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基于GPRS的嵌入式远程自动抄表系统设计摘要 无线自动抄表系统是未来的发展的必然趋势。该系统克服了传统有线抄表方式的弊端，能实现对家用三表的一体化远程抄读、联网查询、缴费和智能控制功能、具有无需布线、工作量小、传输数据量大、准确性高通、信费用低等特点，有广泛的应用前景。设计了以S3C2410A和GPRS为核心的无线远程自动抄表系统。对该系统的总体结构和软硬件实现方法进行了介绍。自动抄表系统全程使用无线通信技术，采用嵌入式系统提高无线数据传输的稳定性，是抄表系统中的信息不受线路、地点等限制。自动抄表系统主要完成数据的抄取和传输,是数据传输系统中最核心的部分,给水、电、气管理的自动化带来了极大的便利。而无线数据传输以其建设成本低,传输速率高等特点越来越受到人们的重视,已成为有线数据传输的有效补充。本文针对自动抄表系统中的数据通讯问题,规划和研究了基于GPRS的远程无线自动抄表系统。 本文通过方案对比以及系统的需求和功能分析,选择了适合自动抄表要求的底层RS-485总线和上层GPRS通信方案。底层通信方面,设计了采集器与电能表之间通过RS-485总线方式通信;上层通信方面,设计了集中器的GPRS方式通信。本文选择GPRS模块实现了远程监控中心对数据采集点数据的自动抄录,并具功耗低、成本低、实现简单、可升级、易扩展等特点。关键词：GPRS系统； 嵌入式； 远程自动抄表系统；Design of Embedded Remote Automatic Meter Reading System Based on GPRSABSTRACT The wireless automatic meter reading system is the inevitable trend of future development. The system overcomes the drawbacks of traditional wired meter reading, to achieve the three tables on the integration of remote home readings, networking check, payment, and intelligent control, with no wiring, the workload is small, data transmission capacity, accuracy Qualcomm, letters and lower cost, there is a wide range of applications.The remote automatic meter reading system was designed,which made S3C2410A and GPRS as its core. Its structure and realization measures in hardware and software were presented Full use of automatic meter reading system, wireless communication technology, embedded systems to improve the stability of wireless data transmission, is the meter reading system information from lines, location restrictions.Automatic meter reading system is mainly taken to complete the data copy and transfer, the data transmission system, the core part, water, electricity, gas management, automation has brought great convenience. The wireless data transmission in its construction, low cost, high transfer rate characteristics of more and more peoples attention, has become an effective complement to wired data transmission. This automatic meter reading system for data communication, planning and research of remote wireless GPRS-based automatic meter reading system. In this paper, comparing the program and system requirements and functional analysis of selected requirements for automatic meter reading the bottom of the upper RS-485 bus and GPRS communications options. The underlying communications, designed between the collector and the power meter mode by RS-485 communication bus; top communications, designed to