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南京理工大学硕士论文 智能远程抄表系统的设计与开发 摘要 随着小区智能化的推广，智能远程抄表系统i r m r s ( i n t e l l i g e n tr e m o t em e t e r r e a d i n gs y s t e m ) 越来越受到燃气公司、房地产开发商以及住户的重视。可靠、准确 和实用的i r m r s 系统成为当前的一种实际需求。 本文在分析了现有的各种远程抄表方案的基础上，设计和开发了一种适合我国国 情的i r m r s 系统。该系统分上位机管理系统和下位机采集系统两部分，通过公用电 话网及上层通信协议实现上位机与下位机之间的通信。下位机采集系统重点对各组成 部分( 包括数据采集器、数据集中器和数据通信机) 进行了软硬件设计，制定了底层 通信协议，并采用r s 。4 8 5 总线实现燃气表原始数据的采集、处理、存储和传输；上 位机管理系统采用模块化设计思想，重点对通信模块( 包括上层通信协议) 和数据库 模块进行了设计，实现了燃气表数据的远程读取、智能化处理和多种报表输出，同时 提供了燃气表和其它抄表设备的远程监控功能。另外，本文对系统实际应用中的各种 不可靠和干扰因素进行了系统分析，在设计采取了一系列有效的措施来提高系统的可 靠性和抗干扰能力。 系统的实际运行和测试表明：该系统安装调试方便，运行可靠、稳定，操作简单， 抄得的数据准确，达到了预定的目标，满足了实际的需求，具有较高的工程应用价值。 关键字：智能抄表系统、远程抄表系统、自动抄表系统、通信协议、可靠性、抗干扰 第i 页 南京耀丁大学硕上论文智能远程秒表系统的设计与开发 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t y ，i n t e l l i g e n tr e m o t em e t e rr e a d i n g s y s t e m ( i r m r s ) i sp a i dm o r ea t t e n t i o nt ob yg a sc o m p a n y ，l a n da g e n ta n dc u s t o m e r s ，a n d l r m r sw i t hv e r a c i t ya n dr e l i a b i l l t yh a sb e c o m ea na c t u a lr e q u i r e m e n t b a s e do na n a l y z i n gm a n yc u r r e n tp r o j e c t s ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa ni r m r sw h i c hf i t s t h es i t u a t i o no f 也ec h i n a t h ei r m r si sc o m p o s e do ft h em a n a g e m e n ts y s t e mo f f r o n t e n d c o m p u t e ra n dt h ed a t a - c o l l e c t i n gs y s t e mo fb a c k ，e n dc o m p u t e r , a n dt h e y c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb vp s t na n dt h es u p e r s t r a t u mc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 w i t ht h ed a t a c o l l e c t i n gs y s t e m ，i t sc o n s t i t u t i o n si n c l u d i n gd a t ac a p t u r e ，d a t ac o n c e n t r a t o r a n dd a t ac o m m u n i c a t o ra r ed e s i g n e di n d e t a i lo nt h e i rh a r d w a r es c h e m ac i r c u i ta n d s o f t w a r ep r o g r a m ，a n dt h eu n d e r s t r a t u mc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e d t h ef u n c t i o n o f t h eo r i g i n a lg a sd a t ac o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n g ，m e m o r ya n dt r a n s m i s s i o ni si m p l e m e n t e db y r s 一4 8 5 w i t ht h em a n a g e m e n ts y s t e m ，t h em o d u l a r i z i n