基于无线通道的燃气自动抄表系统的研究与开发

摘要41绪论511研究背景和意义512国内外自动抄表系统发展及应用现状613现有自动抄表系统解决方案7131有线抄表系统7132电力载波抄表系统9133无线抄表系统1014本文研究内容与章节安排142无线抄表系统总体设计1621系统设计总体要求1622系统方案设计17221无线方式选择17222系统结构设计17223计量表具计量方式的选择与设计20224无线通讯模块的选择22225手持机选择23226中心管理信息系统设计2723本章小结283无线抄表系统底层硬件平台设计2831基于无线双向燃气表方案的底层硬件设计2832基于采集器方案的底层硬件设计31321无线表具设计31322无线采集器设计3233本章小结344手持机软件系统设计3541手持机介绍35411手持机体系结构35412手持机软件开发环境3642手持机系统功能分析3643手持机软件操作主流程设计3744手持机主界面设计3945数据通信模块设计40451通信协议的制定41452软件实现4346抄表功能模块设计44461通讯协议的制定45462软件实现4847手持机数据结构设计5048其它功能模块设计53410本章小结555中心管理系统设计5651系统总体需求分析56511系统需求描述56512数据库管理模块功能描述58513基本业务模块功能描述59514抄表管理模块功能描述5952基于UML的系统模型59521UML简介60522系统用例图62523系统时序图65524系统协作图68525系统状态图69526系统活动图7053数据库设计7354软件开发与实现7455本章小结756运行与测试7661系统运行环境构建7664管理软件数据处理7965本章小结807总结与展望8171研究总结8172研究展望82参考文献84摘要目前抄表方式以有线方式为主，诸如电力线载波、电话线、RS485或者是上述几种有线方式的混合。随着城市和智能小区的发展，有线系统先天存在着布线，施工周期长、工程安装成本及维护成本高和系统扩展性差等问题，已经越来越满足不了城市发展的需要，而小功率无线电波通信方式由于其通信方便、组网简单、无需申请频点使用权以及投资少等特点，为国内外越来越多的自动抄表系统所采用。本文对目前有线燃气自动抄表方式作了深入的研究，在瑞迅公司原有线抄表系统的基础上，采用小功率无线电波通信方式，提出了两种结构型式的小区无线抄表系统方案基于无线双向燃气表方案和基于无线采集器方案，并对这两种方案的硬件和软件进行了设计和实现。本文首先针对现有脉冲表具计数不准、需要复杂布线和可靠性差等问题，对于不同无线抄表方案设计了两种新型具有无线远传接口的表具。其次专门针对基于无线采集器方案设计了一种具有无线接口的数据采集终端，它具有独立存储空间，能完成对无线单向燃气表数据采集，也能响应手持式抄表机指令，完成数据通讯任务。第三手持式抄表机应用软件设计。手持式抄表机作为底层无线燃气表具、无线采集器和上层信息管理系统之间信息交换的载体，手持机通过相关通信协议实现与无线表具和无线采集器直接通信，从而实现了包括表具数据的读取存储以及无线表具的设置等功能。最后通过中心管理信息系统软件设计，实现了抄表机数据导入和抄表任务下载、手持机应用软件更新以及抄表机参数设置等功能并且对上传抄表数据实现了数据智能化处理、收费和票据报表输出的功能。系统运行测试表明系统性能达到了预定的目标，系统满足了实际的需求，具有较高的实际运用价值。关键字自动抄表系统、无线通信协议、无线模块、手持机、串口通信1绪论本章分析目前抄表行业面临的问题，讨论了自动抄表技术的发展现状，分析了目前有线自动抄表技术、无线抄表技术和电力载波技术的优缺点，指出了无线抄表方式将逐渐成水、电、气抄读的首选，最后给出本文的研究目标、内容和全文章节安排。11研究背景和意义随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机通信技术的发展和城市智能化住宅小区建设的迅速发展，水、电、气自动抄表系统被列为住宅智能化建设必要项目之一，与监控报警系统、家居安防系统等都将是楼宇智能化系统不可缺少的一部分。建设部公布小康住宅的十大标准第六条规定“对现代化住宅使用的水表、电表、煤气表等各种计量器具要求信息出户”1。在2003年公布的物业管理条例第四十五条中明确规定“物业管理区域内，供水、供电、供气、供热、通讯、有线电视等单位应当向最终用户收取有关费用。物业管理企业接受委托代收前款费用的，不得向业主收取手续费等额外费用”2。今后，水电气行业的直管用户将逐步过渡到终端服务即行业公司直接抄表收费的模式。同时近年来随着城市建设速度的加快和城市范围的不断扩展，人工抄表所需的人力与经费均相当可观，为提高经营绩效和节省开支，水、电、气公司都需要以自动抄表系统来取代人工抄表方式。因此水、电、气公司可以将自动抄表系统作为一个增值的免打扰服务来提供给用户，必将受到广大居民住户的欢迎3。另一方面，水、电、气公司出于提高自身服务水平和降低运营费用的目的，也急需准确了解用户的每月耗能数据。如果采用传统手工抄表方式，就意味着需要增加大量抄表人员，其结果势必提高水、电、气公司的运营成本。因此，采用自动抄表系统也是水、电、气公司提高企业自身经济效益和服务质量的需要。本文研究是基于南京某公司现有抄表系统进行改进和创新，该公司现有抄表系统采用RS485总线作为通信线路，采用分布式结构。