focus on the GPRS way communication device.This select GPRS module for remote monitoring center point of the data acquisition automatic data copying, and with low power consumption, low cost, simple, scalable, extensible and so on.Keywords: GPRS system ；embedded ；remote automatic meter reading system；目录第一章 引言511远程自动抄表系统概述512 自动抄表研究的背景及意义5121 自动抄表研究的背景5122研究意义613 国内外远程自动抄表系统的发展及现状6131远程自动抄表技术的发展61. 3. 2远程自动抄表技术的现状714 本文的主要内容8第二章 系统的总体设计1021总体结构1022 工作过程1023 GPRS网络技术概念11231 GPRS网络结构11232GPRS网络传输平台12233GPRS的数据传输13234GPRS系统原理14第三章 系统的硬件设计1531系统方案的选择1532数据采集器的设计1633数据集中器的设计2034通信通道的实现21341下行通道的实现21342上行通道的实现2135 数据传输形式的选择2236 IC卡电能表的简介23361 IC卡电能表的工作原理23362 SIM100简介24第四章 系统的软件设计2641上位机软件设26411信息管理模块26412抄表管理模块26413联网缴费模块27414异常处理模块2742 下位机软件设计2743主程序设计2944子程序设计31441 电能表的软件设计31442串口通信子程序32第五章 系统的可靠性35第六章 总结与展望3661总结3662展望36谢词38参考文献39附录40第一章 引言水表、电表和气表的抄录是城市生活的一个大问题。传统上采用的人工上门抄表方法不仅效率低，而且经常出现漏抄、误抄等现象。随着信息技术和网络的不断发展，出现了自动抄表系统。现代智能化系统一般采用两种：电力载波集抄和总线通信方式。由于我国的电网在传输数据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错码、丢码的情况。总线通信方式集抄系统较为复杂，而且要另外铺设通讯电缆，特别对于旧城区改造项目，就存在更大问题。但是，如果采用三表GPRS无线集抄系统，以上问题就迎刃而解。11远程自动抄表系统概述远程自动抄表系统（AMR，Automation Meter Reading）：一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能计费和管理功能的系统。作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给水,电,气管理的自动化带来了方便。在电力系统中,对广大的电力客户实现自动抄表,就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络,实现对电量的自动,集中,定时抄录,并进行统计和分析。电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。自动抄表是信息时代发展的总趋势，自动信息交换为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷，准确的西传递提高了现代数据管理的科学性，先进性。12 自动抄表研究的背景及意义121 自动抄表研究的背景 在能源紧缺而又不可缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，有查表人员入户查表计费，再由受费人员入户受费或将受费单送到用户通过银行进行结算。随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推行，长网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的饿弊病越来越突出，主要表现在：1 查表受费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；2 错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响供电部门的经济效益和社会形象；3 窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了供电秩序。 以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为宫殿企业一个迫切需要解决的问题。122研究意义 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快，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。采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低认为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。它是根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。采用远程自动抄表系统有如下优势：1 采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询帐单，能更好地方便用户。