[信息与通信]基于GPRS的远程智能抄表系统

1、摘 要 电能是现今社会最为广泛使用的一种能源，影响着国民经济增长和人民生活水平的提高。随着我国经济的高速发展，电力行业也得到了迅猛发展。在行业高速发展的同时，也对配网调度和供用电管理自动化提出了新的要求。然而，在当前国内电能计量管理中，尤其对于数量巨大的一户一表客户的管理，自动化水平仍然较低。传统的人工抄表方式工作效率低、误差大，更不能对电网故障进行紧急响应。因此，提高供电质量和可靠性，实施高效准确的电能表数据抄收方式已是当务之急。随着通信信息技术的发展，以及前人致力于电网管理自动化所做出的不懈努力，为改变上述情况提供了强大的技术支持。所以我设计了一种利用gprs技术进行无线通信的嵌入式系统来

2、完成智能抄表系统。本文首先介绍了远程抄表系统的相关发展背景，现有产品和技术的特点；在考虑性能和稳定性的前提下根据本设计的要求选择了philips公司的lpc2138作为主控芯片、siemens公司的mc55作为gprs通信模块；接下来对基于gprs通信方式的抄表系统的整体设计思路进行了讨论，分析了目前比较常见的几种远程抄表方式；然后在对现有不同方案比较之下，分析了本文所述系统的整体实施方案，并着重阐述了系统软件设计思路和实现；最后对本系统发展前景进行了展望。 关键词：远程抄表，gprs，mc55，嵌入式系统abstractelectricity is wildly used by societ

3、y,and it influences all fields of the social economy and the life of people.electric power industry has been developing rapidly with the fast development of economy.but the current level of the automatic management in electric network is low,especially in numerous users system.the traditional manpow

4、er reading mode,which can not response to emergence immediately,is inefficient and has many errors.so it is urgent to improve the quality and security of power supply,and to realize the high effect and exact reading system.the new request is realization of automatic attempering and management in the

5、 electric network.in order to resolve the problems,it is necessary to resort to the embedded system based on gprs communication technology.the frame of this thesis is arranged as follows:firstly it introduces the definition of administration of electric power management and relative background of de

6、velopment,and the characteristics of current technology and products. in considering the performance and stability under the premise of the design requirements，we choose the philips companys lpc2138 as the master chip and the siemens companys mc55 as gprs communication module.secondly introduces the

7、 whole design of the electric power management system based on gprs and embedded technology.thirdly analyzes the functions of the system,and introduces the software realization of every part such as client computer,service computer,and reading terminal.finally summarizes the system based on gprs in

8、the thesis,and describes the trend of the system. key words: remote meter reading, gprs, mc55,embedded systemii目 录摘 要iabstractii第1章 概 述11.1论文研究的背景11.2国内外远程抄表系统的发展概况11.2.1国外自动抄表技术的发展21.2.2国内自动抄表技术的发展21.3本论文研究内容及章节安排3第2章 基于gprs的远程抄表系统总体设计42.1设计方案论述与选择42.1.1方案论述42.1.2方案选择52.2 gprs通讯技术介绍62.2.1 gprs的网络结构

9、62.2.2 gprs技术优势72.3无线抄表系统的总体设计方案82.3.1系统框图及工作原理82.3.2 gprs通讯的传输层协议选择92.3.3 gprs通讯模式选择122.3.4系统设计要求152.4本章小结15第3章 系统的硬件设计173.1终端系统结构173.2 arm控制单元及相关外围电路183.2.1 arm控制单元183.2.2电源监控及复位电路193.2.3 jtag接口电路193.2.4时钟电路203.3人机接口电路213.4电源电路设计213.5 rs-485电路223.6 gprs通信模块243.6.1 gprs模块选型243.6.2 gprs模块主要性能简介253.6

10、.3 sim卡接口电路253.7本章小结26第4章 系统的软件设计274.1终端软件的设计思路274.2上电初始化模块304.3 rs-485通信模块314.4 gprs通信模块324.4.1 at命令简介324.4.2 at指令控制流程324.4.3 gprs通信流程344.5本章小结34第5章 总结与展望355.1本文总结355.2研究展望355.3本章小结36参 考 文 献37致 谢39 华北电力大学本科毕业设计（论文）第1章 概 述1.1论文研究的背景电力作为当前最主要的工业能源，在现代工业企业和家庭居民生活中具有举足轻重的作用。长期以来，对供电部门和用户来说，人工抄表收费一直是一大难