gd e s i g nt h o u g h ti su s e d ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd a t a b a s em o d u l ei sm a i n l yd e s i g n e d i tn o to n l yr e a l i z e s r e m o t er e a d i n go fg a sd a t a ，i n t e l l i g e n tp r o c e s s i n ga n dm n l t i f o r mr e p o r t se x p o r t a t i o n ，b u t a l s oe a r ld or e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ng a sm e t e r sa n do t h e rr e a d i n ge q u i p m e n t t h e p a p e ra l s oa n a l y z e st h eu n r e l i a b l ea n dd i s t u r b a n c ef a c t o r so f t h ei r m r sw h e ni t sr u n n i n g a n ds o m ee r i e c t i v em e a s u r e st oe n h a n c e r e l i a b i l i t ya n da n t i d i s t u r b a n c eo f t h es y s t e m t h r o u g ht h er u n n i n ga n dt e s t i n g t h ei r m r sw ed e s i g n e dw a sp r o v e dt ob eh a v i n ga g o o da b i l i t y , s u c ha se a s yo ni n s t a l l a t i o na n dd e b u g ，r e l i a b i l i t yo nr u n n i n g ，c o n v e n i e n c eo n o p e r a t i n g ，v e r a c i t yo nd a t a - c o l l e c t i n ga n ds oo n i ta e h i e v e st h ep r e c o n c e r t e dg o a l ，m e e t s t h ea c t u a lr e q u i r e m e n t , a n dh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt 1 ep r o j e c t s k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n t m e t e rr e a d i n gs y s t e m ，r e m o t em e t e r r e a d i n gs y s t e m ， 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 m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，r e l i a b i l i t y , a n t i d i s t u r b a n c e 第i i 页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：盈委聋軎叼陴舌月哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 鱼雌乒毗年f 月哆日 南京理1 丈掌硕上论文智能远程抄表系统的设计与开发 1 绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 智熊远程抄表系统的研究背景 近年来，随着科技的进步和人们对信息化要求的提高，建设部陆续颁布了全国 住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) 和住宅远传抄表 系统【6 8 】行业标准等一些指导性文件，确立了信息及智能化小区工程建设的总体目标， 即：在先进的计算机技术、通信技术、控制技术及i c 卡技术基础上【2 ，2 ”，采用系统集 成方法，逐步建立一个沟通小区内部住户与住户、住户与小区综合服务中心，住户与 外部社会的多媒体综合信息交互网络平台。为住户提供一个安全、舒适、节能、高效 的生活环境，实现以家庭智能化为主、可持续发展的，具有2 1 世纪风范的智能化小区。 智能住宅将逐渐在全国范围内得到推广。智能化居住区的主要功能应当体现在快捷、 高效、安全和方便上，智能楼字控制系统中的智能抄表系统是智能建筑优点的充分体 现【3 1 。 而目前，我国城市居民住宅的水、电、气等生活能耗计量收费工作大多采用逐月 或隔月入户验表收费的方式，不仅耗费大量的人力，而且对居民生活也是一种干扰， 有时还给不法分子入室犯罪以可乘之机1 4 5 6 j 。