通过近几年的市场推广和运行，发现存在着通信线路布线困难、施工周期长、工程安装成本及维护成本高等问题，同时外界的干扰也是主要问题，比如空间电磁场干扰，由于有线系统的主要线路布置于弱电井中，某些高频干扰信号可产生强大的电场和磁场，这些干扰可不经接触直接进入系统。此外由于在该系统中采用电力线供电，还存在着电网干扰，由于电力线上往往会存在着过压、欠压、浪涌、跌落和瞬间脉冲等异常情况，这些干扰通过电源直接影响到抄表系统的稳定性，因此研制一种适合的自动抄表系统具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。12国内外自动抄表系统发展及应用现状自动抄表AMRAUTOMATEDMETERREADING主要由数字式水表、电表、气表等计量表具、住户数据采集器、传输系统和管理计算机等设备组成，如图121所示。具有数据或脉冲数据的表具作为系统前端计量仪表，对用户的用水量、用气量、用电量和用热量进行计量。住户采集器对前端的数据进行采集，并对采集结果进行长期保存。物业系统管理主机发出读表指令，住户采集器立即向管理系统发送计量数据。住户采集器和物业管理主机通过双方约定的通信协议进行通信，确保传输过程数据的正确性。管理系统负责计量数据的采集、计费、统计、查询和打印等，以及根据需要将收费结果发送到相应部门的管理计算机中456。图121自动抄表系统组成在国外，各种表具的自动抄表系统已经开始广泛使用7。例如，1999年6月美国威斯康辛公用服务公司将它们第一期自动抄表系统的合同授予了美国配电控制系统公司。该自动抄表系统为双向自动通信抄表系统，以实现居民和商业用户的电能表与煤气表的自动化。采用自动抄表系统来改造威斯康辛公用服务公司中原机电式和半导体式电能表，以及各类煤气表。该系统的运作是高透明度的，可提供实时用电数据及最高负荷、分时用电数据和间隔读表数据。又由于该系统是一种多功能系统，因此威斯康辛公司还将采用其双向负荷控制转发器来替换现有的加热器控制装置，以便用户根据其实际情况来选择分时电价4。我国从90年代初期开始有厂商研发自动抄表系统，目前从事自动抄表系统研发的厂家近300家，全国实施自动抄表系统的小区有上千个6。13现有自动抄表系统解决方案自动抄表系统中要解决的关键问题是数据通讯和数据采集的问题，因而根据自动抄表通讯介质的不同，总体上把它们分为有线抄表、无线抄表系统和电力载波抄表系统。131有线抄表系统有线抄表系统充分利用电话网络、闭路电视网、RS485总线网等4，基于有线的抄表系统不是本文的侧重点，本文下面对各个有线方案只作简单介绍。1RS485总线RS485总线由电子工业协会EIA制订并发布的工业标准以保证不同厂家产品之间的兼容。RS485允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，用户还可以建立自己的高层通信协议。正因为RS485的远距离、多节点、可以自行定义协议以及传输线成本低等特性，使得RS485成为工业应用中数据传输的首选标准，因此在自动抄表领域也被广泛采用891011。2电话线网络由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。利用电话通信，只需在数据采集器和管理中心主机各加装调制解调器MODEM即可，其通信速率可达24KBPS、96KBPS甚至56KBPS，完全满足远程自动抄表数据流量要求。但是租用电话线方式进行数据通信时，线路续接包括呼叫应答等时间较长，通常需几秒到几十秒，这一方面使得管理中心无法对用户实时监控；另一方面由于采用公网传输其可靠性和安全性也比较差12。3光纤通信网光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、通信稳定可靠、传输距离远以及高抗干扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。但是施工成本投入大、扩展性差、设备维护方面不方便，很少应用于小区自动抄表系统中13。4INTERNET网将INTERNET网作为传输的介质，现场数据采集器将数据通过INTERNET网络传输到终端管理计算机，这种通信的方式称为INTERNET网通信。这种通信方式的优点是传输速率高、传输距离远，但是由于INTERNET网络的保密性比较差和数据包在传输的过程中容易丢失，同时由于智能终端设备成本比较高，这种通讯的方式很少被采用13。5MBUS仪表总线MBUS是一种欧洲标准的2线总线，专门为消耗测量仪器和计数器传送信息的数据总线而设计的，它的信息传送量是专门满足其应用而限定好的，它具有使用价格低廉的电缆而能够长距离传送的特点，所以MBUS总线在集中抄表领域正在被越来越广泛的采用L41516。总的来说有线抄表方式的优点主要体现在1可实现实时抄表、实时监测和实时控制，可检测出设备破坏和非法使用等；2抄表速度快，人员少，抄表准确性较高；3可实现预付费功能，用户充值后，数据通过网络远程读取，可避免用户直接接触表具，提高设备使用寿命；4对于外界干扰，有线系统的抗干扰能力比较强。但是也存在以下一些问题1设备安装时涉及布管和穿线问题，故需要预先设计；2施工周期长、工程安装成本及维护成本高；3系统的扩展升级和与其它网络的兼容等问题。132电力载波抄表系统电力载波PLC，POWERLINECARRIER的基本原理是把水、电、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线路传送，在接收端解调还原成数据信号17。