（信号与信息处理专业论文）基于arm的远程自动抄表系统设计.pdf

摘要 摘要 电表的抄读和监控一直是供电部门经营上的难题。实现配网自动化和提高配 网运行水平是电力部门的发展方向。低效率、难操作使传统手工抄表方式早己不 适应电力体制的改革和现代抄表的要求。随着通信技术的不断进步，许多新兴的 抄表技术得到快速发展并确实解决了很多这方面的难题，但仍存在成本偏高、系 统结构不合理、通信技术落后等缺陷。由于诸多抄表方式不同，没有形成统一有 效的规约，限制了抄表业的发展。低成本、高性能、易普及的先进抄表方式是抄 表行业未来发展的趋势。 一本文分析自动抄表系统发展需求后，阐述了基于a r m 微处理器的远程无线抄 表系统，主要是集中器和采集器的设计过程。首先探究了无线抄表技术的概念和 特点，明确了课题背景及意义、国内外发展现状等。在此基础上从无线抄表行业 的发展需求出发，提出了完整、可行的系统设计方案，并就系统集中器、采集器、 手持机各功能单元及通信手段进行了介绍，从总体架构上对系统可行性作了论证。 本文对集中器和采集器关键硬件电路作了详细介绍，谈到l m 3 s 6 9 1 6 微控制器及 s d 卡电路、以太网接口、r s 4 8 5 接口等外围电路的设计原理，并给出了p c b 设计 应注意的原则和要求。软件描述主要涉及到u c o s i i 操作系统、t c p i p 协议栈移 植、s d 卡文件系统、6 4 5 抄表规约以及采集器、集中器的基本软件流程。无线抄 表网络组建算法也是本文的重点，在介绍了抄表网络的特点和z i g b e e 路由技术基 础上，综合c l u s t e r t r e e 树型路由和z a o d v 按需路由两种思想详细阐述了z i g b e e 路由算法在本系统网络组建及维护中的应用，使得系统能够组建树型网络和复杂 的m e s h 网络。之后，本文就系统主要功能模块的调试流程作了简要介绍，分析了 调试过程中存在的问题，提出了解决的方法。最后总结了系统完成的情况及存在 的不足，并展望了系统的应用前景及发展趋势。 该系统适应无线抄表行业的发展要求，能通过g s m 公网、以太网及手持机实 现远程自动抄取电能表数据，基本实现了系统功能。对软件优化并测试组网算法 后本系统可服务于智能小区及农村电力表计的抄取，具有广阔的应用前景。 关键词：自动抄表系统，集中器，g s m 公网，z i g b e e 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t m e t e rr e a d i n ga n dm o n i t o r i n gh a v eb e e nm a n a g e m e n tp r o b le m so fp o w e r s y s t e mf o ral o n gt i m e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka u t o m a t i o na n do p e r a t i o np e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ti st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fp o w e rs e c t o r l o we f f i c i e n c ya n d o p e r a t i o nd i f f i c u l t yo ft r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e rr e a d i n gm e t h o dm a k ei tl a gf 矗 b e h i n dt h ep o w e rs y s t e mr e f o r m sa n dm o d e mm e t e rr e a d i n gr e q u i r e m e n t s a s c o m m u n l c a t l o nt e c h n o l o g yp r o g r e s s e s ，m a n yn e wm e t e rr e a d i n gm e t h o d sh a v e m a i n t a i n e dar a p i dd e v e l o p m e n ta n dh a v ei n d e e d s o l v e dal o to fp r o b l e m si nt h i s f i e l d h o w e v e r ，m a n yd e f e c t ss u c ha sh i 曲c o s t ，i r r a t i o n a ls y s t e ms t r u c t u r e a n d b a c k w a r dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd oe x s i s t a st h e i rd i f f e r e n td e v e l o p m e n t a l w a y s ，t h e r ea r en ou n i f i e da n de f f e c