随着改革的深入，住宅商品化的发展， 住宅单元个性化和独立性的增强，这种耗能计量收费方式愈来愈显得与社会发展不相 适应。另一方面，随着科学技术的进步和人们物质文化生活水平的提高，住宅中的家 用电器数量、种类、容量日益增加，相应的水、电、气等生活能耗量也将显著提高。 同时国家建设部在居民住宅相关技术规定中已明确要求必须将3 表( 水表、电表、燃 气表) 出户7 1 。 鉴于上述情况，建立住宅抄表自动化系统成为当前住宅建筑技术，尤其是智能型 建筑中不可缺少的重要组成部分，其具有十分重要的实践意义。 1 1 2 传统自动抄表系统 目前，新建住宅小区有的采用了智能卡读表收费系统，它避免了上门抄表，提高 了小区安全性。智能卡表采用先付费再使用的方式，对供水、供电、供气公司而言， 解决了上门抄表、帐款回收两大难题；对用户而言，它改变了目前用了再算的消费观 第1 页 l 蒋豪璎i 大学娟士潦文 智麓远程抄袭系绩驰设讨+ 与开笈 念，起到节约的积极作用。操作时，用户先将充德卡去小医物监管理处解款，然后瓣 将买承、淹、气翡镰获分溺赣入智能卡袭即可篌瘸。替表泠翅羹按运瘸完瓣，袭具膏 提示功能，但在后期的缎护、孝厅旧、服务和运行费用较高，物业管理郏门要有专人全 天候办理充值业务：对用户而言，先付后用、充假至表内时，需要自己操作，增加了 麻烦。一照智能卡表内部出现故障或者寝内资金嗣完丽用户未注意提示并及时充值， 就会关闭袭其藤阖门，给南户带来裰大钓不使；对供东、供窀、供气公司掰言，智能 卡表麴数撂采集是菲鄹融豹采集方式，纛法及对知道该小区每天鹅镬爝量秽毫低蜂瓣 段的变化，不馒于及时监控、调度和管理【8 1 0 3 5 1 。 而现有的电力载波自动抄表系统，其基本原臻是把水、电、气表的数据通过采集 终端设备将数据谲稍后，通过电力线传送，在接收端解调还原成数据信号，在阐一台 耗电变压供窀薄竭内对臻户绞编垃，并由采集嚣巡霞读取，瞧力载波方式静特点是 利用电力线抟羧，节省资源【l 旧引。但在电力载波的实际应用中，我国的电潮在铸疑数 据过程中没有专用滤波系统，经常淹无线电信号、电磁信号和脉冲信号的干扰，导致 传输数据错码、丢码，在家用电器扁动的瞬间会产生极大的电压，产生许多脉冲信号， 这些于拢信号帮叠搠在鸯蕊上，造成鼗据簧输豹差错，一次掺读成功率较低镣麓奁 人们瘸电滤动频繁麴瓣段) ，弼靠燃差。要勰决我国电阚鲍缝垮发，就必绥舞汝电力 线上的电磁于扰和负载变化产生的干扰问题 9 , 1 0 , t t , 1 2 , 2 3 l 。 另外述有一些其它的自动抄表方式，但是都由于些技术原因和一些实际原因 ( 如价位) ，并没裔发裤出箕应有的簸柒和效益。 1 1 3 智能远程抄表系统 智能远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题，不但能够实 现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能，还具有通断控制功能( 控制中心需 取得通断控制的合法权限) 1 2 6 1 ，同时在系统中增加了各种防护措施，包括防断线、防 强磁干扰、防开启等，能够自动检测断线、强磁干扰、非法检修等状态，并由管理中 心计算机显示【2 7 j 。此外智能采集器预留多个数字采集端口，可采集住户的若干报警信 息并通过软件处理报警信息，为其他系统的集成进入( 如安全防护系统) 留有接口 u 3 , 2 8 1 。 智能远程抄表系统的优越性在于：只要有用水、电、气的地方，就需要计费结算， 通过集中计费系统，可以在不必进入住户住宅的情况下实现完整、合理的分摊与结算 1 6 , 1 6 , 1 7 , i 8 ，并降低抄取数据的费用：由于从读数设备到帐单打印全部采用严密的电子 数据传输，避免了人为读数错误，增强用户对计费计算的信任度h 1 钟，避免了烦琐 的走访式抄表，减少了对用户的干扰【2 岍i ，2 2 j 。 第2 页 鸯袁理芏大学颈论文 智能远程抄蠹嚣缀越设计与开发 1 2 国内外研究现状及其技术方案 2 阐内外研究现状 近年来，围绕着改善收费管理和提高抄表技术的自动化和智能化水平，人们提出 了许多技术方案，主要有：专线、电力载波、无线信道和有线电视宽带网四种方式。 这些方式的主要区别在于采用何种方式实现数据采集层至数据管理层的信息传送| 2 。 通过智能远程抄表系统，供水、供电、供气等部门在营业室内就能直接了解用户的用 量、表状态等信息。智能远程抄表系统系统实行的是先用后付的方式，对供水、供电、 供气公司而言解决了上门抄表难的问题。但由于智能远程抄表系统需要进行布线，一 般限于新建住宅中，在施工时必须与其他系统一起施工布线。用户入住装修时，可能 会将布设墙内的连接线路损坏，此外，由于智能远程抄表系统工作时需要电源，一旦 遇上突发断电等事故易造成数据丢失。 国外对电力线载波通讯技术进行了许多研究【2 8 ，2 9 ，3 | 3 1o 由于发达国家电网运行状况 已非常完善，电网管理水平较高，载波传输速率也比较高，国外电网信号干扰小。因 此，国外的电力载波技术在抄表中得到了很好的应用。多家公司推出了自己的电力线 载波m o d e m 芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。其次，总线制智能抄 嵌方式在国外也较流行，几家大公司如英国a b b 公司、德国m e i l e k 公司及以色列 a r a d 公司在此方面都具有一定优势，并且定做了一体化芯片( 将采集、存储传输电 路集成于一体、掩模为块专用芯片) 、制作固件并装配到表体上1 3 ”。