2 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。3 采用远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电、电费催收、杜绝贪污腐败现象等都有积极的意义。4 采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成帐单错误，使供电管理部门能及时准确获得数据信息。5 电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测线、损的准确统计分、时电量和负荷曲线等，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行技术手段。13 国内外远程自动抄表系统的发展及现状 前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，电能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意与80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，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。 我国国内所采用的抄表方式可以分三种：一是传统的人工抄表方式；二是预付费方式；三是远程抄表方式。当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。131远程自动抄表技术的发展自动抄表系统主要有电能、采集器、集中器、数据传输通道、主站系统构成，通过网络还可以和供电局的营业受费系统相连实现抄表受费一体化。采用无线抄表方式在布点时根据地域情况可采用星形、树形、线形、扇形等灵活的布点结构。具有建网费用低、建设周期短、维护量小、抗灾能力强、不占用耕地、无需查线检修、不受人为破坏、数据易传、抗干扰能力强等优点。尤其是架设不易或数据通信越远，点越多时，更能显示出优异的性能价格比，既节约了架设明线电缆彻的器材和人工费用，提高了工作效率，有减轻了维护人员的工作强度，避免进户抄表给住户带来不便。能使当地的电力数据准确、及时传输到电力管理部门。使用电力无线抄表系统后，为合理分配，测控用电量提供了科学管理的依据。较之无线抄表，其他抄表技术均存在一定的缺陷。（1）485总线抄表：施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后，故障点不易查找，易受雷击和过电压的影响，传输距离短，网线长度不超过1200m。（2）红外线抄表：系统抄表时需要工作人员到现场，用掌上机抄收采集器中存储的电能表数据，然后返回主站，自动化程度低，且抄收距离业大受限制。（3）低压电力线载波抄表系统，影响电力线载波传输质量主要有两个因素：一个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。由于我国的电网在传输数据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰。导致传输数据错码、丢码的情况。造成数据传输的结果和原表数据的误差。可见，低电力线载波抄表的可靠性差。总上所述，无线抄表方式具有投资少、功能强、性能稳定、自动化程度高、易于维护的特点。总揽全球，无论是中国还是国际市场，电力公司在自动抄表系统方面积累的经验比较丰富，也一直走在应用的最前列。经过METERING China 2007、METERING Ching 2008以及AMR China 2007三届国际高峰论坛和研讨大会，很多行业人士对意大利Enel电力公司、法国EDP电力公司、巴西CAM电力公司以及香港CLP中华电力等国际化的电力公司在自动抄表系统方面的策论、应用和经验等有了较深刻的认识和理解，进而对欧洲、北美、南非、亚洲等国家在自动抄表方面的规划有了更清新的了解。2008年3月，“建设部”改名为“住房与城乡建设部”，意味着国家未来能够更加集中监管、控制和协调房地产的发展，而“水电气三表集抄”正是现代化房地产业打造智能化小区不可或缺的一个亮点；此外，随着各行业部门面临节能降耗目标的巨大压力，“成为国家能源部”的消息也在沸沸扬扬，一旦成为事实，新成立的能源部可能会将电力、煤炭、油气、节能管理、能源规划、国际能源合作、能源科技等纳入管理，水利部、国土资源部也有部分行政职能与能源有关，对于那些盼望“今后有一个统管水、电、气公用事业部门自动抄表的管理部门”的人来说，无疑看到了一丝曙光。如何整合公用事业资源、实现节能减排最大化，自动抄表无疑是最有效的技术手段之一。从各种不同形式的远程抄表系统的发展看，随着无线技术的不断发展，无线抄表方式无疑是最受管理方关注的。由于无线抄表系统具有组网快，无需人工于预网路的维护管理，运行稳定，安全可靠等优势，能达到其他集中抄表方案无法达到的效果，必将成为今后抄表系统发展的主流技术。1. 3. 2远程自动抄表技术的现状远程抄表系统的发展已有十多年了，但实际 应用 状况却差强人意，许多已安装自动抄表系统的楼盘由于计量不准确最后不得不又返回到人工抄表的老路上来，虽然产生这种现象的因素是多方面的，但仔细 分析 ，根据现在表具的生产原理出现这种情况是必然的。1前端表具先天不足目前市面上所使用的抄表系统种类虽然繁多，但基本结构及原理都大同小异。就目前广泛使用的脉冲发信表（水表、气表）基本上采用干簧管或霍耳元件传感器，工作原理简单，即在原机械表的转动齿轮或指针上放置磁铁，将传感器固定在其附近某一位置，齿轮或指针转动带动磁铁转动，当磁铁靠近又离开传感器时，输出一个周期的脉冲信号。采集设备通过累计脉冲表发出的脉冲信号进行累计和换算，转换出用户的用水、用电、用气量。