t i v er e g u l a t i o n si nm e t e rr e a d i n gi n d u s t r y , w h i c h l i m i t si t sd e v e l o p m e n t a d v a n c e dm e t e rr e a d i n g s y s t e mw i t h l o wc o s t ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dp o p u l a r i z a t i o nc o n v e n i e n c ei st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yi nf u t u r e m e t e rr e a d i n gi n d u s t r y t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t sa n ds t a t e m e n t e dt h e d e s i g np r o c e s s o ft h ew i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs y s t e mb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o r , w h i c hm a i n l yi n c l u d e dc o n c e n t r a t o ra n dc o l l e c t o r s f i r s t l y , t h e d i s s e r t a t i o ne x p l o r e dt h ec o n c e p ta n df e a t u r e so fw i r e l e s sm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g y a n dg o tc l e a rb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，a n da c q u i r e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na th o m e a n da b r o a do f t h er e s e a r c hs u b j e c t o nt h i sb a s i s ，b e g a nw i t ht h ed e v e l o p m e n tn e e d so f t h ei n d u s t r y , t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e d a c o m p l e t e ，w o r k a b l es y s t e md e s i g n s c h e m e ，i n t r o d u c e dc o m m u n i c a t i o nm e a n sa n ds o m ek e yf u n c t i o n a lp a r t s ，i n c l u d i n g c o n c e n t r a t o r , c o l l e c t o ra n dh a n d h e l dd e v i c e ，a n dd e m o n s t r a t e dt h ef e s e a b i l i t yf r o m t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m s o m ek e yh a r d w a r ec i r c u i t so fc o n c e n t r a t o ra n d t h ec o l l e c t o rw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，s u c ha sm i c r o c o n t r o l l e rl m 3 s 6 9 16 s dc a r d c i r c u i t ，e t h e r n e ti n t e r f a c e ，r s 4 8 5i n t e r f a c e m e a n w h i l e ，p c bd e s i g np r i n c i p l e sa n d r e q u i r e m e n t sw e r eg i v e n s o f t w a r ed e s c r i p t i o nm a i n l yr e l a t e dt oo p e r a t i n gs y s t e m u c o s i i ，t c p i pp r o t o c o ls t a c kt r a n s p l a n t a t i o n ，s dc a r df i l e s y s t e m ，6 4 5 m e t e r - r e a d i n gp r o t o c o la n db a s ics o f t w a r ep r o c e s so fc o n c e n t r a t o ra n dc o l l e c t o r i i 垒皇! 