除此之外，国 外的远程抄表系统中无线抄表应用比较广泛，还有采用新的仪表总线的，如美国德州 仪器公司的t s s 7 2 1 a 。它采用欧洲新型总线结构，具有极性可互换，总线拓扑结构 可任意，传输距离远等特点p ”。 据资料介绍1 3 引，在欧洲的这些发达国家中，远程自动抄表系统的应用非常广泛： 在过去的几年内，有成百套的远程抄表装置在意大利、德国和法国安装；英国在1 9 9 8 年安装了一种固定式无线网络( 相对于车载无线抄表) 的智能远程抄表系统。 1 2 2 现有远程抄表系统方案及其特点 我国水、电、气表的计量方式都是一户一表制，这就决定了抄表系统具有如下两 个特点：其一，系统数据采集点多，数据量大：其二，系统是一个覆盖面很广的通信 网络( 采集点具有分散性) 。 目前的智能远程抄表系统的通信信道主要包括：供水、供电、供气管理中心与 集中器的通信信道，集中器与采集器的通信信道。根据两个通信信道的不同特点， 第3 页 南京理工人学硕士论文智能远程抄表系统的设计与开发 几乎所有智能远程抄表系统的系统结构都采用分布式体系结构。这种体系结构分e 下 两层：上层( 管理中心计算机与集中器之间) 数据的采集采用星型结构；底层( 集中 器与采集器之间) 数据的采集采用总线型结构。如图1 2 2 1 所示。 图1 2 2 1 目前的智能远程抄表系统的体系结构图 1 2 2 1 上层星型通信方案 3 4 】 星型通信系统是以安装在供水、供电、供气管理中心的系统工作站为中心，以发 敞的形式分别通过通信信道与分散于各用户区域的集中器连接，形成1 对n 的连接形 式。在这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。根据信 道的介质可分为电话线网、无线通信网、光纤通信网和有线电视宽带网四种模式。 1 、公用电话网 3 5 , 3 6 4 9 , 5 0 】 由于电话网在城镇的普及率非常离，利照现有的电话网进行数据通信是一个经济 有效的方案。粕用嘏话通信，只需程数据集中器和管理中心主梳分潮加装调制解调器 ( m o d e m ) 即可，其通信速率可达2 4 k b p s 、9 。6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。主机对集中器的 烀h q 通过拨号完成，魂可戬褪用专线，毽费掰较高。租用电话线方式进行数獬通信对， 线路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需几秒到几十秒。这方面使得管理中 心无法对曩j 户实嚣亨蕊控，舅一方瑟警集中嚣较多时，租瑶邀话线路多，其稳糟费用跑 很可观，因此不适合大容量系统。 2 、无线通信两骆7 j 3 ，3 9 , 4 0 , 4 1 , 4 2 4 9 】 列鬟无线毫波遴行无线逶售，瓣予范整广、毒鼹分数戆嶷孛器遴行鼗攒遥售是 种较好的选撵。其特点是传输频带较宽，通信容量大( 可达几千台) ，通信距离长( 一 般几十公里，还可邋过中继婊延馋裁更远) 。在逶 予逶售爨，管理中心主援羧铡无线 电台发出呼叫命令，备集中器收到命令后进行地址对比，如地址匹配则发出成答信号， 第4 页 藏未瑷1 走学鞭士论文 智能运程抄豪系统的持待与开发 完成数据链路的建立，然后进行数据通信。使用这种遥信方式，安装谪试方便，主嚣 缺点是需申请频段饺瘸裁，翔渠频羧选择不舍理，稿邻嚣个信遂会产生稆踅予魏。一 般填况下小型无线电台的通镀速率较低，鬻照6 0 0 b p s 或1 2 0 0b p s ，且设餐及安装成 本较高，所以这种通信方式的使用场合有一定艰制，多用于大用户用水、用电、用气 置的无线监控及其管理系统中。 3 、光纤通信网【4 3 , 4 4 , 4 5 , 4 6 , 4 7 , 4 9 , 5 0 光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性能好 等，非常适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现t 形连接，不能实现总线结 构( 除非采用光纤环网技术) ，因此特别适合于星型连接。由于目前光纤星型连接节 点造价高，安装费用也比较高，在智能远程抄表系统中无法采用。随着光纤技术和光 纤网络的发展，不久以后在智能远程抄表系统中借用其它现有光纤通信网进行上层通 信将是一种很好的选择。 4 、有线电视网 4 8 , 4 9 , 5 0 】 基于有线电视网的自动抄表系统一般由r s - 4 8 5 r f 转换器通过r s 一4 8 5 总线连 接同一楼道内的水表、电表和燃气表，将其数据转换成有线电视射频信号，在每个有 线电视台前端由一个有线电视调制解调器将电表数据解调出来，通过以太网传到供电 局数据中心。这种自动抄表系统的优点是传输速率高，一次抄读成功率高，并且传输 r j _ 靠，但要求有线电视网必须是双向系统，这与目前我国大多数地区仍为单向系统的 实际情况尚有差距，目前在一些城市或小区还不完全具备此条件。 1 2 2 。2 底层总线型通信方案f 驯 底层总线型通信系统以一条串行总线连接各分散的采集器或水、电、气表，实现 各节点的互连。这种方式下，信道上节点较多，传输速率不高( 与通信介质有关) ， 传输距离短，不超过2 0 0 0m ，因此一般用于底层水、电、气表数据的采集。