（计算机应用技术专业论文）基于gprs城域多能自动抄表系统的设计和实现.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 本文在广泛调研现有自动抄表系统( 蝴r s ) 的基础上，结合某小区的抄表自 动化需求实现了抄表无人化、信息传输无线化、计费自动化的自动抄表系统。 主要做了以下工作： 1 ) 依据抄表的数据信息流程，将本系统划分为数据采集设计、集中器设计、 g p r s 传输和自动抄表管理信息系统等四个环节，并予以实现。 2 ) 采用双单片机为核心的硬件及相应的软件，获取多户多表数据，并将数据 传送到集中器，实现抄表的无人化。 3 ) 采用以a t 8 9 c 5 1 单片机为主要控制器的集中器，实现将多户多表数据收集， 可以方便地和具有r s 2 3 2 接口的产品连接，提供双向半工的通信功能，实现局域 通信。采用g p r s 技术，将收集的数据传送到服务器端，实现信息传输无线化。 4 ) 在服务器端，通过基于n e t 技术的管理信息系统实现抄表数据的自动计 费，并提供基于i n t e r n e t 的查询功能，并实现按角色分配权限的数据安全性管理， 实现了计费自动化、查询网络化。 该系统已投入试运行，系统界面友好，性能可靠，得到了用户的好评，具有 一定的推广价值。 关键词：数据采集，集中器，g p r s ，m i s ，n e t ，c s 与b s 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do n 恤e x t e n s i v er e s e a r c ho fe x i s t i n ga u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r s ) o i lt h eb a s i so fm e t e rr e a d i n gh a s1 1 0o n e , a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o n ，a u t o m a t i o no fb i l l i n ga 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 m b i n e d 诵t ha c e r t a i na 1 e 8o fa u t o m a t e dm e t e rr e a d i n gn 讪t ob er e a l i z e d m a i n l yt od ot h e f o l l o w i n gw o r k ： 1 ) m e t e rr e a d i n gb a s e do nt h ed a t aa n di n f o r m a t i o nf l o w ，t h es y s t e mo fd a t a c o l l e c t i o nf o rt h ed e s i g n , f o c u so i ld e s i g n , g p r st r a n s m i s s i o na n da u t o m a t i cm c t c f r e a d i n g , s u c ha sm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m si nf o u ra r e a s ，a n dt h e i rr e a l i z a t i o n 2 ) ad u a lm i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e ，a c c e s st om o r c t h a nm u l t i - t a b l ed a t a , a n dd a t at of o c u so n , a n dn oo n er e a l i z e dt h em e t e r r e a d i n g 3 ) t oa t 8 9 c 5 1s c ma st h em a i nf o c u so ft h ec o n t r o l l e r , w i l la c h i e v em o r et h a n m a n yf o r m so fd a t ac o l l e c t i o n ，c a ne a s i l ya n dw i t hr s - 2 3 2i n t e r f a c ec o n n e c t i v i t y p r o d u c t s ，h a l ff o rt h ep r o v i s i o no ft w o - w a yc o m m