11、题。早期的抄表方法都是抄表员现场手动抄表，这种传统的手动抄表方式不仅人力成本高、劳动强度大、采集的用电信息数据单一，还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题。所抄的数据要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化管理系统的先进性。基于以上所述的手工抄表的弊端，发展电能计量远程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趋势，即采用通信和计算机网络等技术来自动读取和处理表计数据，克服传统人工抄表模式的低效率和不确定性，推进电能管理现代化的发展进程。随着gprs无线通信技术、计算机技术的发展，使得建立一个廉价、可靠、时效性强的无线监测通信网络成为

12、现实。gprs(general packet radio service)是在gsm系统的基础上建立的移动网络系统。它所依托的网络稳定可靠、覆盖面广。作为现有gsm网络向3g演变的过渡技术(2.5g)gprs在许多方面具有显著的优势：（1）从技术角度上讲，数据传输率高，理论值可达171.2bit/s，能满足电力通信网对通信速度的要求；接入速度快，可快速建立连接，提供实时在线功能，用户始终处于连线和在线状态，满足电力系统通信实时性的要求；系统扩容方便，无需铺设线路，浪费线材与人力，易维护。（2）从经济角度上讲，可充分利用现有的资源，方便、快速、低建设成本地为用户数据终端部署远程接入网络；通信费用

13、低廉，gprs通常按照流量计费。从上述分析来看，gprs无线通信为覆盖面广、地理位置分散的电力系统设备运行状况的监测提供了经济可靠的通信手段。本课题就是基于以上背景，对gprs在电力监测中的应用进行了研究并设计了一种无线抄表终端。1.2 国内外远程抄表系统的发展概况自动抄表技术自八十年代诞生于美国后，在世界各地得到迅猛发展，最先在供水企业中应用，后扩展到电、气等各个领域。直到九十年代，自动抄表技术才被引进到中国。1.2.1 国外自动抄表技术的发展在自动抄表系统中，一个重要的抉择，就是通信方式的选择。上世纪70年代至80年代，一些发达国家相继开始对远距离电能表数据的采集和传送进行了探索性研究。此

14、阶段，自动抄表系统主要采用有线通信，如用电力线载波、波导管、电缆、光缆等作为传输媒质。1982年英国的thornemi系统利用公用电话网实现了自动抄表；1985年日本九州电力公司试用电力输配电线载波，地线载波及光缆通信于远方读表和监测表计误差的系统；澳大利亚借助邮电线路进行远程电能表数据抄记系统；美国波士顿边生公司以及费城电力公司的配电线载波远程读表系统等。这些系统曾先后投入试运行，但由于投资较大，均仅用于用电大户、联网结算或部分住宅区的集中电能表数据的读取。1988年美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机，用户消耗的电能数据被一次性经键盘存入微机，完成统计与处理。1990年以后，

15、amr得到较快的发展。1992年埃及开罗配电公司开发出双模式住宅电能监视抄表系统，用于自动记录、获取和处理电能消耗数据的完整系统。为了满足美国加州电力市场150方案的要求，美国最大的电能计量计费系统tmr于1998年投入运行。2000年度，美国有2840万自动抄表设备单元应用，其中1300万用在电力，1080万用在煤气，460万用在供水。在19992000年度供水方面有55%的高速增长，电力有20%的增长，煤气有13%的增长。随着无线网络技术的不断发展，基于无线网络技术的应用逐渐成为当前无线通信的主流，无线网络技术自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制，使无线网络通讯技术迅速成为国内外远

16、程数据采集系统中解决监控点地域广、设备布局分散等问题的主流技术。目前，远程抄表监控系统主要基于微处理器，通过gprs、cdma等无线通信网络，向能源管理系统传送采集的数据。1.2.2 国内自动抄表技术的发展国外抄表系统的发展进程影响着国内抄表系统的发展方向，上世纪80年代末90年代初，中国开始了自动化抄表系统的试点工作。全国各供电企业基本建立了无线电电力负荷控制系统，虽然其主要建设目的是控制负荷，但也逐渐用于大用户的电能表抄表。1989年全国第一套跨省网的电量计费系统在华北电网投入运行，北京供电局的电话抄表系统在90年代开始投入运行。1994年以色列居民集抄系统进入中国，全国各地供电企业大多都

17、开展了低压电力载波技术试点。90年代中期，国内己有研制成功一批自动抄表系统的报道，如常州的“yh5551型集中自动抄表系统”，太原的“煤气表读数遥测系统”，中科院合肥智能所的“煤气表户外自动抄表装置”和上海市公用事业研究所的“水、煤气表合抄集中自动抄表系统”。2000年经全国电工仪器仪表标准化技术委员会秘书处召集生产、用户以及计量检测等20个成员单位组成自动抄表系统国家标准起草工作组，通过标准的制定有效地规范了市场和引导技术的发展。2004年现场用电管理终端作为负控和抄表需求的融合产品产生，并陆续在浙江电网和广东电网大量推广使用。2005年国家电网公司颁布关于加强电力营销现代化的建设意见的40

