（控制理论与控制工程专业论文）基于gprs的自动抄表系统的设计与开发.pdf

j 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 删嗍 y 1 8 2 7 9 g 学位论文完成日期：z 1 21 ：；：兰益 指导教师签字：之尘到监 答辩委员会成员签字： 独创声明 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，也不包含未获得 ! 洼! 翅遗查墓丝盂噩挂剔主明的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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。 学位论文作者签名：狼易序签字日期：吖。年f 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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 授权学校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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：揖乏压 签字日期：驯。年s 月。 日 导师签字：乡辱以 签字日期：弘p 年广月r 日 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 摘要 自动抄表系统( a m r s ) 主要完成数据的抄取和传输，给水、电、气的自动化管 理带来了极大的便利，它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端。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。 本文对基于g p r s 无线网络的远程自动抄表系统的设计方案和实现方法进行 了研究。结合近年来国内外远程抄表技术的研究与发展，本文对现有的各种抄表 方式进行了综合比较，提出一种目前最适合我国国情的抄表方式即r s - 4 8 5 和 g p r s 复合通信方式，并进行研究和系统设计。本论文主要包括以下几个方面： 1 应用了一款单相脉冲电能表，该表提供与用电量成正比的脉冲群，利用单 片机对其进行采集、处理、存储。在电能表外围设计了时钟电路，以便记录采样 时间，可以根据时间记录获取某一时刻用户的数据，也可以查询数据出错的时间。 2 采集器的设计包括主控制器及其外围电路，包括电源电路、存储单元、时 钟单元及接口电路。其主控电路采用了a t m e l 公司具有低功耗、高性能的8 位 c m o s 单片机a t 8 9 s 5 2 作为主控制器，完成对数据的采集、存储及通信功能。 3 集中器的设计包括主控制器、电源电路、存储单元、时钟单元、g p r s 模 块和接口电路构成。为了实现g p r s 通信，在集中器中安装了g p r s 模块_ m c 5 5 无线模块。 4 对电能表外围硬件系统、采集器、集中器进行软件设计，包括时钟流程、 读写时钟流程、应用协议、采集器接收执行指令流程、采集器抄表流程、a t 指 令控制流程及g p r s 通信流程。 系统实现了远程监控中心对数据的自动抄录，并具功耗低、成本低、实现简 单、可升级、易扩展等特点。本论文的创新之处在于能够实时的记录存储用户的 用电信息，根据这些信息，可以在很短时间内查出偷电漏电行为及用户用电过程 中出现的问题，并且添加了铁电存储器以实现高频率的读写。 关键字：自动抄表系统；集中器；采集器；g p r s 模块 t h ed e sig na n dt h ed e v eio p m e n to fa u t o m a ticm e t e r r e a din gs y s t e mwit hg p r s a b s t r a c t a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r s ) w a sc o m p l e t e df o rd a t aa c c e s sa n d t r a n s m i s s i o no fc o p y , w h i c hb r i n g sg r e a tc o n v e n i e n c et ow a t e r , e l e c t r i c i t ya n dg a s a u t o m a t i o nm a n a g e m e n t ，f u n d a m e n t a l l y , o v e r c o m i n gt h ed r a w b a c k so ft h et r a d i t i o n a l m a n u a lm e t e rr e a d i n gm a n n e r t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，o w i n gt oi t sl o wc o s t o fc o n s t r u c t