理器， 第三个为应用处理器。网络通信采用了面对对象的设计方法，使网络设计简化为 参数设置，从而大量减少了设计工作量。l o n w o r k s 总线通讯数度快，通讯介质多， 走线简单，通信可靠性高，相对于前两种总线形势，成本较高。 2 3 4 短距离无线通讯 r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 短距离无线通讯是一种新兴的方式，具有良好的前景。在 生活中应用越来越广泛。由于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段的无线射频模块 安装方便，成本低，无须布线等特点。目前多数抄表系统中，无线通讯多采用点 对点或者点对多点的通信方式。 在一些特殊的应用场合，比如距离比较近，但是布线困难或者距离较远，布 线需要架设电缆杆，或者挖掘电缆沟等情况，多数采用无线传输的方式。在数据 通讯单元中，主要适合在控制实时性要求比较严格，环境比较恶劣的环境中。无 线通讯抗干扰能力强，可以多信道，多组同时工作，可靠性较好，环境适应性好。 2 4 小结 尽管存着基于各种通讯方式的远程自动抄表系统，但是它们大多存在着各自 的问题和局限性，例如：电力线载波抄表明显的缺点就是噪声大和安全性低：公众电 话网抄表则存