18、6号文后，中国迎来了amr发展的黄金时期。从2005年到2007年各电力公司基本实现了发电侧、供电侧及终端侧3巧kva及以上大用户的电能自动抄表，全国估计有几十万个amr采集终端投入应用，成为目前世界发展最快的amr市场。2007年部分省市电力公司又重新启动居民用户集中抄表系统工程，中国将至少具有十年的amr发展黄金时期。随着智能化小区的建设的推广，三表自动抄表系统在我国已逐渐普及，但由于种种因素，绝大多数自动抄表系统却都未能正常运行，投了自动抄表系统的钱却仍用人工抄表的现象仍较为普遍。如果这种情况不能得到有效解决，自动抄表行业必将受到严重影响，其负面影响将波及到房地产行业、自来水等专业公司、

19、智能化产业以及广大居民的日常生活1.3本论文研究内容及章节安排本文提出了一种基于gprs的无线抄表终端系统的实现方案，在以gprs为通信手段的基础上，对无线抄表终端进行了完整的设计与实现，本文的主要工作在于对gprs通信模块软硬件上予以了实现，我们选用philips公司的 lpc2138微处理器和siemens公司的mc55通信模块作为目标硬件，使用at指令，完成与监控中心的通信。本文行文安排如下：第一章：调研了电力监测系统通信的发展现状，分析了电力远程监测系统中几种传统的通讯方式，并指出这些通讯方式的优点和不足之处，并对gprs应用于电力系统通信进行了可行性分析，明确了课题的研究意义和实用价

20、值。第二章：介绍了gprs无线通讯技术的基本原理、网络结构、通信协议及基于gprs的数据传输；并将它与几种无线的通讯方式进行了详细的比较，从而证明了它在远程测控领域中有着独特的优势。第三章：根据电力远程监测系统的功能需求，设计了无线抄表终端硬件系统，详细介绍了各主要功能模块的设计。对终端单元用到的主要器件作了介绍，详细地分析了其中的各硬件电路，并对硬件电路设计中涉及到电磁兼容性问题和抗干扰性措施进行了分析和讨论。第四章：针对终端的功能需求和主控制器的资源，终端软件系统采用了多任务调度机制；对各功能模块的软件实现进行了论述，详细论述了gprs无线数据传输的软件设计思路。第五章:总结了本课题所做的

21、工作和成果，并对下一步工作的重点和方向做出了展望。第2章 基于gprs的远程抄表系统总体设计本章通过对远程智能抄表系统的性能要求进行分析，在综合当前多种通信模式的优缺点的前提下，采用了gprs通讯方式，随后详细介绍了gprs的原理及构成，最终在经过方案的论证与选择之后，确定了远程抄表系统的总体设计，并给出了系统整体的框图。2.1设计方案论述与选择2.1.1方案论述通信是自动抄表技术中的关键，也占据了投资的大部分。因此，方案的选择主要是通信方式的选择。数据通信的设计要综合考虑地理环境、用户用能行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。在国外己有许多发展成熟的自动抄表系统，他们采用的信息传输方式有

22、:电视电缆、电力线载波、无线电波和公用电话网等。自动抄表系统呈现多元化发展，有着多种实现方案，目前比较流行的方案有:(1)电力线载波抄表以电力线作为传输信道，将数据信号调制为高频信号叠加在电力线上进行通信。此方式无需另外布线、易施工、成本低、与电网建设同步。目前国内10kv以上电压等级的高压电力线载波技术已较成熟，但低压电力线载波还未能达到令人满意的水平，制约了电力线载波抄表在我国的应用。原因在于电力载波信号存在着脉冲干扰，传输距离越远，信号衰减越大。低压电器电磁兼容性的控制尚不十分严格，低压电力线上存在的电磁污染严重，干扰大，影响载波通信的质量；另外，用户负载千变万化造成网络传输特性复杂多变

23、，难以用准确的数学模型加以表征。因此，抗干扰是低压电力线载波技术必须克服的问题。(2)总线抄表总线通信是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式，其数据传输速度较快，可靠、稳定，通信质量高。目前使用的总线通信方式有rs-232、rs-485、lonworks等。但这种方式布线工作量大，通信信道易遭外界因素破坏，信道后续维护工作量大。(3)红外抄表抄表员将录有用户信息的红外手持抄表器拿到居民区数据集中器附近，通过红外通讯方式集中采集各耗能表的数据，然后返回主站将数据传输到计算机中。这种方式在红外可视距离内能非接触的读取仪表数据，操作简单方便，实现较可靠，且成本较低，被众多的软件和硬件平台所支持