i o n ，h i g ht r a n s f e rr a t e ，h a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n ， w h i c hh a sb e c o m ea ne f f e c t i v ec o m p l e m e n tt ow i r e dd a t at r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eg p r sw i r e l e s sn e t w o r ko fr e m o t ea u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sw e r es t u d i e d c o m b i n a t i o no ft h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rr e m o t em e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a di n r e c e n ty e a r s ，v a r i o u so fm e t e rr e a d i n gm a n n e r sa r ec o m p a r e d ，a n dt h i sp a p e rs u p p l i e s ac o m p o u n dc o m m u n i c a t i o nm a n n e rw i t hr s - 4 8 5a n dg p r s t h ec o n t e n to ft h i s p a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 1 t h es y s t e mu s e sas i n g l e p h a s ep u l s ee n e r g ym e t e r , w h i c hp r o v i d e sp u l s et r a i n i np r o p o r t i o nt oe l e c t r i cq u a n t i t y , a n dt h ep u l s ei sa c q u i r e d ，p r o c e s s e d ，s t o r e db ys c m i no r d e rt or e c o r dt h es a m p l i n gt i m e ，i td e s i g n sac l o c kc i r c u i t ，a n da c c o r d i n gt ot h e r e c o r d i n g sw ec a na c q u i r et h eu s e r sd a t aa tac e r t a i nt i m ea n dq u e r yt h et i m eo f w r o n g d a t a 2 c o l l e c t o rd e s i g ni n c l u d e st h em a i nc o n t r o l l e ra n di t s p e r i p h e r a lc i r c u i t s ， i n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，m e m o r yc e l l ，t h ec l o c ku n i ta n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t t h em a i nc o n t r o lc i r c u i tu s e s8 一b i tc m o sm c ua t 8 9 s 5 2o fa t m e lc o m p a n y , w h i c hi sl o w - p o w e r , h i g h - p e r f o r m a n c e ，u s i n gt oc o m p l e t ed a t ac o l l e c t i o n , s t o r a g ea n d c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s 3 c o n c e n t r a t o rd e s i g ni n c l u d e st h em a i nc o n t r o l l e r , p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，m e m o r y c e l l ，t h ec l o c km o d u l e ，g p r sm o d u l ea n di n t e r f a c ec i r c u i t i no r d e rt oa c h i e v eg p r s c o m m u n i c a t i o n s ，i n s t a l l e dm o d u l e s