基于GPRS的远程抄表监控系统的设计与实现-电子与通信工程专业硕士毕业论文

密 级 桂林电子科技大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （全日制工程硕士）（全日制工程硕士） 题目题目 基于基于 GPRS 的远程抄表监控系统的设计与实现的远程抄表监控系统的设计与实现 （英文）（英文）Design and Impleamentation of Remote Meter Reading and Monitoring System Based on the GPRS 研研 究究 生生 学学 号号: 10210911 研研 究究 生生 姓姓 名名: 陈超成 指导教师姓名、职务指导教师姓名、职务: 叶进 教授 申申 请请 学学 位位 门门 类类: 工程硕士 学学 科、专科、专 业业 名名 称称: 电子与通信工程 提提 交交 论论 文文 日日 期期: 2013 年 04 月 论论 文文 答答 辩辩 日日 期期: 2013 年 06 月 万方数据 独创性（或创新性）声明独创性（或创新性）声明 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； 也不包含为获得桂林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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林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桂林电子科技大学。本人保证毕业离校 后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为桂林电子科技大学。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。 （保密的论文在解密后遵守此规 定） 本学位论文属于保密在_年解密后适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 万方数据 摘要 I 摘要 随着电力信息化的快速发展， 用电营销管理在我国电力系统中得到迅速的普及和 应用；但是我国现在还有很多居民区采用传统的人工方式来监控管理电能表，这就加 大了电力管理运营商的人力和财力，以及监控管理效率低等。随着网络技术的飞速发 展，远程监控被应用于各种不同的领域中，通过远程监控，管理人员可以对现场数据 进行实时采集和分析，从而达到提高监控管理效率的目的；为了减少电力管理运营商 的人力、财力以及摆脱传统的人工对居民区的电能表监控管理效率低等现象；现代电 力信息化开始不断重视电能表监控与网络技术的融合来解决这一难题。因此，基于 GPRS 下的电能表远程监控系统对电能表的监控管理有着重要的现实意义。 针对电能表监控管理的应用和需求，本文设计了一种电能表远程监控系统。该系 统的主要组成部分：GPRS 采集发送模块、GPRS 接收传送模块和监控模块；实现将 居民区电能表的信息通过 GPRS 无线通信传送到监控中心。 采集发送模块主要负责对 电能表信息的采集和发送；接收传送模块主要负责将数据传送到服务器上；监控模块 主要负责将数据保存到数据库中；采用 MVC 网页设计框架和 Ajax 异步通信技术设 计实现软件监控系统，实现对数据的实时监控，统计分析等功能。管理人员通过网页 就能方便的监控居民区用户的用电情况，减少了人力和财力，以及达到了提高监控管 理效率的目的。 关键词：关键词：GPRS，远程抄表，MVC 设计模式，Ajax，实时监控 万方数据 Abstract II Abstract With the rapid development of electric power information technology, in Chinas electric power system, the power marketing management get rapid popularized and applied; But now, the traditional manual method of monitoring and management of energy meter are used for a lot of residential areas in China, which increase the human and financial resources of the electric power management operators, as well as the low efficiency of monitoring and management; With the rapid development of network technology, remote monitoring is used in varies of different fields, via