塑竺 一一一 一一 n e t w o r kf o m “o na l g o 打t h mh aw i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m i st h ef o c u so ft h i s d i s s 积a t i o n o nt h e b a s i so ft h ei n t r o d u c t i o n t ot h em e t e rr e a d i n gn e t w o r k c h a r a c t 嘶s 石c sa n dz i g b e er o u t i n gt e c h n o l o g y , t h ed i s s e r t a t i o ns y n t h e s i z e d p r i n c i p l e s o fc 1 u s t 昏t l r e er o u t i 矗g a n dz - a o d vo n d e m a n dr o u t i n g ，a n di l l u s t r a t e d t h e a p p l i c a t i o no fz i 邸e er o u t i n ga l g o r i t h mi nn e t lw o r kf o r m a t i o na n dm a i n t e n a l l c e 1 n t 1 1 i ss v s t e m a s ar e s u l t ，t h en e t w o r kt o p o l o g y c o u l db et r e eo rc o m p l e x m e s h l a t l 。r ，t h i sd i s s e r t a t i o ng a v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt o d e b u gp r o c e s s e so fs o m e i m p o r t a n tf u n c t i o n a lu n i t s ，a n a l y z e dt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e d i nt h ep r o c e s s 蚰dp u t 胁a r d 也es o o n s i nt h ee n d ，t h e d i s s e r t a t i o nc o n c l u d e dt h ea c h ie v e l t l e n t s a n d d e f t c i e n c i e so ft h es y s t e m ，a n dp r o s p e c t e di t sa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t e n d 铋c y n es v s t 锄a d a p t st ot h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t s o ft h ew i r e l e 8 sm e t e r r e a d i n gi n d u s 略u s i n gt h es y s t e m ，w ec a ng e tp o w e rm e t e rd a t at h r o u g h t h eg s m n e t w o r ko re t h 啪e ta u t o m a t i c a l l ya n dr e m o t e l y , o rt h r o u g hh a n d h e l dd e v i c e l i v e l y s o t h e b a s i cf u n c t i o no ft h es y s t e mh a v eb e e nr e a l i z e d a f t e rs o f t w a r eo p t l m l z a t l o na n d n e 细o r kr o t a r i n ga l g o r i t h mt e s t ，t h es y s t e mc a ns e r v ei np o w e r m e t e rr e a d i n g1 nt h e i n t e l l i g e n tc o m m u n i t i e so rc o u n t r y s i d e ，a n dh a s b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d 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 ，c o n c e n t r a t o r , g s mn e t w o r k ，z 1 9 b e e a l g o r i t h m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 繇羔韭嗍幻l o 年朋工7 目 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：生主墅导师签名： 日期：b o 年f 月二7 日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 我国的电能表数据抄取在很长一段时间内采用人工方式，这种传统方式难免 存在许多弊端，诸如数据统计不准确、操作难以规范、数据采集不及时、人工 多、成本高、效率低等。