24、。其缺点是速率较低，易受外界环境的影响。(4)gsm短信息抄表gsm短信息抄表系统在用户端安装集控器和无线发射终端，将用户的耗能数据通过gsm网以短信息(sms)的形式上传到gsm网的sms中心，sms中心将接收到的数据通过专线传递给能源管理部门。gsm短信息抄表不占用话音通信的信道，费用低。gsm网的覆盖面几乎遍及全国，故不需要建新基站，抄表不受距离和空间的限制。但每条短信息通信容量有限，系统实时性及可靠性较差，可能发生信息拥塞和丢失现象，不适合在业务量大的系统中应用。(5)gprs抄表gprs抄表系统通过gprs网连接到internet网与主站计算机进行通信。用户的耗能数据经过gprs发射

25、模块处理、协议封装后发送出去，由gprs接收模块接收经internet网络传送至主站，实现用户耗能数据和主站的实时在线连接。gprs以gsm网络为基础，采用分组交换的高效率传输方式，克服了gsm电路变换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的gsm网络资源。它的传输速率高，接入时间短，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本，特别适合突发性小流量数据传输。2.1.2方案选择结合国内外抄表系统的发展，在自动抄表技术应用到的所有通信模式中，各种方案都存在着不同程度的缺陷，尤其是我国目前的低压电力网络问题很多，因此任何一种采用单一技术的通信方案都很难完全满足客户的多重要求。即使在很大程

26、度上达到了要求，但须付出的代价也难以承受。为解决这类矛盾，本文提出了复合通信方案。所谓复合通信方案，就是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式。根据抄表系统的结构及传输距离，系统的通信分为底层通信和上层通信。对于数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段(耗能表到采集器，采集器到集中器)可以使用有线通信，以保证数据传输速度和质量；对于传输距离较远的上层通信(集中器到主站)，则可采用无线通信，减少施工量，节约成本。选择什么样的方式相互配合，需根据实际情况统筹考虑，混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰。在方案论证的前提下，出于对数据传输可靠性的考虑，用户耗能表与采集器

27、，以及采集器与集中器之间传输距离短，系统采用rs-485总线作为通信信道，以实现专线专用。其通信成功率几乎为100%，可以实现实时抄收，实时监控，配套设备成本最低。既保证了通信质量，成本又不是很高，其通信协议可根据需要灵活制定。集中器与主站之间由于传输距离较远，环境复杂，采用专线通信成本太大，工程复杂，信道易遭破坏，因此系统选择gprs无线网络通信。其优点是无需另外布线，抗干扰性好，抄表范围广，系统传输容量大，数据传送速率高，建设成本及通信费用低等。2.2 gprs通讯技术介绍gprs(general packet radio service)是通用分组无线业务的简称，构建在gsm网络基础之上

28、，对原有的gsm网络子系统和无线系统的设备及功能进行了升级和增强，被称为2.5g系统。gprs采用了与gsm同样的无线调制标准、同样的带宽、同样的跳频规则和同样的tdma帧结构，因此现有的gsm网络可以很容易地提供gprs业务。它支持tcp/ip协议，是一个分组型数据网，无需经过pstn等网络的转接，就可直接将数据以数据包的形式与internet互传。因此gprs业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。2.2.1 gprs的网络结构如图2-1所示，gprs网络是对gsm的平滑升级，通过在gsm系统的无线侧新增pcu（packet control unit)

29、作为分组接入和控制单元，在网络侧新增sgsn(serving gprs support node)和ggsn(gateway gprs support node)实施用户管理和分组支撑，将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实现系统资源的有效利用，拓展系统功能。gprs服务支持节点sgsn(serving gprs support node)的主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到ggsn的传输通道，接收从bss传送来的移动终端分组数据，通过gprs骨干网传送给ggsn或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。sgsn还可以集成计费网关、边缘网关(负责实现gprs网络之间的

30、互连)和防火墙的功能。图2-1gprs的网络结构示意图gprs网关支持节点ggsn(gateway gprs support node)是连接gprs网络与外部数据网络的节点。对于外部数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储己经激活的gfrs用户的路由信息。ggsn接收移动终端发送来的数据，转发至相应的外部网络，或接收来自外部数据网络的数据，通过隧道(tunnel技术，传送给相应的sgsn。另外ggsn还可具有地址分配、计费、防火墙功能。sgsn和ggsn两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以由不同的物理节点来实现。每个ggsn和sgsn都至少拥有一个网内固定ip地址