u n i c a t i o n , a n dl o c a lc o m m u n i c a t i o n s u s eg p r st e c h n o l o g y , w i l lc o l l e c tt h ed a t as e n tt ot h es c i v a t , a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n o fi n f o r m a t i o n 4 ) i nt h es e r v e r - s i d e ，t h r o u g hb a s e do n n e tt e c h n o l o g ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mt oa c h i e v ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gb i l l i n gd a t aa n dp r o v i d ei n t e r n e t b a s e d q u e r i e sa n dt oa c h i e v et h er o l ea s s i g n e db yt h ec o m p e t e n c eo fd a t as e c u r i t ym a n a g e m c n t , a n da u t o m a t i o no ft h eb i l l i n g ，e n q u i r i e sn e t w o r k t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t ot r i a lo p e r a t i o n ，t h es y s t e mu s e r - f r i e n d l y , r e l i a b l e , u s e 俗h a v eb e e np r a i s e d ，h a sap r o m o t i o n a lv a l u e k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o n , c o n c e n t r a t o r , g p r s ，m i s ，n e t ，c sa n db s u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：f 州年月乡日 指导教师签名： 瑚年月么日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：怍7 h 日期：yg 年月石e l 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着改革开放的深入发展，我国国民经济取得高速发展，人民生活水平有了 巨大的提高，安全、舒适、现代化的智能小区建设在我国正在蓬勃兴起，自动抄 表系统就是智能小区的一项重要组成部分，是家庭自动化的必然，因而日益受到 关注。构建多表( 电、水、燃气、热量等计量仪表) 集中统一管理的综合自动抄表系 统，不仅可以节约人力资源，节约管理系统的构建费用，更重要的是可以保证查 表的准确性、一致性和提高工作效率，相对减少小区物业管理人员的数量和费用， 还可避免入户查表的不安全、扰民等因素。同时，还可以弥补人工查表收费的缺 点和不足，减少因人工查抄表而造成查收数据误差较大、抄表周期长而给小区物 业管理部门和用户之间带来的矛盾。国内一些城市的智能化居民住宅小区j 下在积 极建设规划中，已着手将电、水、燃气、热量等计量管理加以集中考虑，构建智 能化、网络化、自动化的集中式计量管理模式和管理技术平台，已逐渐成为提升 智能小区管理自动化水平的必然选择。 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g a m r ) 是指采用通信和计算机网络等 技术自动读取和处理表计数据【i 】。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节 约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，使供用电管理部门能及时准确获得 数据信息，并进行负荷预测及控制，以实现电力行业整体经济效益的提高和管理水 平的进步。我国电能( 及水、燃气、热量等) 计量采取“一户一表 制，这就决定 了抄表系统数据采集点多、数据量大，而且采集点极其分散。从技术和经济的角 度而言，采取什么样的通信方式是首先要思考和解决的问题。随着单片机、通信技 术、计算机网络技术及数字信号处理技术的快速发展，为抄表系统的自动化和智 能化提供了更多的技术支撑，使其实现成为可能。