remote monitoring, management personnel are able to collect and analysis field data in real-time, so as to achieve the purposes of improving the efficiency of monitoring and management; In order to reduce the human and financial resources of the electric power management operators, and get rid of the low efficiency of the traditional manual monitoring and management of the electric energy meter in residential areas; To solve this problem, contemporary electric power information technology begin to attach great importance to the merge of electric energy meter and network technology. Consequently, the monitoring and management of the electric energy meter remote monitoring system based on GPRS has a very important practical significance. According to the applications and demands of Monitoring and management of electric energy meter, this paper designs a remote monitoring system of electric energy meter. The main component of the system: collecting and sending module of GPRS，receiving and transmitting module of GPRS and monitoring module; Via the wireless communication of GPRS, the information of electric energy meter in residential areas transmitted to the monitoring center. Collecting and sending module is mainly responsible for collecting and sending the information of electric energy meter; receiving and transmitting module is mainly responsible for transmitting the data to server; monitoring module is mainly responsible for saving data to database. The MVC web design framework and the Ajax asynchronous communication technology used to realize software monitoring system, to realize the function of real-time monitoring data, statistical analysis etc. Management personnel will be able to monitor electric consumption of users in residential areas through the Web conveniently. The human and financial resources are reduced and the purpose of the efficiency of monitoring and management is improved. Key words: GPRS, Remote Meter-reading, MVC Design-pattern, Ajax，Real-time Monitorring 万方数据 目录 III 目 录 摘要摘要.I Abstract. II 目目 录录.III 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 研究背景.1 1.2 研究意义与目的.2 1.3 国内外研究现状.3 1.4 