由于电力线遍布各处，从发电厂到各个居民小区无所不至，利用现有的电力网络作为信道，不需要重新布线，系统后续运行维护比较少，可以适用于不同场合，特别是布线比较困难的场合，由于电力线路既是信号传输通道又是电力传输载体，其设计时不可能兼顾高频通信的技术要求，因此本文把电力载波单独列为一种自动抄表方式。电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期。它以电力线路为传输通道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等优点。70年代美国出现能源危机之后，在引进西欧音频电力负荷控制系统的基础上开发出载波电力负荷监控及抄表系统。但是电力线通信信道存在间歇性噪声大、阻抗随负载变化大、信号衰减大等缺点，严重制约了它的有效利用。由于电力线载波通信中存在的这些问题，采用常规载波技术包括振幅调制、频率调制等常规调制技术不能满足实际的需求，必须采用高抗干扰能力的载波调制技术，如扩频载波调制技术1112。国外在扩频载波技术方面起步较早，且有成熟的产品，如美国的INTELLON公司和ECHELON公司、以色列的UNIQUE公司、加拿大的STANFORD公司、法国和意大利的ST公司。其产品的共同特点是通用的电力线载波扩频通信芯片；按照纯扩展频谱原理，硬件电路实现信号的调扩与解扩。应用方式面向家庭内部自动化控制，针对北美和欧洲地区的电网特性和结构而设计1718。由于我国许多地区低压电网配电线路在规范性、清洁度、阻抗特性、周波和电压等方面难以达到标准，使得国外产品的应用在通信能力、稳定性、可靠性和抗干扰能力等方面大打折扣。同时电力线载波由于其固有的弱点，通道干扰大，信息量小，再加上有时设备管理维护等方面造成的稳定性差、故障率高等不足，已显得不能适应现代电网对通信多方面、多功能的要求18。133无线抄表系统如上所述，采用通讯线路作为信息上传的通道存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试和维护困难重重。基于上述原因，设计一种稳定可靠、安装维护方便，可以抄读表具数据而且可以监控表具运行状态的自动抄表系统，己经成为目前抄表行业亟待解决的问题，而以无线方式作为传输表具数据的抄表技术正好弥补了现有有线系统的缺点，逐渐成抄读方式的首选419。无线通讯的解决方案主要有以下几种1红外传输红外线是波长介于红光与微波只见的电磁波，波长0773M为近红外区；330M为中红外区；301000M为远红外区。红外线有较强的穿透能力，并且易于产生，因而被人们广泛应用于数据通信方面。红外通信就是把红外线作为传递数字信号的媒体，利用红外线来传递信息的一种通讯方式。红外传输的原理简而言之就是将电信号通过放大驱动红外发射管转变为光信号，从而实现了电信号的传输。但是由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输1120212223。目前市场上的红外收发方式主要有以下两类应用于短距离数据通讯的红外数据协会IRDAINFRAREDDATAASSOCIATION方式和遥控器方式。其中IRDA方式是使用红外线为媒介进行点对点通信的短距离无线传输标准，该方式传输速率快，最高可达4MBPS，但传输距离短，一般不超过1M；遥控器方式传输距离较远，但数据量较小，一般仅为几个至十几个字节的控制码，不能适应数据通讯时的数据传输量大、速率高等特点，因此在无线抄表中一般选用前者作为数据传输的方式。2无线射频传输无线射频RFRADIOFREQUENCY方式抄表运用在抄表行业大体上分为两种一是使用小功率无线发射装置的现场手持无线抄表；二是使用大功率无线电台的远程无线抄表两种方式121924。（1）大功率无线方式该方式使用自己建设的无线电台，在200400MHZ的频点上通过散射通信的方式进行无线电通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大可达几千台，实时性较好，覆盖范围较广，可以通过中继延伸，但是通讯需要申请频段使用权，且设备安装维护费用较高，因而对使用场合有一定的限制，故实际中多用于大用户电力负荷的无线监控以及用电管理系统中，在小区抄表中很少应用19。2小功率无线发射方式该方式是指采用近距离无线通信技术和计算机技术自动读取和处理表具数据，与红外抄表方式相类似。但是与红外抄表方式相比它的通信距离更远，实用性更强，因此广泛运用于抄表。在进行通信时，抄表器发送指令，各表接收到命令后进行地址对比，如果正确则发出应答信号，完成数据链路建立，然后进行数据通信。目前主流的小功率无线抄表技术主要有以下几种蓝牙技术蓝牙技术于1998年出现，是一种采用24GHZISM（INDUSTRIALSCIENTIFICANDMEDICAL频谱的短程无线技术。作为一种开放性的标准，蓝牙可以提供短距离的数据语音和数据传输。蓝牙技术可以提供最高720KBPS速率的数据传输，可以让距离1OM以内的电子设备共享信息，如果功率足够，这个范围可以扩大到1OOM。蓝牙技术不像红外传输协议那样要求进行传输的设备之间必须对准，它使用全方位的无线微波进行传输，可以穿透墙壁和其它非金属的障碍25。蓝牙技术具有以下几个特点工作于24GHZ的ISM频段，在世界范围内运行在这个频段的通信设备无需向各个国家申请使用执照。