m c 5 5g p r sw i r e l e s sm o d u l ei nt h ec o n c e n t r a t o r 4 t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ee n e r g ym e t e rp e r i p h e r yh a r d w a r es y s t e m ，c o l l e c t o r a n dc o n c e n t r a t o ri n c l u d e st h ec l o c k p r o c e s s ，r e a d i n ga n dw r i t i n gc l o c kp r o c e s s ， a p p l i c a t i o np r o t o c o l ，t h er e c e i v i n g e x e c u t i n gp r o c e s so ft h ec o l l e c t o r , m e t e rr e a d i n g p r o c e s so fc o l l e c t o r , a tc o m m a n da n dg p r sc o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s t h es y s t e mr e a l i z e st h ed a t a sa u t o m a t i ct r a n s c r i p t i o nf o rt h er e m o t em o n i t o r i n g c e n t e r , w h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c sw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，s i m p l e ， s c a l a b l e ，e x t e n s i b l ea n ds oo n i n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st h ea b i l i t yt or e c o r da n d s t o r et h er e a l t i m ee l e c t r i c i t yi n f o r m a t i o no ft h eu s e r s ，a c c o r d i n gt ot h i si n f o r m a t i o n ， y o uc a nf i n do u tt h em a n n e ro fs t e a l i n ga n ds h o r t i n ge l e c t r i c i t yi nav e r ys h o r tp e r i o d ， a n da d d i n gf r a mt or e a l i z eh i g hf r e q u e n c yo f r e a d i n ga n dw r i t i n g 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 ；c o i i e c t o r ：g p r s m o d t j i e 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 目录 1 绪论1 1 1 自动抄表系统的背景与意义 1 2 自动抄表系统的发展及现状 1 3 系统结构形式的发展 1 4 本课题的研究意义与主要内容 2 自动抄表系统的整体构建7 2 1 各种自动抄表方式的比较7 2 1 1 基于r s 一4 8 5 总线抄表7 2 1 2 基于低压电力线载波抄表7 2 1 3 基于红外抄表8 2 1 4 基于无线电波抄表9 2 1 5 基于以太网抄表1 0 2 1 6 基于g s m g p r s 网络无线抄表，1 0 2 2 方案设计1 2 2 2 1 抄表方式选择1 2 2 2 2 整体构建1 2 3 系统的硬件设计1 4 3 1 电能表外围硬件系统的设计：1 4 3 1 1 单相脉冲电能表1 4 3 1 2 时钟电路部分1 5 3 1 3 存储单元部分1 7 3 1 4 电源电路部分1 9 3 1 5 主控电路2 0 3 2 采集器的硬件设计2 2 3 3 集中器的硬件设计2 3 3 3 1g p r s 模块2 4 3 3 2 集中器电源设计2 8 3 3 3 集中器主控电路2 9 4 系统的软件设计3 1 4 1 智能表的软件设计3 1 4 1 1 脉冲采集流程3 1 4 1 2 读写时钟流程3 2 4 1 3 系统的应用协议3 4 4 1 4r s 一4 8 5 通信协议3 5 4 2 采集器的软件设计3 7 摹于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 4 2 1 采集器接收执行指令流程3 7 4 2 2 采集器抄表流程3 8 4 3 集中器的软件设计3 9 4 3 1a t 指令控制流程4 0 4 3 2g p r s 通信流程4 2 5 总结与展望4 6 5 1 总结4 6 5 2 展望4 6 参考文献4 8 附录5 0 致谢5 6 硕士期间发表论文，5 7 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 1 绪论 1 1 自动抄表系统的背景与意义 随着我国国民经济的迅猛发展，资源消耗越来越惊人，一些经济发达的省份 用电己经十分紧张，一旦出现高温天气，更是频频发生拉闸限电。