31、，它们都应有ip路由功能，并能与ip路由器互连。gprs骨干网络是ip的网络，提供gprs内部和gprs之间的通信。对外部数据网络来说，gprs系统中的ggsn就是一个路由器，实现gprs骨干网和外部数据网络(x.25网、帧中继网或atm网)之间的路由寻址功能。因为采用相同的协议，gprs可以看作是internet的子网，能够使用gprs的移动终端可以视为移动主机。每一个gprs终端都有一个自己的ip地址，并可以依据此寻址。pcu(分组控制单元)与bsc(base station controller)协同作用，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射，数据包的拆封和确认，无线数据信

32、道的分配等。pcu可作为模块单元插入bsc，或者作为独立于bsc的单元存在。2.2.2 gprs技术优势gprs通讯技术具有如下优点：(l)价格合理，资源利用率高。gprs引入了分组交换的传输模式，使得用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。gprs通讯采取按流量计费的方式，体现了“得到多少、支付多少”的原则。(2)传输速率高。gprs的数据传输速度理论最高可达到115kbps-170kbps，是常用有线modem理想速率的两倍，是当前gsm网络中电路数据交换业务速度的十几倍。(3)接入时间短。分组交换接入时间少于1秒，能提供

33、快速及时的连接，可大幅度提高一些事务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并可使己有的internet应用(如e-mail、网页浏览等)操作更加便捷、流畅。(4)基于ip协议，可提供强大的internet接入能力。(5)永远在线，可靠性高，抗干扰能力强。下面我们以列表的形式从实际应用中将gprs通讯技术与其他的无线的通讯技术进行一下比较，如表2-1所示。表2-1gprs与无线数据通讯的比较 传输方式比较内容gprs短消息无线数传电台覆盖范围全国全国不大于20km建设费用一般低高施工难度较低低高计费方式流量，无月租0.1元/条占频费运行费用较低较高一般通信速率20kbps-1.2kbps可靠性较高

34、一般一般传输时延短不确定短维护成本低低高通过以上客观分析可以看出，无论从建设周期、建设费用和运行费用，还是系统的可靠性、稳定性和技术的先进性等用户比较关心的角度而言，gprs技术在远程的分散数据采集应用领域具有很大的优越性。因此，在分布范围较广，数据采集点多，实时性要求较高的场合，gprs通讯技术比较合适，同时它也符合远程测控领域的发展趋势，那就是测控网络和信息网络的融合。2.3无线抄表系统的总体设计方案经过方案论证与选择，系统的总体方案也随之确定，按照无线抄表系统的设计要求和要实现的功能，将本系统大体分为三个功能部分:无线抄表终端（下位机）、通讯网络和监控中心（上位机）。上位机监控中心服务器

35、不管采用何种方式接入internet都必须有固定ip地址，并对各终端开放相应的侦听端口，在接人网络后需尽量保持在线。下位机终端完成对多功能电能表的数据采集、数据处理、数据及事件上报等任务。其中智能电表部分直接采用市面上现有的大唐公司的产品，该部分已经完成了电能数据的采集，并按照规约格式发送数给之后的采集终端，从而不再做具体设计。2.3.1系统框图及工作原理图2-2给出了系统的整体结构框图，其中抄表终端的gprs通信部分将是本论文的重点设计部分。下面简单介绍本系统的工作原理。下位机终端工作后会主动与服务器建立连接，告知服务器自己的终端地址，服务器收到后将其加到动态地址数据库中，服务器自动定时刷新

36、数据库以确定哪些表还挂在网络上，再根据管理员设定的自动抄表时间对连接在网络上的终端进行参数设置、数据读取、校时等操作。在系统的运行过程中，始终保持这一连接不断开，一旦断开必须重新建立连接，保证gprs模块“永远在线”。下位机终端接入internet网要通过两个过程:gprs附着过程(通过基站系统bss与节点sgsn建立连接)，pdp上下文激活过程(通过节点ggsn)。因本文设计的终端采用内嵌tcp/ip协议栈，这两个接入过程只需使用at命令就可以实现。 在下位机终端接入internet后，就可进行数据传输，我们知道internet网的传输层上支持tcp，udp等协议，它们是tcp/ip协议族中

37、的协议，因此在移动终端分配到ip地址，要对传输层上的协议进行选择，接下来就来了解一下gprs通讯的传输层协议。图2-2系统总体方案图2.3.2 gprs通讯的传输层协议选择gprs通讯是基于tcp/ip协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分别是面向连接的tcp协议和无连接的udp协议。(l)tcp协议tcp协议:传输控制协议，是一种面向连接的，可靠的传输层协议。面向连接是指一次正常的tcp传输需要通过在tcp客户端和tcp服务端建立特定的虚电路连接来完成，该过程通常被称为“三次握手”。如图2-3图2-3tcp协议连接的三次握手tcp报文格式如图2-4所示:l 源端口号:16位字段，在主