常用的 模式有分线式通信、总线式通信、低压电力线载波通信和仪表总线通信等。 1 、分线制通信【4 5 0 】 分线制通信是由采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水、电、气表数据并进 行处理，各采集器之间采用总线制连接，最后连接至计算机。其特点是各户表通过分 户线连接至采集器。目前国内市场上很多开发抄表系统的公司还在用这种方案。 分线制通信模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本( 多户表共享一个采集器) ， 但从实际情况看：分线制集中抄表模式存在如下缺点： ( 1 ) 由于表具的数据是通过户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节 第5 页 南象璃工又学臻士论文 智能远程抄袭系绞妁社封与开发 出现疏漏郜将使采集器采集不到数据，而敷设分户线不仅使安装任务繁重，也存在短 线、断线等隐惠。线路静维护工俸也较因难。 ( 2 ) 采集器均安装予理场，瓣要专业人员调试系绞劳定期巡视维护，维护费用 艘高。 ( 3 ) 在分线制集中抄表模式中，如果聚集器掉电或出现其他严匿故障则会使浚 采集器一t 的所有户表数貉丢失，集中抄袭的矾险无法蠢效分散，与测控系统强调的集 中餐理、分散控裁靛分蠢式设诗愚想捐连蜚。 2 、总线式通信 目前一般采用r s 4 8 5 或l o n w o r k s 技术来构建底层传输网络平台，其技术本身 是完全成熟的。 ( 1 ) r s 4 8 5 网1 , 1 9 , 5 1 1 e i ar s 一4 8 5 是c c i t t 标准化v 11 x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准，该标准采 用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接收端用差分接收器进行信 号判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能好，信号发送频率最高 可达1 0 m h z 。在使用双绞线，信号速率小于1 0 0 k b p s 时，传输距离可达1 2 0 0 m 。r s 4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线便可双向通信，并可方便地构 成点划多点或多点之间的通信网络，一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的 仃点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接1 2 8 个节点。对要求较高的系统可考 虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电冲击的收发器，但在现有建筑中采用 r s 4 8 5 布线较麻烦。 ( 2 ) l o n w o r k s 现场总线 5 2 , 5 3 】 l o n w o r k s 现场总线是国家建设部唯一推荐的可应用于远程抄表的现场总线技 术。l o n w o r k s 抄表节点模块按系统规模的要求有多种型号可供选择，除了实现记录 脉冲输入信号、储存读表数据，并将其送入l o n w o r k s 网络外，还可以通过节点模块 内的继电器输出控制各种开关、电磁阀或电动阀，对水、电、气进行开关控制，使 对实现欠费户停止供应或在火灾时断电断气等功能成为可能。l o n w o r k s 抄表节点在 备用电池方式下可正常工作3 天。 3 、低压电力线载波通信 5 4 , 5 5 , 5 6 , 5 7 , 5 8 , 5 9 。】 利用低压电力线作为远程抄表系统的底层数据通道运行成本低，无疑是非常经济 的方案。在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大后通 过耦合电路耦合到电力线上。信号频带一般为5 0 3 0 0 k h z ，峰值电压不超过l o v ，因 此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经电力线路传输到接收方，接收机通过 第6 页 南京理工人学坝上论文 智能远程抄表系统的设计与开发 稿合电路将高频信号分离国来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原簸二迸涮数 字信号。低压电力线载波通信网的系统结构同r s * 4 8 5 系统结构，采用总线结构。在 两一变箍器区域下，一个集中器采集若干个采集器的数据，构成一个总线黧图。僮跫， 利闫低压电力线j 乍为传输信道还存在干扰、区域线路特性差别大等问题。 首先，电力线上的予貔菲常犬，特别建在角户线路主。饼鲡；丽户家爝电器、开 关电源等产生的高次谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰，各种大功率开 关器件静开关产生静宽频谱静驻波干扰等等。函忿，翔舔静稍予拣，提高遗信匏霹靠 性是首要鸯虑的。其次，不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路 上游负荷耩流舔会辩高额倍号在穰力线上瓣传输特性产生缀大豹影确。