而且随着人们 生活水平的不断提高，人们对电力的需求己经不仅仅于满足日常生活的需要。良 好的供电质量和服务水平成为电力改革当中首先狠抓的大事。在电力管理发展过 程中，原来以拉闸限电为目的的负荷控制( l m s ) 逐渐向需方管理( d s m ) 方向过渡， 电力部门为提高供电质和服务水平迫切地需要有一套完善的电网电能管理系统 对与用户直接相关的电压电网运行状态进行实时监测，便于及时掌握电网运行的 情况，适时根据供电需求的增长调整电网负荷，及时发现和定位电网故障，发现 异常供电和异常线损，杜绝供电隐患。为了提供更好的供电质量和供电服务，电 力部门需要从用户处尽快获取更多的数据信息。 我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费， 再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着电力市场的 不断扩大，人工抄表方式的弊端越来越突出，主要表现在： ( 1 ) 传统人力抄表方式，不能精确记录每一家用户在具体每一天的电表数据； ( 2 ) 报表生成周期长，统计结果分析慢，获得结果不能及时反映系统用电量 需求分布： ( 3 ) 电表数据抄取周期较长，无法获得同一时刻所有用户的电表数据，使得 电表数据的获取具有不精确性和时间段的模糊性，导致电网用电量的时空分 布结果可信度不高； ( 4 ) 传统抄表系统难于对用电网中存在的漏电、窃电的可能和行为做出估测 和确认。 传统人力抄表和数据分析系统的上述局限，迫使人们寻找一种高效率、高可 靠性的抄表手段，以便能够在较短周期内抄取用电台内所有用户电表的用电数 据，完成用电数据的计算和统计，并可供用户随时查询，更进一步地，可以对用 电网内用户用电量在时、空间上的分布做出估算，并可初步判定可疑漏、窃电用 户所在区域。 远程自动抄表系统是不需要人员到达现场，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 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 信息数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统。它具有以下主要特点： 高效率：电力网供电长期以来依靠人工对大量的工农业和生活用电数据进行 抄取，浪费大量人力、物力，效率极其低下。而自动抄表则可以将人力从这种繁 重的重复劳动中解脱出来，获得极佳的经济效益。 数据处理周期短，时效性好：使用自动抄表系统，可以在无人值守的情况下， 每天定点对监控区域范围内的用户用电数据进行抄表，同时对所有数据进行存储 和分析处理。实际上，大多数日常操作，都可以在无需人工干预的情况下，在数 据抄到的当天完成，工作人员上班后各类必须的报表都已经生成完毕。这比起传 统的人工统计、分析抄表数据和生成报表，工作周期大大缩短，数据信息的时效 性要好得多。 抄表数据精确度高，可信度好：传统人工抄表方式依靠人工对辖区内的每个 用户一个一个地抄读，不可能获得同一时刻所有用户的用电情况，使得电表数据 的获取具有发散性和时间段上的模糊性，导致电网用电量的时、空分布结果的可 信度降低。而且，人工抄表数据的准确性和精确程度也无法和自动抄表系统相媲 美。 保护用电单位的安全，减少纠纷：传统人力抄表需要专门的抄表人员到用户 电表所在地抄读数据，容易引发安全问题。传统人力抄表方式，不能精确记录用 户在具体每一天的电表数据，因此当用户和供电单位发生经济上的纠纷时，供电 单位无法提供有力的证据来说服用户，解决纠纷。另外，传统抄表系统难于对电 网中存在的窃电可能和行为做出估测和确认。而所有这些问题在g p r s 抄表系统 中都得以避免或减轻。 成本低：g p r s 抄表系统不需要另外铺设用户电表的数据线路，而是使用现 有的输电线和移动网络传递数据和控制命令。只需要每个用电区内配备一套 g p r s 抄表系统，在用户家中安装智能电表，就可以正常运行，无需对现在的供 电网进行大规模改造，大大降低了系统的建设成本。 g p r s 远程自动抄表系统的上述特点，决定了它具有极强的生命力和很大的 市场应用前景，使之成为供电系统技术改造中的一个热点。 1 2 自动抄表系统的发展及现状 从2 0 世纪6 0 年代起，一些发达国家就开始着手研究低压电力用户的自动 抄表系统。最初开发是为了迅速从用户处获取更多的数据信息，如电能需量、分 时需量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。2 0 世纪9 0 年代，随着计算机技术和通讯技术的普及，不少厂家提出了基于r s 一4 8 5 通讯的自动抄表系统，但需要铺设专用的通信通道。