38、机中发送这个报文段的应用程序的端口号，这和前面介绍的udp源端口号的作用是一样的。l 信宿端口号:16位字段，在主机中接收这个报文段的应用程序的端口号，和udp的目标端口号的作用是一样的。l 序号:这个32位字段定义了指派给本报文段第一个数据字节的一个数。tcp是流式传输协议。为了保证连通性，要发送的每一个字节都要编号。序号可以告诉目的端，这个序号中的哪个字节是报文段的第一个字节，目的进程在知道数据块长度后就可以确定最后一个字节的序号。l 确认号:这个32位字段定义了源进程期望从对方接收的报文段的序号。l 首部长度:这个4位字段指出了tcp首部共有多少个4字字节。首部长度可以在20-60字节之

39、间。因此，这个字段的值可以在5(5x4=20)至15(15x4=60)之间。l 保留:这是6位字段，保留为今后使用。l 标识域:这个6位字段定义了6种不同的控制位或标志，在同一时间可以设置一个或多个这样的位。l 窗口大小:这个16位字段定义了对方必须维持的窗口值(以字节为单位)。tcp校验和:tcp首部+数据的校验和。l 紧急指针:只有当紧急标志置位时，这个16位字段才有效，这时的报文段中包括紧急数据。紧急指针定义了一个数，把这个数加到序号上就得出报文段数据部分中最后一个紧急字节。l 选项:在tcp首部中可以有多达40字节的可选信息。源端口source port（16bit）宿端口destin

40、ation port（16bit）序列号sequence number(32bit)40个字节确认号acknowledgement number（32bit）头长度*4reserved（6bit）urgackpshrstsynfin窗口大小window size（16bit）校验和checksum（16bit）紧急指针urgent pointer（16bit）选项options(0或多个32bit字)数据data(可选)图2-4tcp报文格式(2)udp协议udp是用户数据报协议的简称。它位于tcp/ip协议集中，与tcp相对应，是一种提供应用程序之间传送数据报的机制。将每台机器看作是一些抽象

41、的协议端口的集合，协议端口能区分在一台机器上运行的多个程序。每个udp报文不仅传送用户数据，还包括发送方和接收方的协议端口号，以使接收方的udp软件能将报文送到正确的接收进程，并回送应答报文给对应的发送进程。udp使用底层的网络协议来传送报文，同ip一样，提供不可靠的无连接数据报传输服务。它不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复、以及乱序等。而可靠性的问题将由使用udp的应用程序来解决。每个udp报文称为一个用户数据报，分udp报头和udp数据区两部分。报头由四个16位长的字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度以及校验和。udp报文格式如图2-5所示

42、。16位源端口号16位目的端口号16位udp长度16位udp校验和数据（如果有）图2-5udp报文格式综上所述，再结合gprs网络的情况具体谈一下它们的区别:l)从对系统资源的要求上看，tcp较多，udp少。2)udp程序结构较简单。3)tcp是基于流模式的，udp是基于数据报模式的。4)tcp保证数据正确性和数据的顺序，udp可能会丢包，数据顺序也没有保证。5)tcp传输存在一定的延时，大概是1600ms，udp响应速度稍微快一些。6)从gprs网络端口资源分析，udp十分紧缺，变化很快。而tcp采用可靠链路传输，不存在端口变化的问题。本系统中要求监控中心和gprs模块能相互的、实时的传输数

43、据。tcp本身就是可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足这一要求。而对于udp传输，在一段时间没有数据流量后，端口容易改变，产生的影响就是从监控中心向gprs模块发送数据，gprs模块接收不到。从通讯的可靠性方面来说，不容许传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。否则，根本无法实现远程监控。从这一点来看，很显然在无线数据传输过程中，tcp比udp更能保证数据的完整性、可靠性，存在更小的丢包率。从经济性的角度考虑，要求降低费用，和费用直接相关的就是流量了，流量低，费用就低了。虽然tcp本身的包头要比udp多，但是udp在实际应用中往往需要维护双向通道，就必须要通过大

44、量的心跳包数据来维护端口资源。总的比较起来，udp的实际流量要比tcf还要大。基于对以上几点的考虑，本文认为tcp传输更能满足本系统对通讯的要求，所以在本系统的gprs通讯部分，选择了tcp协议。2.3.3 gprs通讯模式选择为了适应不同的应用场合，gprs通讯模式的选择必须从两个方面考虑，一个是下位机终端gprs模块的通讯模式，一个是监控中心的通讯模式。下面分别介绍:gprs终端单元可以工作在三种工作模式下:永远在线模式、中心呼号模式和定时传输模式，下面以传输tcp数据报为例来说明三种不同的数据传输模式下，gprs终端单元的工作流程。(1)实时在线模式描述:保持gprs模块与监控中心的永久