通过这种方式实现远传的系统，其可靠性取决于脉冲发信表发信、脉冲信号传输以及系统计量的可靠性。现实证明，这些环节的可靠性是无法保证的，使用中常会存在着以下弊端：1)从 理论 上讲，远传表输出的脉冲数与齿轮或指针的转动次数成一一对应关系，然而现场条件却难以达到理想状态，由于表盘的抖动和传输过程的电磁干扰等因素，易引起脉冲丢失或多计脉冲。因此在使用一段时间后，脉冲计数方式的抄表数据与表具现场读数值不一致，系统需要不断的修正，易引起管理部门与用户的纠纷。2)表具传感器的的安装也是一个重要的因素，目前一些水表生产厂家从传感器厂家购入传感器后自行安装，由于水表中指针为金属指针由于安装不慎，水表安装运行后甚至会出现指针给磁铁吸到磁铁上的问题导致了现场的读数和脉冲抄表的计数出现很大的出入。3)由于传感器是覆盖在表盘上安装的，安装了传感器后甚至直接 影响 了现场读表。所以厂家在安装传感器的时候安装的角度也是该考虑的。2.脉冲信号传输 1)脉冲表发出的脉冲信号，需通过信号线传输至采集器，如果传输距离过长，或者因连线质量不好、屏蔽作用不强信号失真，则不可避免造成系统计数错误。3.系统计量1)由于脉冲计数的累加性特点，系统采集器上的记忆脉冲的电子存储元件数据易受干扰，影响数据精确。2)远程抄表系统是通过不间断地累计对应脉冲表远程发来的脉冲来进行计量的，这就首先要求系统初始值设置必须正确，即人工抄读每只远传表的表盘实际读数后，将表的实际值准确无误地输入到数据采集器，目前所使用的抄表设备一般有两种设置方式：一种是通过掌机将现场读数先输入掌机中，然后通过掌机将数据通过红外接口输入采集器。这种设置由于不是实时计数，对于运行中的系统当用户用量比较大时不可避免的存在误差。另外一种是直接在管理计算机端通过软件实现，进行基数设置时需要使用对讲机进行实时设置。这样设置不存在误差。3)在实际使用过程中还必须要求电源及线路状态始终完好，不允许停电，如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失，集中抄表的风险无法有效分散。现在的抄表系统一般都自带蓄电池。但实际运用中蓄电池持续的时间往往都不是很理想，一旦停电必须对抄表的基数进行重新设置。所以抄表系统的供电一定要保证，一旦这些必要条件不具备，系统计数便不可避免地与机械表的读数出现误差。基于以上原因，可以清楚地看到目前采用累计脉冲的方式进行计量的抄表方式，显然是不能成为今后主流发展的趋势。目前的抄表系统前期的技术问题是根源，是由于其产品设计上的先天不足，用它直接作为计量收费的依据，必然招致无穷无尽的麻烦。14 本文的主要内容本文所做的主要内容工作包括：1 基于GPRS的无线远程自动抄表系统的构建通过方案对比，本文构建了底层通信基础基于RS-485总线传输，上层通信基于GPRS无线网络相结合的远程复合式自动抄表系统。由于GPRS是支持IP协议的，组网方面可以采用通过GPRS接入internet的方式，从而在整体上完成对远程自动抄表系统的构建。2 系统的硬件设计本文中的硬件设计主要含有三大部件：数据采集器、数据集中器、通信信道的设计等。其中数据采集器主要是采用芯片是AT89C2051芯片；而数据集中器的芯片是S3C2410A芯片；通信信道分为上行通道与下行通道：下行通道包含无线数据传输模块与芯片DTD465A;上行通道是采用GPRS模块和GR47。3.系统软件设计系统的软降设计主要包括上位机设计与下位机设计两方面。还介绍了AT指令，系统的主程序设计与子程序设计等一系列的软件设计。4.系统的可靠性第二章 系统的总体设计21总体结构 无线远程自动抄表系统总体结构如图2.1所示，主要由水表、电表、煤气表3种计量用表和数据采集器、数据集中器、通信通道、抄表系统管理中心构成。图2。1无线远程抄表系统的总体设计图22 工作过程每户安装一个数据采集器，每300m安装一个数据集中器。一个数据集中器可以与300m内的所有数据采集器进行通信。数据采集器负责对家用三表的电脉冲信号进行实时采集，转化和存储。数据集中器是整个系统的核心，它一方面通过GPRS模块GR47接入网络与抄表管理中心进行数据通信，另一方面通过无线数据传输模块DTD465A与数据采集器通信。数据集中器不断循环地对数据财采集器发送命令实现数据的集中，在收到抄表管理中心的上传命令后，数据集中器通过GPRS网络上传数据。抄表数据管理中心对收到的数据进行处理和分析。一旦出现异常情况，抄表数据管理中心在发出光警报信号的同时，发送异常命令到数据集中器。数据集中器通过无线数据传输模块DTD465A将异常命令下传给数据采集器，由数据采集器控制内嵌在表中的继电器做出相应动作（如停水、断电、关气和报警等）。此外，抄表系统管理中心与自来水公司，电力公司，天然气公司的营业系统和银行的收费系统联网，完成各种费用的计算，票据打印，统计报表等功能。23 GPRS网络技术概念GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，它是第2。5代移动通信系统，是全球移动通讯系统GSM（Global System for Mobile communication）向3G过渡的一个桥梁。GPRS实在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。GPRS是基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域无线IP 连接。GPRS在分组交换模式下发送和接收数据,可以使不同的数据传分享传输带宽,从而提供了一种高效、低成本的无线数据传输业务。