9 0 年代后期，少数国家在 2 基于g p r s 的自动抄表系统的设计弓开发 低压载波技术上取得了突破性的进展，推出第三代自动抄表系统( 即低压载波远 程自动抄表系统) ，充分解决了在低压配电线路进行数掘通讯的抗干扰问题，使 系统的工程应用成为现实，同时，第三代自动抄表技术也成为国际主流。但是自 动抄表技术尚未形成统一开放的标准，在国外的抄表系统都是针对本地电网特 性、电网结构，在国内使用都难尽如人意。现有的远程抄表技术由于受到技术、 经济的制约，不管是在理论上，还是在众多厂家的大量实践中，都发觉存在各种 问题。客观地说，到目前为止还没有一个全面、系统、适合实际的解决方案，其 中主要反映在系统信息传输的技术和经济瓶颈上。利用快捷、可靠、免维护和相 对低廉、并且逐步降价的公共无线网络来传输各种公共信息，成为业内人士的普 遍共识。 目前我国国内所采用的抄表方式大致可以分为三种。一是传统的人工抄表方 式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。二 是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门 购买磁卡、i c 卡等，按购买额提供用量，完成收费工作。三是远程抄表方式， 监控中心通过远程通信系统( 例如公用电话网、电力线载波、数据网等) 自动获 取远程仪表数据的方式。当前在我国国内大量使用的仍然是传统的人工抄表方 式，部分地区己经开始了远程抄表的试点。我国电力工业自动化发展水平也在不 断发展，其中高压输电网的自动化程度已经比较高，能量管理系统( e m s ) 在我 国高压输电网中的应用已经相当普遍。因此，在我国电力网络中、低压配电系统 加快实行电力自动化工程是一个必然的趋势。电力系统中推行远程自动抄表是电 力企业提高服务质量的有效手段，是推行电力企业市场化运作的关键技术。 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚。2 0 世纪8 0 年代初才开始研究远程 自动抄表系统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自 动化抄表方式并存的格局。进入9 0 年代以后，国内许多研究机构和企业纷纷投 入对自动抄表技术的研究，并有多种自动抄表系统陆续问世，这标志着我国自动 抄表技术应用的起步。今天，抄表系统己经由当初的研究转到商业用途，已有很 多的厂家能够提供商业系统，尽管还有一定的缺陷。国内从9 0 年代开始，越来 越多的研究机构和企业对自动抄表技术进行了研究，到现在己经有不少的厂家能 提供这方面的产品，并取得了一定的经济效益和社会效益。 二十一世纪是网络化时代，在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速 发展下，自动抄表方案也层出不穷。各种方案都有其特点，有其相适应的应用环 境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬 长避短，发挥更大的优势。 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 1 3 系统结构形式的发展 由于体积大，电源处理不方便，采集器设在表内很不现实。只好放在表外， 集中采集，而且可以降低成本。慢慢地形成了目前已成为主流模式的“脉冲表+ 采集器”的集中抄表系统部分结构。 随着市场在扩大，单字节地址往往不够用了，可是又不想淘汰原来的设备和 整个体系，于是就在系统结构中增加了一个集中器，变成了“脉冲表+ 采集器+ 集中器 的架构。 分线制抄表系统，即由采集器定时顺序采集来自多路分线连接的电表信号并 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，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：由于电表的信号 是通过户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节出现疏漏都将使采集器 采集不到数据，而敷设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患：短线、断 线。错综复杂的线路更使维护工作困难重重。采集器均安装于现场，需专业人员 调试系统并定期巡视维护、专业队伍日益“壮大”，维扩费用也相应剧增。 分线制集中抄表模式的风险不仅以是各表风险的简单累加。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，与测控系统强调的集中管理、分散控制的分布式设计思想相违背。 总线制智能抄表系统，开发由来已久，只是由于单表内设单片机和后备电源， 成本较高，推广普及较慢。 总线制智能表由于采集计数工作单元均装配在智能表计内并密封，表计的数 据采集、处理、存储、等基础工作全由智能表本身完成，手抄器或电脑不参与底 层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。