在通信媒体中，有多种有线及无 线通信网络可供选择。 在自动抄表系统的各种通信方式中，我们可以作一比较，分析各种方式的优 缺点可知，目前自动抄表的主要问题是传输的可靠性、承受价格及系统容量等。通 过对应用g p r s 进行远程数据通信相结合的新的设计方法进行实测，我们可以得 江苏大学工程硕士学位论文 出这样的结论：抄收数据可靠、技术可行、价格合理，实践证明它是一种能解决 自动抄表系统问题的有效途径。 电能( 及水、燃气、热量等) 计量是发供用三方贸易结算的主要依据，其结果 的准确性、真实性，直接关系到费用结算是否公平、公正同时也关系到贸易各方 的经济利益。随着电、水、燃气、热量系统体制改革的深化，计量的及时性和准确 性成为实现电、水、燃气、热量商业化运营的先决条件。电、水、燃气、热量远 程采集管理系统采用通讯和计算机网络等技术，完成远程自动抄表、负荷监测、 能自动生成各类报表，并可以提供线损分析、母线平衡、负荷预测和绘制负荷曲 线等多种高级功能。自动抄表系统可以实现电、水、燃气、热量各关口用量的自 动统计和分析，提供w e b 数据发布功能，、用户可以根据岗位权限进行实时查询、 调用数据报表，了解系统应用情况。 随着电能( 及水、燃气、热量等) 计量表由传统的机械式、电子式脉冲电能 表向多功能电子式表具的发展，远程抄表计费系统也经历了一个从集中式系统向 分布式、网络化、开放式系统转变的发展过程【2 】。电量数据采集也同样从集中式脉 冲处理系统发展为分布式直接传输系统。 在早期的集中脉冲方式的系统中，数据的采集和传输是以电能脉冲计数为基 础，在厂站必须增加中间转换器，用来存储和传输根据脉冲计数值，从而得到的 能耗信息数据采集中心不能直接与表具通信，不能实现现代多能管理系统所必 须的对表具参数的下载功能。 脉冲电能表在8 0 年代占主导地位，但9 0 年代后分布式直接传输的智能电表 越来越普遍，且近年来的新型固态智能化多功能表的发展，使得先进的分布式直 接数字传输系统成为可能并占据主导地位。 1 2 现状与发展 目前，美国、日本、加拿大等一些发达国家和地区都已广泛推广自动抄表系统， 代替了原有的人工抄表，其他许多国家也都开始采用自动抄表系统来实行收费， 尤其是利用低压电力线载波技术来实现抄表。我国许多研究机构和企业也在该领 域取得一系列成果，并且一些企业已成功研制出较为成熟的集抄系统，但还是存 在较多不足。 2 江苏大学工程硕士学位论文 按通信距离，自动抄表系统a m r 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 ) 的通信 方式主要包括近程通信和远程通信两类；近程通信主要适合于住户电表到采集器 或采集器到集中器之间的通信，其通信距离一般小于l 公里；远程通信主要适合 于集中器到管理中心，其通信距离一般大于2 公里【3 1 。如表l 所示列出了几种抄 表系统常用的通信方式，适于近程通信的有六种：红外手持式抄表器，还必须有 人的参与，没有完全脱离人工抄表实现真正意义上的自动；低压电力线载波通信， 还有待解决传输的可靠性问题：蓝牙通信和射频( 1 心) 无线通信，价格偏高；4 8 5 总 线技术已成熟，是目前国内抄表系统中使用最多的一种通信方式，唯一的缺陷是 系统容量受限；m - b u s ( 仪表总线) 是欧洲标准，它可连接2 5 0 个从机，向表具提 供3 3 v 3 m a 电源，有利于如水表等非电表具t i 公司推出专用芯片t s s 7 2 1 a ， 只需少量的外围元件，即可完成抄表功能。 表1 1 抄表系统通信方式 通讯系统使用专用通信距通信适 方式可靠性实时性 速率容量成本布线离，米用范围 红外手持抄表中高差大无无1 0近程 4 8 5 中高好 l o o 无有 l 0 0 0 近程 m b u s中 高 好 ) 后，可写发送短信内 容，用组合键”c t r l + z ”( a s c i i 码为1 a h ) 发送，发送成功后+ c m g s ：短信号通过 这条指令发送本地m 和端口号 ( 7 ) a t + c m g r = ( 短信号) ：读取短信内容，该短信号为s l m 卡中预读取短 信的号码，短信号可从接收短信指令中获取，即 + c m t h ( 空格) ”s m ”，( 空格) 短信号” 指令中的”短信号”： ( 8 ) 胱i p c s g p - l ，“c r r m e t ”：设置g p r s 方式，返回o k 表示设置成功： ( 9 ) a t + c l p o r t = u d p , 0 0 0 0 ：设置u d p 端口号，返回o k 表示设置成功： ( 1 0 ) a t + c s t r ：启动t c p 任务，返回p k 表示设置成功： ( 1 1 ) a t + c i i c r ：激活场景，返回o