论文主要研究内容.4 第二章第二章 系统需求分析及方案设计系统需求分析及方案设计.6 2.1 系统总体目标.6 2.2 功能需求分析.7 2.3 系统总体解决方案设计.9 2.3.1 GPRS 模块的选择.9 2.3.2 电表的选择.10 2.3.3 无线通信网络的选择.11 2.3.4 工业以太网协议的选择.11 2.3.5 数据库的选择.12 2.3.6 架构平台的选择.12 2.3.7 开发模式一.14 2.3.8 开发模式二.14 2.4 本章小结.15 第三章第三章 GPRS 系统概述系统概述 .17 3.1 GPRS 简介.17 3.2 GPRS 的工作原理.17 3.3 GPRS 的网络结构.18 3.4 GPRS 的接入方式.20 3.5 通信模块实现及流程.20 3.6 本章小结.21 第四章第四章 电表、采集终端、通信规约概述及硬件平台实现方案电表、采集终端、通信规约概述及硬件平台实现方案.22 4.1 电表概述.22 4.1.1 电表工作原理.22 4.1.2 电能量脉冲输出.23 4.1.3 报警控制输出.23 4.2 电表主要功能.23 万方数据 目录 IV 4.2.1 显示和监控功能.23 4.2.2 数据输出、通信功能.23 4.3 电表接线端子说明.24 4.4 电表采集终端概述.25 4.4.1 原理概述.25 4.4.2 主要特点.26 4.5 多功能电表通信规约简介.27 4.5.1 链路层.27 4.5.2 帧格式.27 4.5.3 数据传输.28 4.5.4 数据标识.29 4.5.5 数据集合简述.30 4.6 硬件模块简介.31 4.7 LPC1768 简介.31 4.8 硬件实验平台的实现方案.34 4.9 本章小结.34 第五章第五章 软件实验平台的具体实现方案软件实验平台的具体实现方案.35 5.1 监控系统所需的软件.35 5.1.1 MyEclipse 和 JDK 简述 .35 5.1.2 SQL Server 2005 简介 .37 5.1.3 Apache Tomcat 简介.37 5.1.4 JFreechart 和 Ajax 简介.38 5.1.5 MVC 设计模式(JSP+Servlet+JavaBean)简介.39 5.2 MVC 模式的实现.42 5.2.1 JSP 视图层的实现.43 5.2.2 Servlet 控制器的实现.44 5.2.3 JavaBean 的实现.47 5.3 数据库设计与实现.48 5.4 远程监控系统主要模块的实现.51 5.4.1 串口通信模块的实现.52 5.4.2 登陆模块的实现.53 5.4.3 监控管理模块的实现.54 5.4.4 电表用户管理模块的实现.56 5.4.5 个人信息管理模块的实现.57 5.4.6 用电量时序图、柱状图和饼图的实现.58 万方数据 目录 V 5.4.7 监控系统主界面.60 5.5 本章小结.61 第六章第六章 系统测试与分析系统测试与分析.62 6.1 远程监控管理系统测试与分析.62 6.2 电表用户用电量和电费监控界面测试与分析.65 6.2.1 电表用户用电量监控界面的测试与分析.65 6.2.2 电表用户电费监控界面的测试与分析.66 6.4 电表测试与分析.66 6.5 GPRS 通信模块测试与分析.68 6.6 本章小结.70 第七章第七章 总结与展望总结与展望.71 7.1 总结.71 7.2 展望.72 参考文献参考文献.73 致谢致谢.77 作者在攻读硕士期间的主要研究成果作者在攻读硕士期间的主要研究成果.78 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 当前，随着我国的国力和综合实力的不断提升，电力企业改革的不断深化，用电 管理模式的现代化建设显得越来越重要， 对获得各类用户电能表的用电信息的要求也 越来越高，主要集中体现在准确、快捷、方便和同步等方面；这些都是能否有效地进 行用户用电量、用户电费、表计运算检测、负荷预测和各种用电分析的保证。我国大 部分地方采用的抄表方式还是以传统的人工抄表方式为主，这种抄表方式的效率较 低，也不利于对电表用户及其相关的信息进行监控管理，特别是实现统一管理，这基 本上不可能，难度很大，且对统计的结果分析慢，生成相应报表的时间或周期长1， 不能很好的反应出电力系统用电量的需求以及分布的有关情况等； 不能给供电管理部 门提供有力的参考价值和说服力，不能提高经济效益，对电网的可持续发展带来了很 大的限制等。 采用传统人工的抄表方式进行监控管理的模式存在一定程度上的漏电、 窃电以及 主观上人为地做出一些难以预料的估计或者难以令人信服的预测等。人工抄表方式2 主要是派专门的抄表人员上门到用户住处对用户电表进行抄读； 这种方式不仅给相关 抄表人员带来了很大不便，也给电表用户带来了很大影响；如今随着人们的生活水平 的不断提高，他们的防范意识也会随之提高以及警惕性会提高，上门抄表会引起用户 的反感或者不安3等。更坏的情况是不法分子有了可乘之机。 