随着全国城网、农网改造的结束，实现配网自动化， 提高配网运行水平以及电力营销管理自动化是电力部门的改革方向。显然，上 述弊端使得人工抄表管理模式不能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分 时电价运营、预支电费等先进管理模式的推行l l 】。 随着现代通信、计算机技术的发展，远程自动抄表系统a m r s ( a u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 得到快速发展并代替手工抄表方式在电力系统发挥了重 要作用。远程自动抄表系统是指无需人工干涉，使用计算机技术、通信技术、 网络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度 集成性，集软件、硬件为一体，对各种范围内电力用户实时用电量信息以及各 种故障信息数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统。它具有抄收速 度快、成功率高、实时性好等特点，还可直接与营业计算机联网使得用户数据 管理方便快捷，降低了抄表人员的劳动强度、减少了人为因素造成的误差 2 1 。 早期的自动抄表技术比如4 8 5 总线、电力线载波自制总线抄表都存在各种不 足之处，4 8 5 总线过多的分支造成维护和使用过程中很不方便，通讯可靠性较低。 电力线载波抄表很不连续，干扰严重，能连贯传输数据的系统很少。 最近几年，随着通信技术的发展，新兴出现了基于g p r s 或g s m 业务的远 程无线抄表，采集的电表数据汇集到集中器，或者直接安装g p r s 智能电表， 通过中国移动的g s m 公网或g p r s 无线数据网络进行传输，最终传送到配电中 心。其实时性强、建设成本低、通信费用低等特点使其成为现今主流的远程抄 表方式。 远程无线抄表虽然有上述诸多优越性，但目前的发展及应用仍不尽人意。大 部分抄表系统关键设备处理器性能低，不能处理和存储大批量电能数据，系统 网络组建存在问题，或者成本太高使得不能难以投入实际应用等。当前3 g 通信 技术得到发展并在多种通讯手段中得到应用，它和因特网的普及使得大批量数 电子科技大学硕士学位论文 据的高速传递成为可能。开发一种高性能、低成本、适应未来高速数据传输方 式的远程抄表系统成为当前抄表业的热点，也是本课题要解决的问题。 1 2 国内外现状 1 2 1 国外现状 自动抄表技术八十年代诞生于美国，之后在世界各地得到迅速发展。在上世 纪7 0 年代至8 0 年代，一些发达国家对远距离电能采集和传送进行探索性研究， 主要采用有线通信，如电力线载波、电缆、光缆等。期间各国一些大公司相继 推动了自动抄表技术的发展。 在国外，电力线载波通信技术发展已经比较成熟，目前在向利用电力线载波 通信实现家庭自动化的方向上发展了，已经研究提出了统一的电能表通信协议 d l m s c o s e m ( d e v i c e l a n g u a g em e s s a g es p e c i f i c a t i o n c o m p a n i o ns p e c i f i c a t i o n f o re n e r g ym e t e r i n g ) ，并被国际电工委员会采纳作为i e c 6 2 0 5 6 国际标准。这一 通信技术的进步大力促进了电力线载波抄表的发展并使得它的发展有了统一的 方向而更加规范和易于操作1 2 j 。 国外无线通信及网络技术的迅速发展使基于无线网络技术的应用逐渐成为 当前无线通信的主流。无线网络技术其自身的特点、合理的组网方式以及可靠 的传输机制，使其成为远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。目前国外无线远程抄表系统主要基于微处理器，通过g p r s 、 c d m a 等无线通信网络，向管理系统传送采集的数据。 1 2 2 国内现状 目前国内存在三种抄表方式：人工抄表、预付费方式、远程集中抄表方式。 人工抄表由于前述的诸多缺陷已成为落后的抄表方式，只在少数边远地区使用。 预付费方式也由于i c 卡的一些致命技术隐患及带来的管理问题而应用受到限 制。远程集中抄表( 分线制、总线制、无线、电力载波、卫星通讯等) 由于其 通信技术的先进性和系统灵活等优点而得到重大发展【3 j 。 就电表采集方式来说，分线制即采集器定时顺序采集来自多路分线连接的表 计信号并进行数据处理，存储，各采集器之间采用总线制连接，最后连接至计 算机，其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置。目前国内市场上各 抄表开发系统的公司多用此型。