蓝牙技术工作频率稳定可靠，采用低发射功率、接受灵敏度高的设计，满足无线管制的要求；采用1600HOP/S的快速跳频技术；采用正向纠错编码FEC技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小，便于携带或移动，成本低廉。基于蓝牙技术的无线自动抄表是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线抄表网络。ZIGBEE无线接入技术2000年12月IEEE美国电气与电子工程师学会成立802144工作组，致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速无线连接技术ZIGBEE技术。ZIGEBEE是一种低速率、低功耗、短距离无线接入技术，与其它无线技术相比，ZIGBEE实现了低复杂度、减缩的资源要求，并且提供了一个组织标准的规范。它提供了三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全性能，是为低速控制网络设计的标准无线网络协议。ZIGBEE的一些应用包括建筑自动化网络、建筑安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设等。这种低成本、商业型的应用技术，其无线装置减少了传统电气工程施工费用，解决了现场安装困难的问题，消除了传统无线接入技术的不可靠性及其它技术问题，将ZIGBEE应用于无线抄表将是将来的一个趋势2627。WAVENIS技术WAVENIS是法国的无线技术公司CORONISSYSTEMS首创开发的专门针对远程自动抄表系统的无线抄表技术28。WAVENIS无线技术的特点是耗电量极低，作用距离大，对蓝牙设备是一种很好的补充。WAVENIS技术可以集成在所有需要在ISM无线频带当中无线接入的自主型设备，更准确地说这种技术在868MHZ（欧洲，915MHZ美国和433MHZ亚洲频段内操作，不用向无线电委员会申请专用频率。WAVENIS技术提供完善的接口和中间件，有很强的灵活性，支持无线网络技术，能够提供建立一个无线网络所需要的所有功能，以点对点、广播、选择呼叫和中继的方式操作。采用WAVENIS技术，即使是在最为不利的应用当中，一个电池的自主时间最长也可以达到十五年。同时在强电磁干扰环境下室内电动机、开关、手机、调制解调器等正常运行，而且不会对其它无线设施的运行产生干扰。综上所述WAVENIS无线技术非常适合于在自动抄表中应用28。目前全球领先的几大表具制造商和建筑商选择了WAVENIS技术方案，英国ELSTER、法国最大的水表厂之一WATEAU、欧洲的最大的智能建筑承建商CIS等都采用WAVENIS技术推出抄表方案。3移动电话网络GPRS/CDMA/GSM网络中国移动、中国联通推行的GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE网络、GSMTGLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONS网络、CDMACODEDIVISIONMULTIPLEACCESS网络已覆盖大量的区域，通过无线网络实现数据传输成为可能2930。GSM采用短信方方式，该方式适用于中低数据交换量的无线传输网络，但它的实时性不如GPRS和CDMA的无线抄表方式1125。GPRS、CDMA方式采用无线MODEM，通过中国移动的GPRS、中国联通的CDMA网络进行数据传输，并通过TCP/IP协议进行数据封包，可灵活地实现多种设备接入，工程安装简单，在工业现场数据传输的应用中，能很好的解决偏远无网络无电话线路地区的数据传输的难题。同传统的无线电台比较，具有简便性、灵活性、易操作性，同时还降低了成本1927。GPRS/CDMA用于燃气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，GPRS的网络数据传输速率最高可达171KBIT/S，CDMA理论带宽可达1712KBIT/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、少量的数据传输；5支持TCP/IP协议和X25协议，可与INTERNET互通；6GPRS/CDMA网络系统提供可靠的数据安全性。随着通信技术的发展，原有的自动抄表系统采用的通信方式诸如电话线、现场总线等己不能满足客户的需要，因此从实际的角度出发，以GPRS/CDMA方式作为数据传输系统网络支撑平台已成为构建远程抄表系统是较佳的选择。4卫星抄表卫星通信技术的迅猛发展使卫星通信的成本与价格不断下降，例如移动卫星手机轻便小巧，性能先进，便宜的只有数百元到数千元，很可能在未来10年内取代目前的蜂窝手机。卫星通信具有覆盖面广、不受地形地貌影响、误码率低、保密性好等优点。同地面无线抄表相比，卫星抄表相当于把抄表车搬到了天上，用同步卫星的数据转发器来取代抄表车，所以抄表的全过程无需出动任何人员和车辆，实现了彻底的自动化1931。使用卫星抄表可以实现远距离异地联网，可以抄读难以抄收的计量仪表数据信息，随着人类进入太空时代，使得利用卫星进行抄表将变得可行，此种方式在国内尚处于探讨阶段，在国外ITRON公司已经开发出此种抄表系统32。总的说来，无线抄表系统具有的共同优势如下1无需架设电缆，节省了人力物力，投资是相当节省的；2无线的方式可迅速建起通信链路，工程周期大大缩短；3相比有线系统有更好的扩展性；4出现故障时，只需维护无线数据模块，能快速找出原因，恢复系统正常运行。