k 表示设置成功； ( 1 2 ) a t + c i p f s r ：获得s e r v e r 的口地址，通过这条指令可获取设置u d p 之后的口地址； ( 13 ) a = i 托i p s t ar t 三p , r e m o t ei p a d d r , r e m o t e p o r t ： 注册u d p 连接，其中 r e m o t ei p a d d r ”和 r e m o t ep o r t 可以随便设置一个一 成功设置后返回 c o n n e c to k ( 1 4 ) a n c 口c l o s e ：注销当前u d p 连接； 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 5 ) a t + c i p s e n d ：向s e r v e r 发送数据，等返回 ”后，可写发送短信内 容，用组合键”c t r l + z ”( a s c i i 码为1 a h ) 发送，实现无线抄表命令的发送及数据 的抄送。 从上述指令不难看到其中第一条用于关闭系统的回显，是初始化的一部分 第二条到第七条( 共六条) 起到短信的设置、读写、发送等作用。第八条到第十四条 ( 共七条) 是g p r s 及u d p i p 的设置、连接等方面的指令；而第十五条则是通过 g p r s 的s e r v e r 功能来发送抄表命令及抄表数据的。有了这些a t 指令，我们就 可以轻松使用s i m l 0 0 的短信息和数据传输业务功能，进而完成本系统的功能 g p r s 数据终端主要包括以下基本功能：( 1 ) 系统初始化，即w 7 7 e 5 8 本身的 资源初始化和通信波特率的设置等( 2 ) 启动本机s i m l 0 0 模块的u d p i p 的s e r v e r 功能设置，即s i m l 0 0 的g p r s 工作方式，设定u d p 端口号，激活场景并获取自 身i p 建立i 临时的u d p 连接( 3 ) 等待接收来自管理微机的数据( 对应g p r s 集中器的 手机号码或抄表命令) ，( 4 ) 通过短信向g p r s 集中器发送自身i p 并获取对方i p ，与 g p r s 集中器建立u d p 连接( 5 ) 向g p r s 集中器发送抄表命令，并等待接收抄表数 据，之后上传管理微机。其主程序流程图如图4 4 所示。 图4 4g p r s 数据终端软件设计流程图 江苏大学工程硕士学位论文 4 3 本章小结 本章主要介绍t g p r s 技术的原来和特点；详细分析t g p r s 的网络结构和网 络传输协议；根据本系统的应用，重点描述t g p r s 集中器和g p r s 终端的软件设 计；最后还给出了和本系统相关的a t 命令的格式。 2 l 江苏大学工程硕士学位论文 第五章自动抄表管理信息系统设计与实现 抄表数据经过集中器收集、g p r s 传输，到达服务器端后，需要对数据进行信 息化管理，本章在研究a s p n e t 技术的基础上，对自动抄表管理信息系统进行需 求分析，并根据需求分析进行系统设计 g j ，实现相关系统功能模块。 5 1系统需求分析 1 ) 业务需求分析 ( 1 ) 集中器管理系统需要对集中器收集的信息进行处理，并能控制并读取 各集中器的数据。 ( 2 ) 收费管理对抄表所得数据进行自动计费。 ( 3 ) 用户查询用户需能通过因特网查询相关收费信息。 2 ) 系统总体需求 ( 1 ) 系统先进性 主站软件的编制采用了先进的软件平台及开发工具以及先进的系统分析设计方 法，以保证软件在两年内在国内同类产品中保持先进水平。 ( 2 ) 系统安全性 作为信息采集系统，不但要保证采集系统数据的准确性、完整性，更重要的 是安全性。为此软件中对操作人员的权限进行了设置，对数据库操作员的权限设 置和口令等进行了多重验证，保证数据的安全性，以防止不良行为和病毒对系统 的侵扰和破坏。 ( 3 ) 系统稳定和可靠性 由于软件是基于互联网技术，涉及各专业的开放型信息服务业务，因此对各 软件接口进行了分层、分模块设计，确保软件的稳定性。在软件的设计和测试时 加入各种虚拟环境和假设条件，提高系统的可靠性指标。 ( 4 ) 系统可维护性和功能可扩充性 采用后备技术、降效技术、恢复及再启动技术等对意外出现的错误进行补救 对基本数据、业务静态数据、业务动态数据和通用数据类型进行划分【嘲，保证软 江苏大学工程硕士学位论文 件的可扩充性。 