45、连接。工作过程:gprs模块启动后自动连接gprs网络，根据监控中心的ip地址自动连接监控中心，并保持和维护链路的连接，当链路发生异常时，gprs模块自动重新建立与监控中心的连接。实时在线模式下，终端要通过发送心跳包来维持与数据中心之间的链路。终端系统启动定时器，当设定心跳时间到时，dtu向数据中心发送设定的心跳包。流程图如图2-6所示。gprs模块拨号成功ppp协商成功终止连接建立tcp连接数据处理发送心跳包发送数据tcp连接成功？待发送数据？保活时间到？接收到数据？yyyyn图2-6实时在线模式流程图(2)中心呼叫模式描述:由数据中心发起数据传输请求，gprs模块应答并发送/接收数据。工作

46、过程:当监控中心需要收集或发送数据时发出呼叫指令，gprs模块立即连接gprs网络并登录监控中心网络，按照中心的指令传输数据或执行操作，流程图如图2-7所示。由于该模式下，每次通讯都有由中心发出呼叫指令，随后等待gprs抄表模块的响应，而响应的过程一般较为漫长，所以会引起较大延时，不能满足系统的实时要求。收到来电挂掉电话gprs模块拨号成功ppp协商成功建立tcp连接终止连接tcp连接成功？ny数据传输完毕终止tcp连接切换到命令状态模块复位等待来电图2-7中心呼叫模式流程图(3)定时传输模式描述:gprs模块根据事先设置的定时间隔向数据中心(dsc)发送数据和接收数据，数据收发完毕，自动断线

47、。在该模式下，工作流程和中心呼叫模式相似，不同之处在于，定时传输模式是在设定时间到时终端登录gprs网络连接数据中心，数据传输完毕后，终端等待下一次预定时间到时登录gprs网络连接数据中心，传输数据。在无线远程抄表系统中，考虑到无线远程抄表系统要求的是实时，双向的数据传输，而且gprs通讯是按数据流量计费的特点，在本系统中选用永远在线的模式，即让下位机终端的gprs模块启动后就主动连接监控中心，并且在以后的时间里一直维护链路的畅通，以保证通讯的正常进行。监控中心的通讯模式也是一个不容忽视的环节，由于gprs网络和internet网络一样是基于tcp/ip协议的，并且它们是互通的。所以，监控中心

48、的通讯模式就有两种，一种是直接通过gprsmodem或者专线的方式接入到gprs网络中，从而与下位机终端的gprs模块完成通讯；另外一种就是先接入internet网络，利用internet网络与gprs网络可以互通的原理来实现与下位机终端gprs通讯。在本系统中，监控中心以固定ip连接的方式接入internet网络，通过gprs网关ggsn接入gprs网络，下位机终端在进入gprs网络之后，就可以连接这个固定地址来与监控中心建立无线的连接，从而组建远程测控网络，进行基于tcp/ip协议的网络通讯。2.3.4 系统设计要求自动抄表系统是由各功能模块组合而成的控制系统，在设计的时候，应考虑各方面的

49、因素影响。现在市场上流行的设备和产品五花八门，功能很多，价格也很昂贵，如果一味追求高端、先进，会使成本过高，功能过剩，造成不必要的浪费。结合系统的功能指标需求，应该在经济实用的前提下，不断提高抄表系统的性能。我们在进行具体设计的时候应该注意以下几点:(l)技术的成熟性及先进性:系统设计时必须采用成熟而先进的技术，使系统在今后一段时间内都处于领先地位，延长系统的生命力。(2)系统的可靠性:数据的采集，数据的通讯都必须准确可靠，系统各部分的抗干扰、抗攻击能力要强，要求能适应各种恶劣的环境。(3)系统的方便性:系统的构建、调试要尽可能方便，施工、安装要方便。系统一旦发生故障，维护工作量要少。(4)系

50、统的可扩充性:系统要能够根据用户的数量，调整安装结构，可以根据需要升级或扩充功能，并且备有广域联网的功能。(5)系统的开放性:今后的发展趋势是多元化的，因此系统在选用通信协议以及硬件接口时都要符合开放的系统规范。2.4本章小结在本章中，首先论述了不同的方案优缺点，在考虑系统性能要求的前提下决定了最终的设计方案。然后对gprs的工作原理、网络结构及技术优势等方面进行了详细的研究，研究表明gprs无线通讯技术在覆盖范围大、实时性好、免网络维护、传输速率快、数据量大、按流量计费和可以接入internet等方面的优点，非常适合运用在无线远程抄表系统中；最后，在以上各工作的基础之上，完成了系统的各模块定