另外因智能表引 出的总线通、断不影响单表数据采集和保存，也不影响其它表数据的读出，即使 本次读数时该表总线出现故障，只需重新挂接好总线，无需重新置数，表计的真 实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。由于各路输出的总线只 需挂接，可以减少分线制抄表方式大量烦琐的布线、系统调试任务以及后期使用 过程中线路、系统维护等繁重劳动强度，也方便高层次设计如网络结构的设计、 与其他系统( 如安防、照明、空调、消防) 共享开放式网络的设计，进而为用户提 供完善、综合的配套服务。 4 幕fg p r s 的自动抄表系统的发计j j 开发 1 4 本课题的研究意义与主要内容 为了在较短周期内抄取所有用户电表的用电数据，完成用电数据的计算和统 计，并可供用户随时查询，更进一步地，可以对用电网内用户用电量在时、空间 上的分布做出估算，并可初步判定可疑漏、窃电用户所在区域。本课题提出了一 种基于r s 一4 8 5 与g p r s 复合通信的远程抄表系统，并在硬件部分添加了实时时钟、 用户信息存储单元。整个系统实现了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，具有很多的优点：高 效率、数据处理周期短、时效性好、抄表数据精确度高、可信度高等。 主要研究内容如下： 一、系统的硬件设计 1 电能表外围硬件系统 系统的最前端应用了单相脉冲电能表，提供与用电量成正比的脉冲群，利用 单片机对其进行采集、处理与存储：并添加了实时时钟电路，实现了对用户用电 信息的时间统计；为了防止用户用电信息的丢失，设置了专门的存储单元，系统 选用r a m t r o n 公司的铁电存储器f m 2 4 c 6 4 作为用户信息的存储芯片。 2 采集器硬件系统 采集器的硬件部分包括主控制器及其外围电路，包括电源电路、存储单元、 时钟单元及接口电路。其中电源电路、存储单元以及时钟单元的设计与电能表外 围电路相同。其主控电路采用了a t m e l 公司具有低功耗、高性能的8 位c m o s 单 片机a t 8 9 s 5 2 作为主控制器，完成对数据的采集、存储及通信功能。 3 集中器硬件系统 集中器硬件部分包括主控制器、电源电路、存储单元、时钟单元、g p r s 模 块和接口电路构成。主控制器及其外围电路与电能表外围硬件电路相同。为了实 现g p r s 通信，在集中器中安装了g p r s 模块_ m c 5 5 无线模块。 二、系统的软件设计 1 智能表的软件设计 智能表的软件设计主要包括脉冲采集、读写时钟及采集器与智能表之间的通 信协议。脉冲采集就是采集电能表输出的脉冲，并转换成数值，加以存储。系统 的所有工作都离不开时钟，抄表和执行指令的同时还需要记录当前的时间，为了 保证系统时间的准确性还需要定时校时。因此，时钟单元的软件设计包括写数据 和读数据。 2 采集器的软件设计 采集器的软件设计主要包括两个方面，一方面向智能表发命令进行能耗抄取 和存储；两一方面接收集中器的命令并进行处理，包括参数设置、抄表、校时， 5 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 然后向集中器发送应答。 3 集中器的软件设汁 集中器的软件设计包括三个方面，一是接收主站发来的命令进行处理，二是 根据需要把这个命令向其下一级站点的采集器转发，三是等待接收采集器发来的 应答命令，向主站应答。 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 2 自动抄表系统的整体构建 2 1 各种自动抄表方式的比较 2 1 1 基于r s - 4 8 5 总线抄表 r s 一4 8 5 的接口是t l a e i a 一4 8 5 所描述的接口。r s - 4 8 5 收发器采用平衡发送 和差分接收，即在发送端，驱动器将t t l 电平信号转换成差分信号输出；在接收 端，接收器将差分信号变成t t l 电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收 器具有高的灵敏度，能检测低达2 0 0 m v 的电压，故数据传输可达千米以外。r s 一4 8 5 最大传输速率可达l o m b p s ，当波特率为1 2 0 0 b p s 时，最大传输距离理论上可达 1 5 千米。r s 一4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线就能完 成双向通信，很方便地构成一点对多点通信网络。总线上挂接的节点个数因选用 的接口驱动芯片而异，最多可接1 2 8 个节点。r s 一4 8 5 总线抄表系统结构如图2 1 所示。r s 一4 8 5 总线抄表系统采用主从式结构，其中集抄器作为主机，各个电能 表作为从机。集抄器与r s 一4 8 5 总线连接端设置有偏置电阻和终端匹配电阻，电 能表n 的r s 一4 8 5 总线末端设置有终端匹配电阻。r s - 4 8 5 总线抄表一般使用双绞 线作为网络总线，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，直接使用r s - 4 8 5 驱动芯片即可构成通信网络。r s 一4 8 5 总线 抄表方式技术比较简单、成熟，易于实现，对全电子式电能表改造较小，且总线 传输速率高，可靠性好。