GPRS 用于电力系统远程抄表具有多方面的优势: (1)接入范围广,可充分利用全国范围的电信网络,不受地域和位置限制; (2)传输速率高, 网络数据传输速率最高可达171kbit/s , 而且通过不同的编码方式,支持不同速率的传输,能满足远程抄表的应用需求; (3)提供实时在线服务,能够提供快速即时的连接, 保证通信的实时性; (4)按流量计费,特别适用于远程抄表这种间断的、频繁的、少量(偶尔大量)的数据传输; (5)支持TCP/IP协议,可与Internet互通,突破了GSM 通信中数据流量的限制; (6)GPRS网络系统提供可靠的数据安全性231 GPRS网络结构GPRS在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络，通过增加一些硬件设备并对原有网络升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端，广域的无线IP连接。GPRS的网络结构如图2.2所示。图2.2GPRS网络结构从网络侧看，新增SGSN（GPRS服务支持点）和GGSN（GPRS网关支持点）这两种网络实体以及Gb、Gn/Gp、Gi、Gf、Gd、Gs、Gc等（如表2.1所示）接口而形成的移动分组数据网络。因此，GPRS的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。GGSN在GPRS网络和公用数据之间起关口站的作用。它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN和LAN等。SGSN记录移动台当前位置信息，并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区所有用户提供双向的分组路由。表2.1GPRS网络接口说明接口或参考点说明R非ISDN终端与移动终端的参考点GbSGSN与BSS之间的接口GcGGSN 与HLR之间的接口GdSMS-GMSC之间的接口，SMS-IWMSC与SGSN之间的接口GiGPRS与外部分组数据之间的参考点Gn同一GSM网络中两个GSN之间的接口Gp不同GSM网络中两个GSN之间的接口GrSGSN与HLR之间的接口GsSGSN与MSC/VLR之间的接口GfSGSN与EIR之间的接口UmMS与GPRS固定网部分直接的无线接口232GPRS网络传输平台GPRS网络传输平台由分层的协议结构组成，它能提供用户信息的传递，采用信息传递的控制过程，如流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。传输平台独立于网络子系统平台。在GPRS中使用图2.3所示的分层协议传输平台。图2.3GPRS传输协议栈MS，BSS，SGSN的协议栈实现用户信息及有关信令信息的传递控制过程。Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC（Medium Access Control）层、LLC（Logical Link Control）层、SNDC（Subnetwork Dependant Convergence）层和网络层。Um接口的物理层为射频接口部分（GSM RF），而物理链路曾则负责提供空间接口的各种逻辑信道。GSM空中接口的载频带宽为200kHz，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达200kbps。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达164kbps。数据包从TE传到MS要经过四个接口：Gi、Gn、Gb和Um。在实际应用设计中，最关键的接口是Um接口、Gi参考点（reference）以及参考点，如图2.4所示。是和网络进行无线连接的空间接口。是网与外部数据网（指分组数据网，如和其他网络如。，。等）的数据通信接口。参考点则把和结合为，既是硬件设计要考虑的部分。图2. 4GPRS实际应用接口233GPRS的数据传输移动平台和外部数据网络之间传输的数据为协议数据单元（），在移动台和之间传输时，是以上午形式传输的，每个最大为字节。如果比字节小，可以正常传输，如果比字节长，则传输时必须将其分段，如果不支持分段功能，就只能丢弃。和之间，将其封装后，利用隧道协议传输，头中有的地址，便于寻址。头部还包括隧道标示用于唯一上午标示一个上下文。之间，利用协议传输，在这里上下文通过临时逻辑链路标示（）和网络层入点标示（）来唯一标示，如图2.5所示。图2.5 GPRS数据传输过程由上图可以看出，支持外部网络与移动台之间的透明传输，在数据传输时，在移动台、中把数据包封装起来，根据移动台、中的（分组数据协议）选择路由传输数据包。骨干网利用隧道协议对或。分组进行封装，然后将协议数据单元插入或又是封装在中进行传输。在和头部分别包含地址的隧道端点标识符（），用它们来唯一确定地址和，从而正确地将数据包传输到目的地。234GPRS系统原理与基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，分组是从基站发送到，而不是通过移动交换中心（）连接到语音网络上。与进行通信，对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自标识有移动台地址的包，由接收，再转发到，继而传送到。通过帧中继与相连，是网络与之间的接口。的主要作用是记录的当前位置信息，并在和之间完成移动分组数据的发送和接收。通过基于协议的骨干网连接到，将网络中的分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网。是连接网络和外部分组交换网（和）的网关。起原理图结构如图2.6所示：图2. 6GPRS系统原理图第三章 系统的硬件设计任何一个系统功能的实现都离不开硬件的支持，塌实系统功能实现的饿物质基础。