5 2 系统设计 5 2 1 系统功能设计 管理信息系统主要有这几部分组成：一是主站管理机上的主站程序，主要要 实现数据的抄收，发送有关的控制信息并下发有关参数表，能对抄收数据进行汇 总统计等个类处理，并需要对其他各相关部件提供接口，此部分可以选用v c + + 或者v b 来开发；二是数据库管理，数据库是信息系统的重要组成部分，要实现采 集参数收集、设备档案管理、分析参数收集、原始数据及其派生数据管理，操作 记录及历史资料收集等一系列工作，所以本系统可选用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 或 o r a c l e 等中大型关系型数据库，在设计过程中必须注意数据库定义和操作的规范 性、统一性；三是在w e b 服务器l 上实现w e b 发布，同时要能实现用户管理和 h t t p 请求等功能，本系统考虑使用a s e n e t 框架来实现。 至此，我们可以得出管理信息系统的基本框架思路图如图5 1 所示 图5 1 管理信息系统框架思路图 由框架思路图，结合本系统的数据处理流程，我们可以得出管理系统的逻辑 结构图如图5 2 所示 江苏大学工程硕士学位论文 图5 2 管理信息系统逻辑结构图 本系统完成电、冷水、热水、燃气、空调能耗五表数据的抄收和处理工作， 程序主要分操作管理模块、数据的采集模块、系统设置模块、基本信息模块、结 果查询模块、收费模块、数据的处理模块 操作管理模块功能包括：修改口令，操作员维护，同志管理，打印机设置。 数据的采集功能包括：手动采集和自动采集。上位机( p c ) 和集中器( 工控机) 之间通过m o d e m 、r s 4 8 5 总线、无线方式实现通讯，集中器与采集器通过低压 电力载波实现数据传输。 系统设置功能包括：系统初始化，选择五表类型，五表单价，采集器中继， 采集器路径。 基本信息模块包括：用户编号、五表参数信息、采集器地址、集中器地址、 集中器电话、集中器线端口、集中器拨号参数等的录入、修改和删除。 结果查询模块包括：当前数据查询、量程结果查询、断线信息查询、历史数 据查询。以表格、报表方式动态遍历各种组合查询、打印。 收费模块包括：费用统计查询、报表打印、收费、单据打印。 数据处理模块包括：数据结转、换表处理。 依据需求分析，我确定如图5 4 所示的系统功能模块结构， 江苏大学工程硕士学位论文 图5 4 管理信息系统功能模块结构图 通过测控终端的数据采集和通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 传输，各种表具数据就进入自动抄表系统的主站管理机，同时，我们的工 作也就进入了自动抄表系统的管理信息系统的设计( 以下简称管理信息系统) 。 5 2 2 数据库设计 数据库作为抄表系统的重要组成部分，是我们开发设计过程中的重点之一， 数据库质量直接影响到系统的功能和性能。数据库的设计与我们的软件设计既有 共同解决和处理的问题，同时也有自己特有的问题和解决方法。为规范化的数据 库设计，我们在数据库设计过程中充分考虑各方面的需求，经过以下6 个阶段进行 设计：需求分析：概念结构设计；逻辑结构设计；物理结构设计：数据库实施； 数据库运行与维护。 现在限于文章篇幅不进行一一阐述，着重给出数据库中表的设计，及部分重 要表的具体信息。 数据库采用模块化结构，将不同的数据存到不同的数据库中，这样便于信息 的查询。根据不同的需要共分为采集参数库、设备档案库、分析参数库、原始数 据库、原始数据派生库、统计分析库、操作记录库等。历史数据库保存电能表的 电能量、瞬时值、各种统计量、操作记录等信息。 采集的电能量数据传输到历史数据库后，通过对于所有计量点的相关数据定 义、管理，与采集数据建立相应的对应关系，实现数据转存、计算、处理，并提 供数据访问服务。 江苏大学工程硕士学位论文 数据实体包括用户、电厂、机组、高厂变、段、电表。其中电表是数据库中 最重要的实体，对于电表有小时数据表、日数据表、月数据表、表日报表、表月 报表、表年报表、日极值报表、倍率表等。 每个数据库都是由存在着相互关系的一些表组成的，表是携带一定信息的结 构，由不同属性的列组成。如下一个只报表的构成：其中包括两个主键表m 和同期， 以及总有功、总无功、频率、相电流、相电压和功率因数等。通过a s p 的数据库技 术可以方便的访问数据库中的表，进行数据的绑定以及发布、修改操作如下分 别给出了表计信息表、用户信息表、电表抄表明细表、管理员信息表、集中器信 息表和结转费用信息表。 表5 1 表计信息表 字段名称 数据类型字段人小 集中器 文本 3 采集器文本 3 端口文本 2 表编号文本 8 表类别文本 4 表常数数字箍璎 表倍率数字箍型 计价类别文本 6 介入用户 文本1 0 表5 2j l j 户信息表 字段名称数据类型 字段人小 住房号 文本1 0 姓名文本 1 2 联系电话文本1 6 备注文本3 0 江苏大学工程硕士学位论文 表5 3 电表抄表明细表 字段名称数据类型字段大小 房号文本 1 0 电表地址文本 2 0 上次抄表时间文本 1 0 上次电表读数数字单精度型 抄表时间文本 1 0 电表读数数字单精度型 姓名文本1 2 表5 4 管理员信息表 字段名称数据