甏後是嗣一段 电力线路，其传输特性也会随各种电力负荷的变化而改变，所以通信设备的稳定性和 适应不同线路的能力也很重要。 当前市场上应用于电力线上的调制解调器一般是基于移频键控( f s k ) 调制方式 的，由于传输速率低( 一般不超过2 4 0 0 b p s ) ，而且抗干扰性能差、传输距离短，所 以基本上已经被淘汰，而被广泛使用的是扩频调制解调器。扩频系统分发送端和接收 端两部分，接收端可简化为调制和扩频两个模块。在发送端，信号首先对某个载频进 行调制，调制器输出的窄带已调信号再送到扩频器进行二次调制，输出的信号为宽带 已调信号。由于扩频器是利用高速伪随机码( p n ) 序列对发射信号进行调制，因此 获得的输出信号的谱密度大大地降低了。接收端由解扩和解调器构成，在接收端，利 用与发送端相同的伪码序列对收到的扩频信号进行解扩( 扩频的反变换) 处理，还原 成窄带已调信号，窄带已调信号再经过解调器后得到原始信号。由于扩频信号带宽与 窄带滤波嚣带宽之比越大，信噪比就越大，所以扩频通信是以带宽换取高信噪比，并 提高通信的抗干扰能力，增强通信的隐蔽性的。因此扩频调制方式将是低压电力线载 波通信的发展方向。 4 、仪表总线通信 底层的水、电、气表数据的采集，除了采用以上几种方式外，还有采用新的仪表 总线的，如欧洲现在广泛应用于家庭智能化的e i b 总线( e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb u s ) ， m b u s ( m e t e r b u s ) 总线【6 6 】等，它们是专为家用仪表数据传输而设计的总线系统。 美国德州仪器公司的t s s 7 2 1 a 1 6 4 , 6 5 1 ，它采用就是m b u s 总线结构，具有极性可互换， 总线拓扑结构可任意，传输距离远等特点。目前这种通信方式在国外有较多应用，国 内应用的很少。 第7 页 南京理工人学硕上论文智能远程抄表系统的设计与汗发 1 3 论文的主要研究内容及其意义 1 3 1 论文的烹要工作 本文的主要研究工作是在南京瑞迅电子技术有限公司已开发并成功应用的第一 代产品i c 卡抄表系统的基础进行的。在推广该i c 卡抄表系统的过程中，很多燃 气公司都有实施智能远程抄表系统( i r m r s ，即i n t e l l i g e n tr e m o t em e t e rr e a d i n g s y s t e m ) 的需求，主要表现在： 目前他们采用的一部分仍是人工抄表，另部分则是采用i c 卡抄表，都比较 耗费人力。实旌i r m r s 系统，在办公室就能直接读取住户的用气量，避免跑到小区 乃至住户家里去抄表，省事省力； 住户不希望抄表员每月都进入他们的住宅，这影响了他们的正常生活； 同时他们又对i r m r s 系统本身提出了如下需求： 系统能够实现燃气表的远程查抄、计量、收费、报表打印等功能，还紧密联系 实际，与异常处理相补充，对实际中的异常情况能进行有效的处理。数据能够以一定 的格式导出或上传到银行； 系统具有故障的远程检测功能，可以随时对用户的燃气表以及底层的设备进行 监控，及时发现并排除故障； 系统应具有较高的可靠性和抗干扰性，采集到的数据准确； 系统应具有较好的可扩展性，随着住户安装数的增多，系统在一定范围也应 能满足需求； 本文在有这种需求的情况下，同时在分析了现有的各种远程抄表方案的基础上， 针对其他抄表系统存在的问题，设计一套适合我国国情的i r m r s 系统。该系统主要 针对燃气行业，通过软件和硬件两方面的设计来达到整个系统的智能化。 本论文主要从以下内容进行研究与设计： 对系统进行总体设计，确定总体设计原则，并在此基础上给出系统的总体方 案，包括系统的实现框图、各组成部分功能及其技术参数和通信网络的选取； 对系统的上位机管理系统进行设计与开发，通过管理系统的系统设计，划分 出功能模块，选取开发与运行环境，然后对各模块进行独立设计，充分利用软件来代 替硬件实现更多的功能； 对系统的下位机采集系统进行设计与开发，通过采集系统的系统设计，分析 底层通信模式，设计底层通信协议，然后对底层的各个设备分别进行设计，包括软硬 件两方面，重点考虑了系统的可靠性和抗干扰性； 第8 页 南京埋工大学硕十论文 智能远程抄表系统的设汁与开芨 搭建试验平台，对系统进行调试运行，分析获取的试验数据，验证系统的可 靠性和准确度； 1 3 2 课题的意义 本i r m r s 系统是利用当代微机技术、数字通讯技术与燃气表的计量技术圆满结 合，集计量、数据采集、处理于一体，将城市居民用气信息加以综合处理的系统，可 以实时的采集用户用气量，及时发现有故障的燃气表，使燃气公司从根本上减少人工 上门抄表的繁杂劳动强度。准确而便捷的收费系统，既可节省人工又可减少燃气公司 与客户之间的纠纷，它不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代用户对用气缴费 的新需求。因此，本课题的选择具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。 第9 夏 南京_ f 里工大学硕十论文 智能远程抄表系统的设计与开发 2l r m r s 的总体设计 总体设计的目的就是在把握设计原则的前提下，给出系统的总体方案，确定累统 懿差要蠖戆掺标。