总之，随着网络技术和计算机技术的快速发展，传统的电表管理方式也发生了根 本性的变革，管理方式也开始向着智能化、柔性化和网络化的方向发展4。GPRS 在 很大程度上推动并实现了电表远程监控管理系统的发展， 我国电力领域也在逐步的转 向以 GPRS 来实现对用户电表的远程监控管理， 这对我国电力系统的现代化建设起到 了很大的作用，将带来可观的经济效益，也将推动我国电网的不断发展等。GPRS 通 用分组无线业务567是一种基于包的无线通信服务；中国移动的 GPRS 网路为电力 网络实时监控提供了有力的通信平台； 通用分组无线业务使得用户能够方便的在端到 端分组模式下进行数据的发送和接收，这种方式的特点是链路建立时间较短、数据传 输速率较高、费用较低等；便捷有效的实现供电自动化、收费自动化、管理自动化和 对用户用电情况的预测和分析，提供可靠和有效的数据；从而为电力管理部门或机构 形成决策提供科学的依据。实现远程抄表监控可有效的解决人工入室抄表，扰民不悦 和给居民带来不安全的因素；与此同时，减少了电力供电部门或机构派人上门抄表所 浪费的人力、财力和时间等。 万方数据 基于 GPRS 的远程抄表监控系统的设计与实现 2 1.2 研究意义与目的 目前大多数电力部门对电表的抄读、监控管理、维护主要是依靠传统的人力来进 行，导致了抄表效率低，监控管理不一致，维护力度较难，统计结果和数据分析慢等 局限性；这些局限性迫使人们寻求一种效率高、可靠性高的手段，来实现在较短的周 期内获取所有用户电表的用电数据， 更快更有效的统计电表数据、 分析电表数据89， 还可以方便的实现随时随地的查询，甚至更进一步的给电力部门提供有效的数据，对 用户用电的情况进行预测和估计等，还能够监控用户是否有漏电或偷电的情况等。 常见抄表的描述：首先是传统的人工抄表方式，这种抄表方式是事先为用户安装 好电表，按相关规定的时间段或者是固定的时间段，供电部门的抄表人员上门对电表 用户的电表进行抄读和对电表用户收取相应的用电费用；目前在我国应用较为广泛， 但有逐步被淘汰的趋势。优点是成本低，用户容易接受付费方式，基本不存在用户能 源被切断的问题和弊端； 缺点是需要管理人员多， 工作力度大， 浪费人力资源和时间， 准确率很大程度上受到人为因素的影响。其次是 IC 卡抄表方式，这种方式主要依靠 IC 卡作为传输介质，用户的电表需有 IC 卡接口，即用户电表支持 IC 卡和供电管理 部门或相关机构进行相关信息的传输等，实现对用户电表进行自动抄读和缴纳电费。 目前，IC 卡抄表方式在我国得到了一定规模的应用。可是这种抄表方式给用户带来 了不便，并不是把用户作为出发点来实现的，较难实现可持续发展；IC 抄表方式的 优点是有效的把抄表、收费和控制这三者融合在一起，实现了一体化，这种方式出现 欠费的现象基本没有，节省了人力和时间以及管理的相关费用；缺点是这种方式的实 现成本相对高，且传输相关的信息不及时，相应的信息通道主要是用户来扮演。最后 是自动抄表方式，这种方式的实现也是事先给用户安装上电表，实现自动抄读用户电 表数据需要依靠现有的通信网络， 实现远程操作并完成缴纳电费需通过相应的金融网 点。 随着电子技术和无线通信技术的快速发展， 利用现有的 GPRS 移动通信网络1011 可省掉无线通信网络建设及相关的维护费用也节省了； 优点是自动抄表方式具有较高 的自动化，耗费的人力和时间少，容易且方便的实现实时监控以及管理等；缺点是这 种抄表方式的技术要求难度高，GPRS 移动通信网络的建设难度大和维护成本较高。 对用户电表进行远程抄读和监控管理已成为电力供电部门对电表用户用电情况 以及工业用电情况进行统计分析的重要手段。 本文针对目前远程抄表系统的一些局限性，根据实际需求和具体情况，实现对电 表用户用电量的抄读、统计、分析、存储以及生成相应的报表等，方便电力供电部门 的管理人员实现快捷地查询，并实现对居民电表用户用电情况在时间和空间上的统 计，对优化供电系统是很有帮助的，也有利于预算出系统线路的损失，还能够有效的 防止可能存在漏洞以及偷电的情况发生等。 提出了一种基于 GPRS 的远程抄表监控系 统，系统主要包括设备的远程数据采集、发送、接收，远程监控。通过现有的移动无 万方数据 第一章 绪论 3 线传输技术和相关监控技术的有效结合，实现对现场实时信息进行远距离采集，并通 过有线或者无线的方式传送到监控中心。 远程抄表监控系统提供了一个供电力管理人 员对电表用户用电情况和对现场进行实时监控和管理的平台， 通过过程模拟以预测电 表用户用电情况提供及时的信息。远程抄表监控系统可减少技术人员的配备，提高抄 表及监控业务的质量和效率。 1.3 国内外研究现状 根据远程抄表系统的发展趋势，呈现出来的方式：一种是支持 IC 卡或是电卡的 电表，电表用户只需在相应售电的地方购买所需的电量后就可以使用，另一种是通过 自动抄表监控管理系统来解决。