无线抄表系统较之有线抄表系统和电力载波方式，以其技术先进、易于实现、传输速率高、可靠性高和易于普及等优点，将成为抄表行业未来发展的必然趋势。14本文研究内容与章节安排本文主要工作是在南京某公司现有有线抄表系统的平台上，吸收国内外同类型产品的优点，利用当代微机技术、无线通讯技术与燃气表计量技术的结合，集计量、数据采集、处理于一体，开发出一套具有本公司特色，适应不同用户要求的无线抄表系统，使得燃气公司和安装公司减少安装维护费用，彻底杜绝有线系统的弊端，达到准确而便捷的收费，减少燃气部门与客户之间的纠纷，在提高管理部门的工作效率的同时提高燃气公司的服务水平。本文共有七章，各章组织结构安排如下第一章绪论。本章分析目前抄表行业面临的问题，对国内外自动抄表发展历程及发展现状进行了回顾，并分析了目前有线自动抄表技术、无线抄表技术和电力载波技术三种主流抄表方式的优缺点，得出了无线抄表技术将取代其它技术的结论。第二章无线抄表系统总体设计。本章给出了无线抄表系统设计总体要求，同时针对不同客户群体提出了两种无线抄表解决方案基于无线双向燃气表方案和基于无线采集器方案，并讨论了各个方案的功能模块选择和功能设计，为下文详细设计提供了设计路线。第三章无线抄表系统底层硬件平台构建。本章采用模块化设计理念，针对各个方案底层硬件进行了设计。第四章手持机软件设计。手持机的角色是作为管理中心和底层表具、无线采集器之间信息载体，因此手持机系统设计主要考虑到手持机数据管理和通讯管理功能，本章主要讨论和实现了以下三个方面与中心管理计算机通信、与无线模块通讯以及手持机自身数据管理。第五章中心管理信息系统设计。本章通过描述系统需求，定义了中心管理信息系统的功能模块，并采用UML对进行对系统的功能模块进行了详细描述，最后采用DELPHI70对系统进行实现。第六章系统运行测试。对系统的性能进行了测试。第七章总结与展望。2无线抄表系统总体设计衡量一个抄表系统的优劣，关键在于表具数据信息的正确采集和数据的可靠传输。所以，构建抄表系统首先要确定表具数据计量采集方法，其次根据传输数据量大小和传输距离选择合适的通讯方式和制定相应的通讯协议，从而制定出无线抄表系统的具体方案。21系统设计总体要求无线抄表系统设计的总体要求主要包括以下几个方面L产品成本PRODUCTCOST在项目方案提出之初，这是系统设计最明显最实际的要求，整个系统所要实现的最终目标就是用最少的钱实现最大的效益，就是在满足系统的性能要求的基础上实现成本的最低化33。2产品工作寿命PRODUCTLIFETIME选用无线作为传输方式其最大的优点就是不用布线，因此无线表具是通过电池供电，所以电池和无线发射模块的选用是至关重要的，无线模块应当选用低功耗的发射模块，同时电池的选择必须使无线模块工作至少5年以上。3覆盖范围COVERAGE对于本无线抄表系统，无线的覆盖范围大意味着无线模块的功率也就非常大，而覆盖范围小从抄表工的角度来讲，就会增加它的工作量。无线的覆盖范围不能太大也不能太小，选择合适的发射功率，对于覆盖范围内的表具数量进行优化，得到最优解决方案。4系统的可靠性RELIABILITY包括硬件的可靠性和软件的可靠性。软件的可靠性主要体现在手持机数据处理的可靠性，不会出现漏抄、抄错的现象。硬件的可靠性主要是表具数据采集的准确性，由于无线燃气表采用的是脉冲形式，每个脉冲信号代表一定的数值，由数据采集器进行实时在线累加存储。系统要对累计脉冲进行一定的换算之后，才能得到表的数值。因此，如果脉冲漏计或是燃气表本身有质量问题，都会导致数据不准确。必须保证采集数据的准确度，否则系统的其它性能再好，采集的数据却不能作为收费和监控的依据，整个系统也就不具备任何应用价值。22系统方案设计本系统拟采用单片机对燃气耗能信息进行数据采集，通过无线模块实现数据发送，采用手持式抄表无线终端对表具进行数据的采集和处理，方便抄表人员现场判断表具状态，返回燃气公司后将数据上传到中心管理信息系统，完成数据报表的打印和历史数据统计。221无线方式选择无线抄表系统，是指将无线传输作为抄表通信方式的抄表系统。目前，针对无线抄表系统的短距离无线通信技术大体上分为红外传输IRDA和无线射频传输RF（RADIOFREQUENCY两种。红外抄表系统采用红外技术通信，通过红外无线模块实现燃气表数据的传输，其优点是价格低廉，功耗低。但选择红外发作为抄表通信方式，也有其自身无法克服的缺点，诸如1放像性强，角度要求严格；2传输距离短，且受天气影响；3容易受各种热源、光源的干扰；4收发之间不能有遮挡物；5由于灰尘的存在，数据传输的可靠性会受影响。基于上述原因，本文选用射频技术为无线抄表系统抄读方式的首选。该项技术采用射频方式传输燃气表度数，不论在户外室内均可正确、快速及时进行无线下文所说的无线专指的无线射频传输抄表，不受外界天气，环境的干扰，避开了红外传输的缺点。同时无线通信频率的选择应当遵循尽量选用无线公用频段，不用申请专用频率。如选用ISM工业，科学，医疗公用频段，这样就不需要像GSM，大功率电台等使用专门分配的频段。222系统结构设计在本系统设想之初，根据住宅和表具的密集程度，比如高层居民楼表具相对集中，而别墅区和农村的表具则相对分散，因此考虑到适应不同客户以及各个小区的管理结构，采用了两种不同的开发方案1基于无线双向燃气表具方案基于无线双向燃气表具方案的抄表系统结构示意图如图2221所示。双向燃气表1双向燃气表2双向燃气表N图2221基于无线双向燃气表具方案系统结构该系统由以下三个部分组成1中心管理PC机；（2）手持机；3无线双向燃气表具。