分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟， 2 第一章绪论 也节约成本( 多户表共享一个采集器) ，但从实际情况看存在如下缺点：分线的 任何环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据、需专业人员调试系统而维扩费 用也相应增加、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。实际使用中效果反映不理想。 总线制智能抄表方式开发由来己久，它是在表内设单片机，即在表计上装配 采集器，表计的数据采集、处理、存储、等基础工作全由采集器完成。其优点 是出现故障不影响其他表的抄取，缺点是成本增加、管理中心压力大( 需管理 每只表) 。目前江苏、安徽省地区等实际使用效果比较满意【4 】。 远程集中抄表系统上行通信( 集中器到计算机) 方案已比较成熟，一般有以 下手段：通过手持机红外读取、g s m 拨号方式、g s m 短信方式、g p r s 通信、 c d m a 、电话线、以太网等。方式多种多样，也各有长短，最主流的还是g s m 和g p r s 方式。 下行信道( 集中器到采集器) 通信方式目前没有比较成熟稳定的技术，大致 可以分为以下三种： 1 有线抄表方式。这里指需要另外布设通信线路的方式，有基于r s 4 8 5 或 m b u s 总线、l o n w o r k s 技术等技术。所有数据都通过布设的通信总线进行通讯到 达集中器。该方案存在缺点是：布线困难，当线路出现问题时不好排查。 2 基于电力载波技术( p l c ) 。所有数据通过电力线进行通讯，不用专门铺 设通信线路。该方案存在缺点是：电力载波抄表受电网干扰影响很大，抄表的 成功率很低。数据传输的速度很慢，波特率只有几百b p s 。在现场安装时还需要 根据现场环境加装路由装备。 3 基于无线技术。现场由电表，采集器，集中器组成。所有数据通过无线 模块进行传输。无线模块一般是免申请i s m 频段或4 0 0 4 7 0 m h z ，f s k 调制方 式。该方案存在缺点是：无线模块通常受功率限制，距离有一定限制，超出距 离的将需要根据需要加装路由器。 这三种方式又以无线方式发展最快，目前无线方式大部分都使用路由中继技 术，通过自组网建立局部网络，网络内节点进行通信接力，不仅使系统通信距 离得到大幅提升，系统容量也呈几何级数增长。而这种方案的关键技术则在于 采用合理的组网算法建立能够自组织、自愈的无线网络，即能够自动识别节点 的入网和退出、自行建立路由、能根据网络拓扑变化而选择最优路径。在这方 面，目前很少有公司产品能达到这些要求，要不就是组网方式简单不够灵活、 要不就是根本不能形成有效的路由。虽然有些公司应用了z i g b e e 技术自动组网， 电子科技大学硕士学位论文 也只组建简单的树型网络。所以这方面还有很长的路要走【5 1 。 抄表系统目前已经广泛应用于物业公司、自来水公司、煤气公司、供电公司、 企业内部宿舍的计量收费管理。尤其是如今住房需求的不断增长，还有旧的居 民小区需要改造，这些都为智能建筑市场提供了良好机遇，无线抄表系统作为 小区智能建筑的标准配置也将获得广阔的应用市场和发展空间f 6 】。 1 3 。远程自动抄表系统的综述 任何一个抄表系统都可以抽象地看作是由六个部分组成的，如图1 - 1 ： 图1 - 1 抄表系统组成框图 1 数据采集单元 目前有几种类型，采用分线制方式电子脉冲计数的多表集中采集单元、采用 总线制电子脉冲计数方式的单表采集单元、采用总线制机电位置检测方式的单 表采集单元、采用总线制摄像方式的单表采集单元等、采用无线传输方式的单 表采集单元等。 分线制多表采集器是第一代抄表系统采用的主要方式，由于分线制系统存 在抗干扰能力差、断线会造成数据误差等许多问题，目前己不再是抄表系统的 主流模式。总线制单表采集器解决了分线制系统的上述问题，因此成为目前抄 表行业尤其是水、电抄表行业的主流模式。 2 底层数据传输系统 底层数据传输系统指由采集器到集中单元之间的传输系统，目前有线传输的 方式中比较主流的方式是r s 4 8 5 总线方式和m b u s 总线方式。无线传输的方式 中也有好多种，比如基于z i g b e e 技术和普通f s k 的通信技术，一般都是无需 申请的免费频段。无线传输方式受到耗电、发射功率、接受灵敏度、安装环境 等多个方面的约束，仍需在技术上进一步完善。 3 数据集中单元 为了提高上层传输的效率，很多抄表系统采用了“数据集中器”这个设备完 成数据的采集，集中提供给数据处理系统。集中单元主要是完成批量数据汇总 和存储、上报，负责组建网络和监控用户情况等。一般的数据集中器仍然以数 4 第一章绪论 据流形式用非常原始的通讯协议将数据传输给数据处理系统，从而带来了传输 速度慢、可靠性差等问题。 4 上层数据传输系统 上层数据传输系统一般是集成在数据集中单元里，作为其功能单元的一部分 的，目前主要通过r s 2 3 2 串口、u s b 接口、i r d a 红外线接口、电话线接口、 以太网接口、g p r s 接口等由电脑直接或远程读取。 5 数据处理系统 数据处理系统是指计算机及安装在计算机上面的数据处理软件系统。其功能 包括数据存储、查询、删除、打印等。 