目前，全球大多数国家都以自动抄表监控管理系统的 发展趋势为主；在 90 年代初期，国外对自动抄表系统有了实际应用；据美国电世 界1994 年 10 号摘要：在 1994 年初，北美地区安装了 314063 块具有自动抄表功能 的电能表，其中 Georgia 电力公司在 1993 年内已经装设了 50000 个车载无线电自动 抄表单元；Boston.Edison 公司已经装设了 17000 个固定式和车载无线自动抄表单元； 加拿大的 Quebec 水电局也已经安装了 64000 个自动抄表单元10。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。比如深圳开发科技股份有 限公司的以太网远程抄表系统、华立集团、万盛电力仪表公司、华电总公司特瑞电力 设备公司、深圳浩宁达、杭州奥特电力电子有限公司等均对自动抄表系统的开发投入 了大量的人力物力。主站系统结构已从单片机、双机系统发展到网络式的主站系统结 构，操作系统也已从 DOS 发展到 Windows/95/98/NT，系统功能上也从单纯的抄表功 能发展到具有实时线损统计、用电考核、远程控制、计费及银行联网等功能，有的系 统还具有可以通过实时用电统计监测用户偷电行为的功能。 在通信方式上也从单一的 电话拨号方式发展到多种通信方式(电话、无线电、专线等)的混和应用的局面10。国 内外现阶段对远程抄表系统的研究而言， 主要的研究方向体现在对电表用户电量的采 集和数据的传输方式上。目前，自动抄表的方式主要有：无线、RS-485 总线、扩频 电力载波和普通电力载波方式等。 其中成为研究重点的是以电力线自身作为传输介质 的方式；该方式具有不用重复线路投资和不产生新的费用等特点，适应时代的需求与 发展1213。 在二十世纪 30 年代，国外载波通信技术就开始起步了，二十世纪 60 年代才传入 中国，80 年代中国具备了自主生产高压载波机的能力。但是也遇到了难以逾越的障 碍， 主要体现在低压载波信道技术的突破上， 这个通信的禁区一直是个难题。 近年来， 随着各种技术的快速发展，国内外采取了大幅度的注入资金，取得了科研工作最大的 突破，创造了有利的条件，不断推动低压电力载波通信技术向着成熟的方向发展，目 万方数据 基于 GPRS 的远程抄表监控系统的设计与实现 4 前的发展方向已逐步转向采用电力线载波通信及其技术实现用户家庭自动化。 对于电 力线载波通信，已研究并提出了相对统一的 IEC62056 国际标准的电能表通信协议 DLMS/COSEM，此电能表通信协议已经被国际电工委员会所采纳。对于远程抄表监 控系统的发展而言会朝着更加规范化、互操作性增强的方向迈进，使得远程抄表监控 系统的发展更加迅速，而且这种发展是向着统一的方向进行的。国外非常早就意识到 了电力载波传输的重要性，很多发达国家对此做了很多相关的研发工作；各国对自动 抄表技术的重视；实际上主要是为了控制抄表所需的成本以及增强竞争力。 目前国内对远程抄表监控系统的研究， 处在的关键环节体现在理论向实际应用的 转化上，与此同时也对我国的低压载波抄表系统国家标准的制定展开积极的讨论 和相关研究工作。在我国有关远程集中抄表系统的发展已有十多年，但是对于远程抄 表的实际应用情况不如人们所愿， 归结原因在于远程抄表的实际传输存在实时性和准 确性不好的现象， 导致非常多安装了自动抄表系统的楼盘和居民区最终不得不使用传 统的人工抄表方式，虽然产生这种想象的因素是多方面的，通过仔细的探讨和分析， 低压电网在中国占据多数，网路拓扑复杂，负荷设备特性不一样，信道随机性强，这 些因素使得远程抄表难以实现。 随着时代的发展， 抄表方式也呈现了多样化和自动化， 在很大程度上抄表系统的功能也得到了改进等。 1.4 论文主要研究内容 本文首先对远程抄表系统进行了需求分析，提出了系统实现的总体目标，并对系 统的每个模块进行了详细的介绍。针对远程抄表系统的实际需求以及相关的性能要 求，对 GPRS 和电表进行了相关的介绍，对电表数据的采集发送模块和接收传送模块 进行了简要介绍， 数据采集发送模块和数据接收传送模块都是基于 GPRS 和 LPC1768 相结合在一起的实验开发板为系统的硬件实验平台； 数据采集发送模块主要负责数据 的采集和发送； 数据接收传送模块主要负责接收数据并把接收到的数据传送到监控服 务器进行相关处理。对监控软件系统以及软件技术做了详细介绍，软件监控系统采用 MVC(Model+View+Controller)设计模式； 其中主要负责管理程序的业务数据的是模型 (Model)部分，主要负责显示界面的是视图(View)部分，负责与用户进行交互(接受请 求和选择响应视图)的是控制器(Controller)部分；实时监控无线模块、电表数据，对数 据进行统计、分析、查询、生成报表等。 全文分为七章： 第一章：绪论，对远程抄表监控系统的研究背景、研究意义、研究目的以及国内 外的研究发展现状进行了简述。 第二章：远程抄表监控系统需求分析，首先简述了远程抄表监控的总体目标，然 后根据整个系统的总体目标对其功能模块的实现做了简要的介绍， 最后提出了远程抄 万方数据 第一章 绪论 5 表监控系统的解决方案。 第三章：对 GPRS 系统进行了介绍，GPRS 是本文实现远程无线抄表监控不可缺 少的无线通信技术；主要对 GPRS 的技术特点和工作原理进行了概述。