该方案中包括无线双向燃气表、手持机和中心管理计算机。其中无线双向燃气表由燃气表的计量模块和无线传输模块集成，在使用上可以完全替代原有传统燃气表，并直接实现计量数据的无线传输，之所以称之为双向燃气表是因为此种表具在功能上不仅能够发送表具的读数也能够收取手持机发来的数据包，具有双向通信的功能。手持机能实现无线直接抄表功能，可以完成燃气表数据的通讯、存储、上传。基于无线双向燃气表具的无线抄表系统工作原理如下在正常计量状态，无线多功能燃气表完成传统燃气表的所有工作；抄表时，手持机根据抄表通信协议，通过无线传输模块，对燃气表进行无线查询。燃气表接收到正确的查询数据后，将所需传输的燃气表数据由无线通讯模块发送至手持机。手持机接收并存储各单表发送来的表数据和表运行状态数据，并对数据和状态数据进行分类存储并掉电保存。手持机通过RS232将燃气表数据上传给计算机管理系统进行统计和数据分析，并生成各类数据报表。该方案主要面向小高层公寓楼、别墅区和农村的抄表解决方案，改方案的优点是安装调试方便、费用少。2基于采集器的抄表方案高层建筑时如果采用如上方案时，那么抄表工就需要一层一层向上抄表，体现不了无线抄表系统的方便性和快捷性。对于这种情况，解决方案采用了采集器单向表具方案，单向表具每隔一段固定时间将累积数据传输到采集器中，每次抄表时手持机通过与采集器通讯得到该采集器所管理的表具的数据，该方案适用于高层公寓楼的抄表方案解决，该方案的具体结构如图2222如下单向燃气表1单向燃气表2单向嫩气表N图2222基于采集器的抄表方案系统结构该方案有四个部分组成1无线单向燃气表具；2无线采集器；3手持机；4中心管理计算机。其工作原理如下在正常计量状态，无线单向燃气表完成传统燃气表的所有工作；单向表具每隔固定时间向采集器发送数据，采集器将表具信息存储在它的存储单元中，该方案中的表具只负责单向发送不接收数据信号；抄表时，手持机根据抄表通信协议，通过无线传输模块对无线采集器进行无线查询。采集器接收到正确的查询数据后，将所需传输的燃气表数据由无线通讯模块发送至手持机。手持机接收并存储各单表发送来的表数据和表运行状态数据，并对数据和状态数据进行分类存储并掉电保存。手持机通过RS232将燃气表数据上传给计算机管理系统进行统计和数据分析，并生成各类数据报表。在该方案中一个采集器理论上可以管理512个单向表具，该方案的特点是抄表集中，管理的表具更多、传输的距离远、抄表效率高，适合用户集中的区域，诸如高层公寓楼和城市老城区居民抄表。223计量表具计量方式的选择与设计从目前的自动抄表技术来看，自动抄表系统的关键技术是远传表具的电子化读数的准确性和可靠性还有就是传输网络的低功耗设计。其中表具数据采集装置的设计是保证远传表具的电子化读数的准确性和可靠性关键的技术。目前使用的自动抄表的家用表具主要有两种类型。1基于传统工作原理的表具脉冲表具这类数字式水表、电表、气表、热量表在传统表具的基础上增加了脉冲传感器，将原来的计量数据转换成脉冲信号输出，系统对采集到的脉冲进行累加和转换，转换出用户的用水量、用电量、用气量。由于脉冲表的通用性更好，只输出简单的脉冲，不限外接电压值，和所有抄表厂家的采集终端都能接口。另外，就脉冲表具的制造成本来讲，由于脉冲表输出简单，所需元件少，因此脉冲表在成本方面有比较大的优势。现有抄表系统中，大约90以上的是脉冲表具434。脉冲表具产生脉冲的传感器可分为霍尔元件型、干簧管型和光电转换型，其基本原理如下24351霍尔元件型在普通转盘计数的水表或燃气表中加装霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器。霍尔元件固定安装在计数转盘附近，永磁体安装在计数盘位上，转盘每转一周，永磁铁经过霍尔元件一次，即由霍尔元件输出一个计数脉冲。2干簧管型在普通转盘计数的水表或燃气表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一周，永磁铁经过干簧管时，干簧管的簧片开闭一次，由此输出一个计量脉冲。3光电转换型在电表的转盘处装一个光电转换器，转盘上有一条槽或一条黑线，转盘每转一圈，沟槽经过光电转换器完成一次光电转换，输出一个计数脉冲。但是此种方式主要存在两个缺点1在脉冲计数时，由于表盘的抖动和传输过程中的电磁干扰等因素，容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计窗口值不一样，系统需要不断修正，容易引起管理部门与用户的纠纷6。2由于脉冲计数的累加性特点，需要加装电子存储元件记忆脉冲数，而存储元件内数据容易受干扰，影响数据精度24。当然脉冲式表具还处于新生事物的成长阶段，相信随着不断地摸索改进，在新一轮的脉冲表具一定会在产品工艺、产品标准化、系列化方面迈上一个新的台阶。2新型专用表具无源直读式表具针对有源脉冲表存在的以上缺陷，提出了一种新型的无源抄表系统，突破了上述技术瓶颈，使得无源自动抄表系统在工作可靠、抄送准确、免维护等三大核心技术问题上取得了重大突破。“无源”的含义是，平时不向水表和通信网络供电，需要抄表时才供电；”自动”的含义是在通信网络的基础上，可以由掌上电脑PDAPERSONALDIGITALASSISTANT个人数字助理自动抄表，或者通过MODEM或者GPRS实现远程自动抄表。在无电的情况下也能够把机械读数转化为电子读数，其办法就是把字轮机械读数直接转化为电子读数，诸如直接摄取字轮的图像并识别，或者对字轮进行编码并识别。