1 4 本人所作工作 本项目旨在设计一种远程无线抄表系统，包括上位机抄表软件、手持机、集 中器、采集器几个部分。但整个系统工作量太大，一个人能力有限，因此本人 只完成了集中器和采集器硬件设计及软件编程和调试工作，上位机软件和手持 机己由他人设计，并作为本课题的辅助调试工具。本人具体工作有： 1 硬件设计 设计了集中器和采集器硬件，主要模块有以太网接口、s d 卡、e 2 p r o m 、 时钟电路、无线通信模块接口、g s m 模块接口、r s 4 8 5 抄表接口等。在此基础 上嵌入无线数传模块和g s m 通信模块构建最基本系统，完成抄表系统最基本硬 件平台设计。 2 软件设计 集中器软件中完成了底层如l m 3 s 6 9 1 6 启动代码、以太网驱动程序、s d 卡 读写、e 2 p r o m 芯片2 4 a a 5 1 2 以及时钟芯片d s l 3 0 7 读写程序、无线数传模块 及g s m 模块收发通信程序等工作，中间层完成了u c o s i i 操作系统、t c p i p 协议、f a t 3 2 文件系统的移植以及s o c k e t 编程、通信数据解封包、校验等工作。 应用层完成了自启动抄表、响应命令实时抄表、抄冻结数据、系统时间及其他 参数设置，以及z i g b e e 协议的简单移植，实现自组网路由算法。 采集器软件完成r s 4 8 5 驱动程序设计，可按d l t - 6 4 5 1 9 9 7 协议实现总、峰、 谷、平电能抄读。完成2 4 c 1 6 芯片的读写，可存储6 4 只表临时电能数据，每两 个小时更新一次。完成无线数传模块收发通信程序设计，可接收集中器抄表或 其他命令并返回数据帧。完成路由中继功能，可同时实现路由器和终端节点的 电子科技大学硕士学位论文 功能。 3 系统调试 完成上诉所有模块的调试工作，手持机可通过无线数传模块现场抄读集中器 冻结数据和设置参数，上位机可通过g s m 网拨号和以太网抄读集中器冻结数 据、启动集中器实时抄表、启动组网或获取、设置集中器时间、采集器个数等 参数。可将读取的电能数据按字符形式存储在s d 卡的t x t 文档中，并可读取。 由于采集器数量有限且网络拓扑复杂多变，组网算法的调试工作尚未完成。 1 5 本论文内容安排 本论文主要介绍了无线远程自动抄表系统的发展背景、方案设计、硬件及软 件设计过程。第一章主要介绍了远程抄表系统的背景和意义、以及系统总体结 构、国内外发展现状等。第二章进行了无线远程自动抄表系统的总体方案验证、 结构框图以及各模块的功能介绍、通信方式介绍等。第三章对系统硬件电路设 计过程以及各单元电路以及p c b 设计作了简单介绍。第四章着重于软件设计的 介绍，比如操作系统移植、t c p i p 协议移植、s d 卡文件系统、无线通信协议 等。第五章从抄表网络特点出发介绍了z i g b e e 路由协议，并在此基础上确立了 自动抄表系统路由建立和维护的算法和处理。第六章粗略谈到集中器和采集器 几个关键部分调试过程，就遇到的问题展开分析并提出解决方法。第七章对系 统工作作了回顾，总结了工作的成果和不足，对系统的前景作了展望。 6 第二章系统整体方案设计 第二章系统整体方案设计 2 1 方案论证及选择 目前的自动抄表系统没有统一的标准和系统的方案，有线方式比较流行的实 现方案有电力线载波抄表和4 8 5 总线抄表、m b u s 总线抄表等。这些方案具有 数据传输稳定、系统可靠、实现简单等特点，适合仪表比较集中的地区，但施 工布线工程量大，易受外界破坏，发展受到较大限制。 鉴于以上原因，无线远程自动抄表近年得到了较大发展。比如通过g s m 短 信息抄表，在用户端安装g s m 发射终端，将电表数据通过g s m 网以短信息方 式上传到g s m 网的短信息中心，中心将数据通过专线传到能源管理部门。该方 案费用低、覆盖面广、不受距离和空间的限制，但短信息通信容量有限，通常 在通信高峰期会发生拥塞和丢失现象，不适合业务量大的系统中使用。另外还 有比较流行的g p r s 抄表，通过g p r s 网连接到i n t e m e t 网与主站计算机连接进 行通信，或者安装g p r s 智能表直接将数据传到管理中心。该方式以g s m 网为 基础，但弥补了g s m 抄表速率低、资源利用率差等缺点，永远在线，按流量计 费，接入时间短的特点使其特别适合突发性小流量数据传输f 7 j 。 自动抄表技术的所有模式中，各种方案都存在着一定的缺陷。考虑到我国农 村电表安装较分散，而城市的相对集中的因素，采用单一的有线或无线方式都 难以取得很好的效果。分析当前普遍的情况，以及考虑到将来发展的需要，应 该从以下方面考虑抄表系统的设计i s j ： 1 、电能表的成本及应用情况。 目前的电能表大部分还是数字式脉冲表，其内部自带脉冲采集电路，把脉冲 转化为电能数据，并有4 8 5 接口，只能通过4 8 5 总线采集电表数据。带g p r s 的智能表造价偏高，若是每家每户都安装这种智能表整体成本太大且用户也不 太愿意。因此电表数据的采集还是比较适合用4 8 5 总线有线方式，而且数据采 集也比较稳定可靠。 2 、中心节点容量及通信方式问题 我国实行一户一表，电能表数量众多，若数据集中单元直接采集电表数据， 其节点压力将会很大，而且大量的电能表需要通过4 8 5 总线连接到集中器上， 电子科技大学硕士学位论文 不仅布线工程量大而且总线驱动能力可能要求很高。