硬件的设计要根据功能的要求和系统的工作原理来进行。对于该系统来说，最关键的是数据采集器，数据集中器和通道设计。如图3.1所示系统的硬件结构设计。MCUAT89C2051RS232网络接入设备脉冲采集计数模块网络小区主机辅助电源电路RS485时段如图3.1抄表系统的硬件结构设计31系统方案的选择自动抄表的构建“一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点：系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。目前存在的抄表方式各有其适用场合：红外抄表只适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS-485总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合低层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式。在实际应用中，可以将多种自动抄表方式结合起来，构成一种复合式自动抄表方式。该系统构建的复合式自动抄表系统整体采用分布式体系结构，由四部分组成：监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图3.2所示。自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采用RS-485总线型通信方式。这种方式是以一条串行总线连接各分散的采集器，实现各节点的互连。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，形成1对N的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于GSM/GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GSM/GPRS网络作为上层通信方式。集中器模块电能表N电能表2电能表1采集模块N采集模块2采集模块1通讯模块监控中心服务器SIM卡GPRS网络Iternet网RS485RS485RS485图3.2远程自动抄表系统组成框图监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器与集中器。采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有RS-485接口的智能型仪表；采集器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用RS-485总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GSM/GPRS网络把数据传送给上位供电部门管理中心。因此，为了实现 数据汇总和转发，集中器必须具有两部分通信功能：一是与采集器之间的短距离有线通信，这部分通信主要由RS-485通信来完成；二是控制器和通信模块之间的RS-232串行通信，通过RS-232串行接口微控制器可以发送AT指令来控制通信模块以实现集中器和上位计算机之间的远距离无线通信。该系统中集中器又可称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。32数据采集器的设计数据采集器的结构如图3.3所示，以Amel公司的AT89C2051作为主控制器，包括无线数据传输模块，数据存储模块，异常处理报警模块，脉冲采集模块，看门狗和时钟电路。微控制器通过串行接口TX（P3 0引脚）和RX（P3 1引脚）外接无线数据传输模块DTD465A，通过IC外接时钟芯片DS1307。从水表，电表，煤气表等输出的采样脉冲，经过输入电路实现信号电平转化，再经整形转化成方波后，送给单片机的I/O口，实现各表的脉冲数统计。数据存储模块选用64KB的EPROM存储器AT24C256用来存储各表的数据信息和采集器的地址，等待数据集中器的抄写。每个用户采集器的地址不同，保证采集信息的 正确无误。系统配备可充电后备电源，停电时自动启用后备电源为系统供电，防止丢失数据。无线数据传输模块Flash存储模块脉冲采集模块S3C2410A键盘控制模块USB接口模块LCD显示模块图3.3数据采集器结构框图1. AT89C2051芯片基本结构和特点AT89c2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。2.AT89C2051有以下标准特征：2K字节的闪存， 128字节RAM， 15I/O线路， 两路16节的计时器， 5FIVE VECTOR 两种中端科技，duplex 系列端口， 模拟兼容器，芯片。，时钟循环， 另外，该产品还使用静止的逻辑操作，降低到0频率， 支持两可选省电模式。理想模式是在停止CPU的时候， 允许RAM，计时器， 系列端口和中断系统持续工作。 低电模式，节省RAM空间，但是其他芯片上的功能会不运作，直到重新装置另一个软件。3.程序保密 AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。 4.软硬件的开发 89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统。 （1） 由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。当做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。 （2） 将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。 主要性能： .和MCS-51产品兼容； .2KB可重编程FLASH存储器（1000次）； .2.7-6V电压范围； .全静态工作：0Hz-24KHz .2级程序存储器保密锁定 .128*8位内部RAM .15条可编程I/O线 .两个16位定时器/计数器 .6个中断源 .可编程串行通道 .高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6） .直接驱动LED的输出端口 5. AT89C2051的结构框图如图3.4所示 ：图3.4 AT89C2051的结构框图8图3.5 AT9C2051内部结构图如图3.5所示。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器，ATMEL AT89C2051是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。 图10.2 AT89C2051内部结构图 此外，从AT89C2051内部结构图也可看出，其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外），引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致，但P1口、P3口有其独特之处。AT89C2051的引脚说明 AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚如图3.2.2所示，与8051内部结构进行对比可发现，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸有所减少。 AT89C2051芯片的20个引脚功能为： 1. Vcc：电源电压。 2. GND：地。 3. P1口：P1口是一8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入（AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。 4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。 P3口还用于实现AT89C2051的各种功能，如下表所示。P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5. RST：复位输入。RST一旦变成高电平，所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。6. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 7. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。表3.2 P3口的功能P3口引脚功能P3.0RXD(串行输入端口)P3.1TXD(串行输出端口)P3.2INT0(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)从上述引脚(表3.2所示)说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号，因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统33数据集中器的设计数据集中器由S3C2410A微处理器，无线数据传输模块DTD465A，GPRS通信模块GR47，键盘控制模块，LCD显示模块，Flash存储模块，SDRAM模块和USB接口模块等组成，如图3.6所示。无线数据传输模块Flash存储模块SDRAM模块S3C2410A键盘控制模块USB接口模块LCD显示模块GPRS通信模块图3.6数据集中器结构框图数据集中器采用Samsung公司的S3C2410A微处理器作为处理芯片，该芯片具有功耗低，集成度高等特点。Flash存储模块由AM29LV800和K9F1208UOM组成。其中AM29LV800属于NOR Flash用来存放启动代码；K9F1208UOM属于NAND Flash用来存放文件系统，应用程序代码，抄表数据文件等。SDRAM模块由两片HY57V641620组成，在统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。该设计中，LCD选用EPSON公司的TCM-A0902（单色，320*200像素）。由于S3C2410A是高速处理器，因此在对LCD操作时需要加入软延时。S3C2410A自带3个UAR通道，通过外接MAX3232芯片实现标准的RS-232通信接口后，分别与GPRS通信模块GR47和无线数据传输模块DTD465A实现串口连接。34通信通道的实现341下行通道的实现下行通道是数据集中器与采集器之间的通信通道，系统采用无线数据传输模块DTD465A实现无线通信。DTD465A最大发射功率为10mW，工作在433MHz的ISM频段，采用基于FSK调制方式和高效前想纠错信道编码技术，可靠传输距离达300m。DTD465A通信接口速率为9600b/s半双工通信信道，最适合点对多点的通信方式。DTD465A直接通过串口与数据采集器中的AT89C2051相连，硬件设计如图3.7所示。在数据集中器中，S3C2410A微处理器通过MAX3232实现RS-232接口后与DTD465A相连。DGNDSGNDTxDRxDVCCGNDDVDDTxDRxDDGNDP1.7RESETP1.6SLEEPAT89C2051DTD465A图3.7 DTD465A与单片机接口的设计342上行