51、义、系统整体设计、及工作原理和设计要求的分析等工作。第3章 系统的硬件设计终端硬件平台设计成以arm7微处理器为核心，在nucleus plus实时操作系统的支持下完成信号参数采集、控制命令执行和通讯等功能的测控及通讯装置。对硬件平台的总体设计要求包括:(1)功能性要求:所设计出的硬件平台必须能充分支撑其上的软件系统以实现强大的功能，准确、迅速地完成智能电表相关参数数据和事件的监测，并能对数据进行保存、上报处理；实时响应和执行监控中心的控制命令具备简洁的人机交互界面，便于现场了解信息、控制和调试；满足应用程序远程下载升级和未来其他功能扩展对硬件平台的要求。(2)性能要求:要保证所设计的系统能适

52、应环境的要求，具体表现为有很好的抗干扰性性能，其中最主要的是抗电磁干扰的性能。(3)经济性要求:在此基础上还要考虑实现此终端系统的经济成本。3.1终端系统结构如图3-1所示，终端选用lpc2138为主控mcu，利用其片上的512kflash，32kram作为程序存储及运行空间：片上实时时钟经测定误差在1s/天内，以32.768khz晶振和3.3v的银锌纽扣电池为独立的时钟源和电源，用于抄表时间控制和实时时间显示，外接一片12c接口的e2promat24c16(16kbit)存储终端参数，一片spi接口的flashat45db32(32mbit)存储历史数据以及远程软件升级时暂存接收到的新程序；

53、液晶屏用于显示终端当前参数、实时状态和抄表数据，可由按键控制显示页面切换和更改终端地址。系统时钟和rtclcd及按键lpc2138多功能电表rs485mc55开关本地调试接口系统电源及电源监控电路e2promflash图3-1终端硬件原理图lpc2138通过uarto以rs232电平与gprs模块mc55连接，用at命令控制其登录互联网，建立与主站的连接后按国家电网公司的电力负荷管理系统数据传输规约-2004与之通信。终端通过uart1以rs485电平与电表连接，按各电表协议如多功能电能表通信规约dl/t 645-1997获取抄表数据。3.2 arm控制单元及相关外围电路3.2.1 arm控制

54、单元在监测系统中一般采用微处理器或工业控制计算机来实现高速信息处理、数字化控制及网络通讯等功能。由于工业控制计算机启停时间长，系统的可靠性不如采用专用芯片实现的微处理器系统，因此在可靠性要求很高的场合，多采用微处理器作为监测系统的主控制器。同时，在监测系统中，作为主控制器的微处理器对监测系统的品质指标提高具有举足轻重的作用，因此选择性能优良的微处理器是提高控制系统性能指标的关键。对它的主要要求是有较大容量的存储器、高速的运算速度、丰富的集成外围模块、足够的i/o口以及较好的适用环境的能力等等。考虑到以上因素，本系统最终决定选用philips公司的32位arm7系列lpc2138作为该系统的微处

55、理器，其强大的功能可以大大简化测控系统的设计。下面就简单介绍一下lpc2138的情况。lpc2138是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位arm7tdmi-stmcpu，lpc2138的主要特性如下:(1)单电源供电，cpu操作电压范围:3.03.6v(3.3v+/-10%)，含有上电复位(por)和掉电检测(bod)电路.(2)小型的lqfp64封装上包含多达47个通用i/o口(可承受5v电压)，这些gpio内部设有上拉电阻，输入输出方式可选。口线与其他功能复用，可进行相关的连接配置选择。(3)片内晶振频率范围:1-30mhz。通过片内pll可实现最大为60mhz的cpu操作频率，pll

56、的稳定时间为1oous。(4)32kb片内静态ram，512kb片内flash程序存储器。(5)2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、pwm单元(6路输出)和看门狗。(6)2个16c550工业标准uart，2个高速i2c接口(400kbit/s)，一个spi和ssp(具有缓冲功能，数据长度可变)。(7)2个8路10位a/d转换器共包含16个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。单个d/a转换器可产生不同的模拟输出。(8)向量中断控制器。可配置优先级和向量地址；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。9个边沿或电平触发的外部中断引脚。(9)2个低功耗模式:空闲和掉电；实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗；可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。(10)片内boot装载程序实现在系统编程(isp)和在应用中编程(iap)；flash编程时间:1ms可编程256字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms。3.2.2电源监控及复位电路对于实际的arm应用系统而言，由于arm芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重时系统可能会出现死机，因此可靠性是一个不容忽视的问题。为了克服这种情