为解决这些问题，需要增 设节点读表，分组管理，即设置采集终端( 或称采集器) ，每个采集终端下连接若 干电能表，然后这些采集终端再将数据存储或传递给集中器。 在农村，住户分布比较分散。每只采集器带的电能表一般在几十个左右，所 以要集中管理大范围内的电表数据，采集器的数量也会很大。若集中器和采集 器之间采用有线方式连接仍然会有布线麻烦的问题。而在城市电能表安装较集 中的地区，用无线方式在集中器和采集器之间传递数据也很合适，比如在小区 中心安装集中器，而在每栋楼顶安装采集器，采集器通过无线传递数据到集中 器距离也不太远，不用跨楼层布线。因此集中器和采集器之间也采用无线通信 方式，而且采集器众多，应该采用成本低廉、稳定可靠的无线方式，以降低系 统成本和提高通信效率。 3 、数据集中单元( 集中器) 的功能应比较完善，以处理大量数据。 首先应有很大的数据存储容量，以存储大量的电能表数据i 其次，能通过无 线方式和采集器通信并正确访问每一个采集器；再次能通过g p r s 或其他方式 和管理中心主站通信，并实时响应主站的命令请求；能完成复杂的命令功能， 包括直接抄表、查询历史数据、路由组网、查询系统时间、参数设置等。 4 、兼容未来先进通信技术。 随着无线通信业务的发展，尤其是3 g 业务和互联网的发展，抄表系统应该 跟进并采用先进通信技术完成大量的、快速的数据传输，并要做到稳定高效率。 未来的抄表系统应该是可以从网上直接抄取和查询、远程控制，其发展趋势必 然是更加系统化、智能化【9 】。 5 、辅助手段及备用模块。 为了避免主要通信方式出现故障无法抄表的情况，系统应有辅助方式实现抄 表和其他功能。比如若集中器出现故障，主站无法通过集中器抄到其下电表数 据，可以通过手持抄表机到现场抄表，更主要的可以在安装采集器或集中器时 用手持抄表机对其进行地址设置、时间设置等。 2 2 系统总体结构设计 经过以上方案论证，可以对系统作如下设计：整个系统分四层，管理中心主 站用专门的抄表软件对电表数据分析管理，集中器负责汇总一定范围的电表数 据并传到主站，根据z i g b e e 路由算法组建树型或m e s h 网状网络，通过网络和 第二章系统整体方案设计 采集器通信。采集器兼作路由器进行数据转发和终端节点负责现场采集电表数 据并存储和传给集中器。最下层是电能表，通过r s 4 8 5 有线方式和采集器连接， 每只采集器连接最多6 4 只电表。手持机是系统的辅助单元，它通过i s m 无线 模块现场设置集中器、采集器参数和采集存储的数据( 网络发生故障时) ，然后通 过u s b 传给主站计算机。虽然是辅助单元，但手持机的作用是很重要的，它是 系统的功能更加完善。主站和集中器之问的上行链路采用g s m 网络和互联网两 种通信方式，集中器和采集器之间的下行链路采用i s m 免费频段的无线数传模 块，中一山频率4 3 3 m h z ，系统总体框图如下： 以太网总线g s m 下台 j 管理中心 采集器路由器 无线 集中器n 麓一一圆删 胃l 一一劂手持机 上一一、i ! i 朗一 露 电能表1 图2 - 1 系统总体架构图 囝 电能表n一姗、黧蜘一黼 露撇 ir 蓟上 瞄 奸露一 盱 嘶 臌 杈 电子科技大学硕士学位论文 2 3 系统功能单元设计 系统的四个功能单元中本人主要设计了集中器和采集器，因此主要对这两部 分详细介绍。主站中心软件和手持机由其他成员设计好且功能已完善，电能表 是从市面购买无需设计，主要介绍其原理。 2 3 1 主站计算机 主站计算机具有强大的数据存储、分析和管理能力，其主要功能有定时读取 集中器数据( 一般每个月一次) 、远程设置集中器参数、对电能数据分类管理、提 供数据查询分析接口、上传报表到电力公司等。主站计算机要求连接到互联网 且有较理想的网速，并安装g s mm o d e m 以通过g s m 网络和集中器通信。中心 软件底层也需要有这两种方式的接口驱动。此外，管理人员主要通过主站管理 整个系统，中心软件还需要有良好的人机界面，做到功能完善、稳健可靠、管 理方便。 2 3 2 集中器 集中器是系统设计的重点，它是承上启下的枢纽。最重要的三点，一是要有 大容量数据存储功能，二是要能处理复杂的命令和庞大的数据，三是要有稳健 的性能，能持续可靠的工作而不出现系统故障。要达到这些要求，微处理器选 择a r m 芯片比较合适。这里选择的是周立功群星系列a r m 芯片l m 3 s 6 9 16 ， 其理由及芯片介绍将在第三章讲到。 集中器主要完成命令处理、数据存储和无线通信。这里集中器通过无线数传 模块和手持机、采集器通信，一般不会同时和两者通信并且采集器是被动的， 不会存在数据干扰问题。另外软件上采用不同的命令码区分是手持机命令还是 采集器数据。数据存储主要依靠大容量s d 卡，2 g 的s d 卡可以存储足够多的 用户电能表数据，若出现通信故障管理人员可以取走s d 卡直接复制到主站计 算机上。若数据量较小也可以存储在e 2 p r o m 芯片里，2 片6 4 k b 的e 2 p r o m 芯片也可以存储大量的数据，但其更主要的作用是存储集中器参数，比如网络 地址、采集器个数、路由表等。 2 3 3 采集器 采集器是集中器的下级节点，主要完成局部电能表数据的采集、存储和配合 1 0 第二章系统整体方案设计 集中器完成节点路由建立。采集器的功能相对简单，但数量较大，降低成本比 较重要，微处理器用8 位单片机即可。