这种方法不仅不受机械震动影响，同时对电磁干扰也具有极高的抗干扰性，所以在复杂的使用环境下能稳定、准确、可靠地实现计量42435。本文在选择表具设计方案时，需要考虑的因素有很多诸如稳定性、精确性和抗干扰能力等，在本文中主要考虑到与原有有线抄表系统的兼容性，并且着眼于缩短开发周期、开发风险和整体开发成本，本系统采用了基于传统工作原理的计量表具脉冲表具。采用光电传感器作为脉冲信号源，较之传统的霍尔元件型和干簧管型具有更好的抗干扰性和精确性，因为它对磁干扰不敏感，并且要处理的边界点减少了很多。此外考虑到系统的耗能的问题，表具设计时采用了主动信号扫描技术，就是每个一段时间，光电传感器主动扫描表盘的位置，该种较之原有的被动信号采集具有耗能少，延长传感器工作寿命的好处。224无线通讯模块的选择本系统另外一个重要的问题就是通讯问题，在选择通讯模块时考虑的指标有工作频率、接收灵敏度、发射功率和传输距离等。在本文中由于通信距离要求不少于200米，安装环境为城市居民小区，同时还需要保证通信的质量，还要考虑运作成本，因此选用小功率无线发射通信模块。目前短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、受地理限制少、安装施工方便灵活等特点，在许多领域有着广阔的应用前景。针对不断发展的无线通信市场，各大厂商都推出自己的无线通信解决方案，也出现了许多无线通信协议，如蓝牙技术、ZIGBEE等。表2241SRWF501无线模块技术参数36本文采用上海桑锐公司的SRWF501无线通信模块作为无线传输接口，该模块提供标准RS232，RS485和UART（TTL电平三种接口方式，可与计算机、RS485设备、单片机和其它UART器件直接连接使用，同时采用通用工作频段，具有低发射功率、高敏接收和传输距离远等优点，较之蓝牙、ZIGBEE等技术具有成本低、功耗低、协议简单的特点，十分适合于短距离无线抄表应用。SRWF501无线模块具体技术指标如表2241所示。225手持机选择手持机又称抄表器、手持式抄表机、掌上电脑、手持终端、数据采集器等是用于移动数据采集的掌上型设备。国外有关抄表机的报导首先见之于美国1985年电世界ELECTRICWORLD杂志美国宾夕法尼亚电力公司在1983年试制成功一种手持数据终端用以装备抄表人员，从1984年起就废弃了约2700KG重的抄表簿册和卡片；该公司虽为此投资13亿美元，但因节约大量人力和物力，在两年内即收回全部投资并有盈余。1985年美国输电与配电（TRANSMISSIONDISTRIBUTIONWORLD杂志5月号中也报导美国北印第安纳供电公司NIPSCO部分采用手持微计算机HANDHELDMICROCOMPUTER于现场抄表，手持微机中可存放1000只电表数据包括地址、表号和位置以及注意事项等数据。手持微机通过电话线和主计算机以9600BIT/S通信，当时传送6000个读表数据需约30MIN。手持机在发展初期主要由美国生产，主要厂家为MSI,RADIX和ITRON三家公司1737。国内自1986年开始自行研制手持机，经过十几年的发展，国产高性能的手持机已形成大批量的生产，成为一个新兴产业。中科院计算所是最早从事这方面的技术研发工作的单位，并围绕此项目专门成立集研发、生产、销售于一体的振中公司，并于1987年推出ZZ型号产品，开始了我国手持机应用的潮流。随着手持机在国内的普及，很多厂家也开始进入这个新兴的产业，由此推动了手持机产品向着产业化方向的大步伐迈进。在众多的厂家中，发展到今天基本上形成了南北两大成熟产品制造厂商北京振中和广州智敏37。从手持机的功能需求方面来说，手持机的基本性能有手持机必须适合于任何作业场合，能独立完成对表具数据的读取，并能存储相应信息，有输入输出功能如支持输入和显示等。同时，手持机能通过通信接口与PC机进行数据交换。具体到本文的无线抄表系统中，手持机主要具备以下功能1安装新燃气表时，设置新表的表常数、表底数等。每次抄表校准燃气表时钟；2抄表员每次抄表前将抄表户的详细数据从电脑下传到抄表机中，然后到抄表现场，用手持机简便的查找方式查到该抄表户资料；3直接通过无线数传模块抄收燃气表度数并存储在手持机中；4将燃气表数据上传给计算机管理系统，供管理部门计费使用。根据上述功能需求描述及结合现有的手持机结构列出手持机硬件的框图，如图2251所示，手持机硬件主要包括以下几个部分233839。图2251手持机硬件结构1CPU中央管理模块CPU中央管理模块是手持机的大脑中枢，它负责指挥和协调各外围功能模块的工作。通过翻译输入指令，确定对信息进行处理，并将显示相应信息，同时将关键信息存储到存储区，CPU数据处理速度是手持机的一项很重要的技术指标，CPU性能的好坏直接影响手持机的性能。2电源管理模块电源管理模块是手持机的心脏，电源的好坏直接影响手持机的品质。手持机工作在单机流动场合，电源的待机时间和连续工作时间是一个重要指标，电池容量要求较高。3通信模块所谓通信模块就是手持机与其它终端的通信接口模块。一般使用有以下几种标准的RS232C通信接口，RS485通信接口，USB接口，GPRS接口，无线射频接口，红外通信、蓝牙通信，ZIGBEE等。4输入模块传统的输入方式为键盘输入，根据预先定义的功能设置手机上的键盘按键数量，每个按键有特定的功能，这很难适应多场合应用。随着市场对个性化输入需求、和输入的便利性要求越来越迫切，手写输入、语音输入等成为新的关注点。5LCD显示模块显示部分是手持机与用户交流的窗口。