本牵主爱鼹系统熬设计缀曼l 积憨钵方寨巍方嚣来讨论。 2 1 设计原则 在设计1 r m r s 系统时，必须依据一定的设计原则8 9 1 ，这样才能达到预期的目标， 并且符合燃气行业的要求。本系统设计依据主要是建设部2 0 0 4 年1 2 月1 闷实施的住 宅远传抄表系统行业标准g t t 1 6 2 2 0 0 4 ，并结合南京瑞迅电子技术有限公司的企 业标准制定的，主要包括可靠性、准确度、实用性和智能化等方面： 2 1 1 可靠性原则 可靠性是本系统的基本要求。在实际使用中要求系统具有抗恶劣工作环境的能 力，无故障工作时间长，通信过程中数据传输可靠等特点。 最终衡量抄表可靠性的指标是一次抄表成功率，即按下列公式计算系统对所属用 户表的累计值抄读的一次抄读成功率研： 一次抄表成功率= 二写蒜器1 。 ( 2 1 1 ) 在连接的网络无故障条件下，系统的一次抄读成功率应 9 9 。 因此，在元器件与参数的选择、电路硬件设计、电源系统设计、数据采集器及数 据集中器的软硬件设计、外包装的结构设计中都要考虑其可靠性。为保证这一要求， 对重要部件，如数据采集器和数据集中器要进行老化测试和高低温测试，软件上确保 对系统故障能自检、自诊断，外包装结构要坚固，不易损坏。 2 1 2 准确度原则 准确度是本系统的内在要求，是在满足可靠性的基础上提出的。在对基表进行数 据采集的过程中，必须保证采集数据的准确度，否则系统的其他性能再好，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。 精确度的衡量标准【6 明是抄表系统读出的用户用燃气量v 、。与用户燃气表基表读 出的用户用燃气量v 、。之间的差值应满足如下关系： 第1 0 页 南京理工大学硕士论史智能远程挣袁系统的设计与开发 ( 。一。，) 一( 。一。) | 疆( k 。一。) 十l x l 0 _ “+ y 气) ( 1 0 懊( 2 2 ) 式中： 。试验结束爵剡f = f ，系统读蠢静爝燃气量。酶篷； 。试验结束时刻f = ，燃气表藻表读出的用户用燃气艇。的值； ( ；+ 。，) 试验结束薅麴t = f 。，系统读磁翡麓热气量与燃气表蘩表读嬲懿 用户用燃气量的麓； 。试验开始时刻r = f 。，系统读出的用燃气量。的值； 。试验开始时刻f = “，燃气表基表读出的用户用燃气量。的值； ( 。一。) 试验开始时刻f = t 。，系统读出的用燃气量与燃气表基表读出的 用户用燃气量的差； ( 。一。) 试验期间，即t = 一f 。，燃气表基表读出的用户用燃气量 ”。的值： 0 0 2 骺一燃气表基表的误差系数( 注：试验室条件下取燃气表基表的误差系数 为o 0 2 ，现场条件下取燃气表基表的误差系数为o 1 0 ) ； a 。用户燃气表基表的小数位数； 以系统燃气读数的小数位数； ，。系统燃气读数进位误差， 当【( 。一。) 一( k 。一。) 2 0 时，h = 0 ； 当【( ，一。，) 一( ，。一。) 1 旦 望竺些竺! 竺j 熏秒 响鏖旦鉴 l y 初 显示成功消息 i o d e m 处于l 动应答状态 挂机 始化端口出错 显示出错消息 m o d e m 初始化出错 显示出错消息 f 增加初始化次数k r 一 巫多恕! ! ! ! 兰：岁 j l 一 终止对m o d m 的初始化j 结束 ) o 一给出无法通信的信息 图3 2 3 1 通信初始化模块流程图 第2 3 页 南京理工大学硕十论文 智能远程抄表系统的设计与开发 3 2 4 通信链路建立模块 3 2 4 1 模块功能概述 该模块负责在管理中心计算机和下位机采集系统之间建立远程通信链路。具体实 现时，先对m o d e m 进行初始化，初始化成功后通过拨号与小区通信机建立通信连接， 而小区通信机始终和小区内的所有数据集中器相连接，从而实现上位机与下位机的远 程通信。 3 2 4 2 模块流程图 实现通信链路建立的流程图如图3 2 4 1 所示。 图3 2 4 1 通信链路建立模块流程图 第2 4 页 南京埋工大学颂士论文 智能远程抄表系统的设计与开发 3 ，2 5 发送与接收模块 该模块包含了发送命令帧和接收应答帧两个过程，涉及到发送线程的设计。 3 2 51 模块功能概述 管理中心计算机通过该模块发送控制命令帧到下位机采集系统，下位机采集系统 返回的应答帧也通过该模块存入相应的数据库，并进行适当的显示。 3 2 5 2 模块流程图 发送与接收模块的流程图如图3 2 5 1 所示， 图3 2 5 1 发送与接收模块流程图 第2 5 页 南京理工大学硕士论文智能远程抄表系统的设计与开发 发送与接收过程的实现方法如下： 接收：从串口读取数攒一校验靼校验一翻译数据一存储并显示数据； 发送：获取数据一转换、封装帧( 加校验和) 向串瞄写数攒。 32 ，5 3 发送线程的设计 软件实现过程中采用了多线程技术，以便用户在与下位机采集系统进行通信的同 时能够进行其他操作，从而增加了使用的便捷性和灵活性。但在多线程中，除了对数 据库的存取外，d e l p h i 对于多线程的数据存取并不能确保其安全性，因此在本线程中 采用互斥方式来实现线程同步，主要目的是为了防止数据流顺序发生错误。下面对实 现发送线程的t s e n d t h r e a d 类的各个函数作一简要说明： 功能：用于创建一个t s e n d t h r e a d 线程，初始化受量，并从数据厍中取出相应的 数据以便形成控制命令发送到下位机采集系统。 