这里选用c 8 0 5 1 f 3 1 0 ，对它的介绍也在 第三章讲到。 采集器和集中器、手持机、其他采集器之间的通信都通过无线数传模块，和 电能表之间的通信采用有线方式4 8 5 总线，由于c 8 0 5 1 f 31 0 只有一个串口，与 无线模块之间的连接采用模拟串口，很容易实现硬件串口的功能。另外，采集 器需要存储的数据量较小，为节约成本采用1 片6 4 k b 的e 2 p r o m 芯片即可存 储电能数据。 无线数传模块的通信距离较近，在1 0 0 m 2 0 0 m 之间，集中器不可能和较远 距离的采集器通信，为此需要中间采集器进行中继转发，本系统路由算法基于 z i g b e e 协议，将在第五章讲到。 2 3 4 电能表 电能表的工作原理是：当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中 就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交 变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而 使铝盘得到转矩( 主动力矩) 而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的 电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的 大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。 铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方 向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也 越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗 的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示 出来。这就是电能表工作的简单过程。 为通过4 8 5 总线采集数据，需安装电子式复费率电能表。复费率表又叫多费 率电能表或称分时电能表，俗称峰谷表，是近年来为适应峰谷分时电价的需要 而提供的一种计量手段。它可按预定的峰、谷、平时段的划分，分别计量高峰、 低谷、平段的用电量，从而对不同时段的用电量采用不同的电价，发挥电价的 调节作用，鼓励用电客户调整用电负荷，移峰填谷，合理使用电力资源，充分 挖掘发、供、用电设备的潜力。 电子式复费率电能表采用1 0 级感应系电能表机芯为基础，采用红外光电变 换器，脉冲输出和中央处理器( c p u ) ，单片机电路，使用附带的键盘编程或者 电子科技大学硕士学位论文 红外无线键盘来进行各种需求量、时钟、时段、双休日的设定，可保护本月最 大需求量、上月最大需求量和本月峰、平、谷最大需求量显示及存储。带有脉 冲输出及r s 2 3 2 串行通信口，便于数据远程传送与监控。仪表性能比较精密可 靠，功能可满足我国现阶段分时计费需求，生产工艺比较成熟，价格具有竞争 力，是目前国内应用最为广泛的代产品。但是美中不足的是各生产厂家均为 自行开发专用单片机，存在产品兼容性差，维修困难的缺点。这一系列产品常 见的有d f 6 8 、d f 9 3 、d t f 3 3 、d f 8 6 、d s f 2 0 、d i f 一2 、d f 3 2 、d t f 8 6 4 m r z 、 d s d 6 6 等。 2 3 5 手持机 手持式抄表机( 又称抄表器、掌上电脑、手持终端等) 1 是用于移动数据采集 的掌上型设备。本系统手持机在h 9 0 0 0 平台上开发，基于f s k 的调制方式，采用 高效前向纠错信道编码技术，采用c c l 0 x x 射频芯片。h 9 0 0 0 是以3 2 位c p u 芯片 为内核的手持p o s 机，它为用户提供了一个方便灵活的开发平台。该平台硬件 上包括3 2 位a r m 芯片微控制器，大容量f l a s h 存储器，另外包括l c d 显示屏、键 盘驱动、电源等完整电路。软件上还提供了方便的l c d 、键盘、f l a s h 等模块驱 动接口函数，用户可以利用接口函数编写符合自己要求的应用程序。 手持机可以在无线网络故障时对集中器或采集器进行现场抄表，也可以设置 机器参数。本系统中手持机主要用来设置集中器网络地址、当前时间、读取集 中器冻结抄表日期、冻结数据、实时抄表。若不通过集中器抄到某采集器数据， 也可用手持机直接根据采集器机器号抄取其存储的电表数据。在抄表系统中手 持机作为一种辅助手段，在提高抄表效率、增加抄表灵活性方面有重要作用。 2 4 数据传输系统介绍 数据传输通道一直制约着电力自动抄表系统的发展。电力自动抄表系统在传 输通道上目前大部分采用电话、电力载波、f s k 、专用无线通道等技术。由于 采用的传输通道现有技术水平和传输特性的限制，效果均不理想，电力自动抄 表系统的传输通道在系统组成上，己开始转移到与公用无线网相结合。 本抄表系统中存在三种通信方式，主站计算机和集中器之间的上层传输系 统用g s m 网和因特网通信，集中器和采集器、手持机之间的底层传输系统采用 1 2 第二章系统整体方案设计 i s m 频段的无线数传模块