一般使用液晶LCD显示器。目前市场上使用的主要为黑白小显示屏。随着信息量的不断增大，显示一条信息需要多次翻页，很是不便。许多机具商已开始关注到这一问题，开始往大屏幕方向发展。6存储模块存储模块的存储器主要存储程序代码、字库和其它操作数据等信息。要求有掉电数据保护、长期有效保存数据的性能。在本文的无线抄表系统中，选择手持机时结合上述手持机的构成，考虑的主要因素有1存储容量随着“一户一表”改造工程的全面展开，用户量正在大幅度增加，因此对于手持机存储容量的要求就越来越高，因此手持机容量应大于8M。2CPU处理速度数据处理速度是手持机的一项很重要的技术指标。3显示及输入方式目前市场上的手持机基本上分为按键式输入和触摸屏输入两种，大部分采用液晶显示方式，相比较而言触摸屏式手持机显示区域更大、精度更高，同时支持汉字输入，但相对价格较高。4数据交换传输方式手持机如何跟PC进行通讯和传输在抄表工作中也十分重要，目前国内的产品多采用RS232高速串口和红外端口传输。国外一些先进的产品已经使用无线远程通讯，但是普遍价格较高，稳定性也不够。5节电性能手持机一般都使用干电池，分为可充电和不可充电的，选择手持机应注意其是否有节电设计。6可扩展性选择手持机时必须注意其是否具有很好的可扩展性，能否灵活地满足不同时期不同地区抄表的各种业务需要。7价格目前国内抄表机产品的报价一般在25003500元之间，国外同类产品价格则要偏高3050。在选购抄表机时要兼顾价格的高低、产品的性能质量以及各地区的经济承受能力，从而全面综合评价后选择性能价格比最佳的产品。结合上述各方面因素，本文手持机选用的是深圳慧毅能达的EH0318无线手持机，该机具备如下特点40使用摩托罗拉“龙珠”CPU，它具有1至8M的闪存和8M的DRAM；标准输入设备是键盘20键和拨轮；标准输出设备是一个12864的点阵LCD显示屏，外加一个图标显示行；它的串行通讯端口的默认配置是一个RS232串行端口和一个IR端口，可以选装MODEM模块作为另一个串行通讯设备；有两个可用的卡片插槽根据卡的类型选择；它的无线通信模块采用的是桑锐SRWF501型微功率无线模块，主要是考虑到与无线数据采集终端的硬件兼容。总的说来，选择EH0318无线手持机是综合考虑上述各种因素的结果。226中心管理信息系统设计中心管理信息系统主要的作用是进行数据的统计、任务下载、数据上传和数据的管理，由数据库、终端PC组成。中心管理信息系统有一台PC机，打印机，并配有COM口联接；PC机安装有数据采集及计费软件，用户通过软件可以对燃气表进行数据处理，实现对各小区水表、燃气表的收费和票据打印等功能。中心管理计算机的作用主要首先是向手持机的任务下载，再把手持机抄得的数据传输到计算机上，进行数据处理，因此在选择数据库时，考虑到跟现有抄表软件结合，采用的是ACCESS数据库。本文第五章将对中心管理信息系统的设计进行详细介绍。23本章小结本章从四个方面对自动抄表系统设计提出了设计要求，即成本、工作寿命、覆盖范围和系统的可靠性，并在此基础上对整个系统进行了详细的方案设计，包括无线方式的选择、系统结构设计、无线模块的选择、表具计量方式的确定、手持机的选择和中心管理信息系统结构功能设计。3无线抄表系统底层硬件平台设计底层硬件的设计主要包括基于双向燃气表方案底层硬件设计和基于采集器方案的硬件设计。31基于无线双向燃气表方案的底层硬件设计基于双向燃气表方案的抄表系统硬件设计主要是双向燃气表硬件设计，本系统的双向燃气表是在传统机械燃气表的基础上进行改装而成，配备了相应的光电传感器，它的设计关系到整个系统的精度，其基本构成如图311所示。图311无线双向燃气表功能描述简图1CPU单元本系统中CPU单元采用MICROCHIP的PIC16F913芯片，其主要性能特征如下41精简指令，只有35条指令；7KB的程序存储器，256BYTEEEPROM；高耐用性闪存/EEPROM单元闪存可经受10万次写操作，EEPROM可经受100万次写操作，闪存/数据EEPROM保存时间40年；带片上振荡器并且可软件使能的增强型低电流看门狗定时器WATCHDOGTIMER,WDT；TIMERO带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器；增强型TIMER1一带有预分频器的16位定时器/计数器；一外部门控信号输入模式；一如果选择了INTOSCIO或LP模式，可选择使用OSCL和OSC2作为TIMERL的振荡器；TIMER2带8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器；可寻址通用同步/异步收发器；具有I2CTM工作模式的同步串行端口；低功耗特性1待机电流楼幢号一单元一采集单元一表地址的工作流程来进行抄表，此时手持机上的数据结构与采用采集器的数据结构的区别仅仅在于采集器信息表的差别，具体如下采集单元表TYPEDEFSTRUCTUNSIGNEDCHARPNUM6；/楼层所属单元UNSIGNEDCHARNUM8；/楼层编号UNSIGNEDCHARNAME16；/楼层名称GATHER；与采集器抄表方式相比只是少了一个采集器的地址子项。48其它功能模块设计1系统设置功能模块设计系统功能模块主要实现手持机的时间、密码、对比度调节、按键声音设计、自动背光和自动关机等设置。体现在手持机程序里，主要通过如下函数实现MODIFY_DATE；/日期设置函数MODIFY_TIME；/时间设置I数LCDREG