融觚j 商纂e 熊紧熟e 戆莺嚣豢爹霉。o 。；蠢”一 功能：当线程执行完，进行自行销毁； 砸商薅黪黉楚辩蕤嚣满遵翥囊篱豢囊 篡寒黎誊愁豢羹0 _ ；_ 功能：将在e x e c u t e 过程中获取的信息按要求生成控制命令。 t 黪? 霹熬熬蘸粪。一；黪* 辨豁z 蔫嚣臻绺，j 赫銎 功能：将在g e n e r a t e p a c k a g e 形成的控制命令发送出去，在命令发出后，等待最 长2 秒钟，如无返回或返回错误，则进行重发，最多发送3 次。其中调用了 g e t a c k p a c k a g e 函数。 ，竺譬竺蔓墨墅鎏鹫黼骥穗整_ i 蕊攀? i 誊藜 功能；接收下位机采集系统返回的数据包，并进行相应的处理。其中调用了 p o s t a c k p a c k a g e 函数； p 高t 0 6 ，e a ；a 。 潦戆囊黼鞭麟蘩鬟蒸 功能：对返回的数据包进行存储并作相应的显示 蛳秭蠛骥落蒸蓊蘩篱豢蓉鬻鎏器港 功能：对返回的数据包进行校验，只有校验通过，才会存储数据包； 岬叫蘸褥戮鬻藕辫麓夔鬻辫鬻 功能：生成相应的控制命令，调用s e n d p a c k a g e 函数来完成整个通信过程，其中 第2 6 页 鬻。葱囊 南京理工大学顿士论文智能远程抄表系统舶设计与歼发 f r e e o n t e r m i n a t e 属性置为t r u e ，以便线稔执行完国动释放资源。 3 。3 数据瘁模块设计 该模袋翡设诗镪括数撩瘁熬设计稻数穗疼匏安溪。 3 3 1 数据库的设计 数据库的设计包括系统数据流图的绘制和数据库的结构设计。系统数据流图是根 据用户的日常工作流程，绘制出系统的各个操作节点，对每一个操作节点，绘制出与 该操作关联的数据。然后根据数据流图分析系统的数据字典，即总结出系统管理流程 中使用到的所有数据以及包含的数据项。最后设计数据库结构，即根据前面得到的数 据字典，为数据库规划需要的所有数据表，并设计出每个数据表的详细结构。 3 3 1 1 系统数据流图 根据系统的功能需求和日常抄表管理流程，本系统的数据流图如图3 3 1 ，i 所示。 jj o 登录 系统管理员，抄表员 系统管理员 系统管理员 系统管理员 系统管理员 系统管理员渺表员 系统管理员，抄裹员 壅堡嬖銎虽堂垂 系统管理员，抄表员 系统管理员，抄表员 系统用户登录 系统用户管理 小区信息管理 用户信息管理 抄表设备管理 远程通信管理 远程抄表 远程检测 远程设置 数据处理 异常处理 查询与报表 系统用户信息 小区、楼栋和通信机信息 住户信息 集中嚣、采集器、通道信息 小区和通信机信息 通信机、集中器、采集器、通道、住户信息 抄袭数据( 包括正常与异常数据) 通信机、集中器、采集器、通道、住户信息 抄表数据，单价数据、住户信息 异常数据 历史鼓据、住户信息 图3 , 3 1 1 系统数据流图 根据系统数据流图以及系统功能需求，总结出以下的数据字典： 系统用户信息：包含系统用户名、登录口令和用户级别代码； 小区基本信息：包含小区编号、小区名称、小区地址、小区通信机编号、小区通 信机电话号码等； 住户基本信息：包含住户编号、住户姓名、住户门牌号、电话号码、联系地址、 基表地址等； 第2 7 页 南京理t 大学硕士论文 智能远程抄表系统的设计与开发 集中器基本信息：包含集中器编号、小区编号、集中器名称、集中器地址、集中 爨安装谊鬟等； 采集器基本信息：包含采集嚣编号、小区编号、集中器编号、采集器名称、聚集 嚣地址、袋集嚣安装位置簿； 通道慕本信息：包含通道编弓、小区编号、蘸中器编号、采集嚣编号、通道号、 住户缡号、基表翅始底数等； 抄表数据：包含集中游地址、采集器地址、邋道号、装底数、表状态、表常数、 抄表日期、抄表时闻、处镤结果镣； 异常数据：包含集中器地址、采集器地址、通道号、寝底数、表状态、表常数、 抄表日期、抄表时闼、异常代码、处理结果等； 单价数据：包含名称、单价、定价爵潮等： 本期数据：包含用户编号、綦表地址、上期示数、本期示数、表状态、表常数、 抄袭日期、掺表辩阊、异常估数、换表估数、本黼雳量、擎价、零期费丽等； 历史数据：包含用户编号、基表地址、本期示数、异常估数、换表估数、本期用 量、单价、本赣费用、表状态、袭常数、抄表露麓、是否缴费、缴费日期等； 3 3 1 2 数据库结构设计 按照前面得到的数据字典，设计出系统数据库中的各个数据表，包括系统用户信 息表、小区基本信息表、楼栋基本信息表、住户基本信息表、集中器基本信息表、采 集器基本信息表、通道基本信息表、抄表数据表、异常数据表、单价数据表、本期数 舢表和历史数据表等数据表。以本期数据表为例，其表结构属性如表3 3 1 2 所示。 表3 3 1 2 本期数据表的表结构属性 字段名称 类型大小索引说明 i d b i g i n t 8是自动增长 z h b hc h a r 8 是 住户编号 b d zc h a r 8 是基表地址 s q s s s m a l l i n t 2否 上期示数 b q s s s m a l l i n t2否 本期示数 y c g s s m a l l i n t 2否 异常估数 h b g s s m a l l i n t2否 换表估数 b z tv a r c h a r 8否 表状态 b c sv a r c h a r 8否 表常数 c