但是，r s 一4 8 5 总线抄表系统施工布线工作量大，网线 易受人为破坏，故障点不易查找和易受雷击和过电压的影响等缺点。该系统适用 于城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已被安装在集中式表箱中。 4 8 5 总线 图2 1r s 4 8 5 总线抄表结构 2 1 2 基于低压电力线载波抄表 电力线载波的抄表方式是一种利用现有的电力网进行抄表的方式，低压电力 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 线通到了每家每户，利用低压电力线作为自动抄表系统的底层数据通道，具有无 需布线、安装使用比较方便，而且无需支付抄表数据传输的费用等优点。在发送 数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，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。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合 电路将高频信号分离出来、滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数 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，为总线结构。 图2 - 2 为低压电力线载波抄表系统结构图。但由于我国电力网污染严重，使得这 一抄表方式很难真正推广应用，目前在电能表抄表应用方面比较局限，真正推广 还要有相当的历程，需对现有的电力线载波抄表技术进行深人的研究和改进，比 如采用先进的扩频技术，以提高通信的抗干扰能力。 低压电力线 2 1 3 基于红外抄表 图2 - 2 低压电力线载波抄表系统结构 红外抄表系统是由手持红外抄表器、带红外通信功能的电能表和管理中心组 成。手持红外抄表器和电能表均具有红外通信电路。抄表时，由工作人员携带手 持红外抄表器到现场抄表，将用户用电量等信息集中记录并保存起来，再由工作 人员携带到管理中心后传输给计算机进行处理。 红外抄表原理比较简单。此方式是以红外线作为通信载体，通过红外光在空 中传播来进行数据传输的。红外通信由红外发射器和红外接收器来完成。在发射 端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管 转变为红外光脉冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进 行光电变换，变化后的电脉冲信号经译码后恢复出原始数据。红外发射器和接收 器简单易用，红外发射管有t s a l 6 2 0 0 等，红外接收器有h s 0 0 3 8 b 等。红外载波 频率为3 8 k h z 的方波，发送采用脉宽调制p 1 j l m 方式，通过待发送的二进制数据“0 ” 或“1 ”控制两个脉冲串之间的时间问隔( 即p 1 1 m 的占空比) 。红外载波可以使用 单片机内部定时器的p i l l 功能实现，也可以通过外围硬件电路实现。红外接收时， 以h s 0 0 3 8 b 接收器为例，如果接收到3 8 k h z 的载波信号输出低电平，否则输出高 电平，从而可以将“时断时续”的红外光信号解调成一定周期的连续的方波信号 8 幕于g p r s 的自动抄表系统的设计j 开发 ( 根据周期的不同分别代表数据“0 ”或“l ”) ，通过单片机中断引脚处理此电脉 冲信号，即可恢复出原数据信号。 红外数据传输作为一种数据传输手段，特别适用于那些无法铺设线路、有线 通信无法实现的场合，便携性要求较高的场合，或者腐蚀性地区、强电磁干扰地 区。但由于此方式传输距离较短，一般只有3 l o m ，适用范围有限，所以作为 一种自动抄表方式有其局限性，而且需要工作人员携带手持抄表器进行现场抄 表，未真正实现抄表的完全自动化，无法获得用电量的一些详细信息。 2 1 4 基于无线电波抄表 利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信， 是一种较好的选择。使用无线电波进行抄表大致有两种方式：使用小功率无线发 射装置的现场手持无线电抄表和使用小型大功率无线电台的远程无线电抄表。 使用小功率无线发射装置的现场手持无线电抄表与红外抄表的方式比较类 似，但其通信距离较红外抄表方式远，实用性更强。在进行通信时，抄表器发出 呼叫命令，各电能表接收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成 数据链路的建立，然后进行数据通信。使用此方式进行抄表，要求电能表和抄表 器均内置有无线电收发模块。目前能用于无线电抄表的单片无线电收发芯片较 多，如n o r d i c 的n r f 4 0 1 、n r f 9 0 3 ，c h i p c o n 的c c l 0 0 0 等。无线电抄表的通信距 离依赖于无线发射的功率、接收的灵敏度、天线的增益、无线功率损耗等。无线 芯片一般最大发射功率为+ l o d b m ，接收灵敏度为一1 0 5 d b m ，通信距离1 0 0 2 0 0 m 左右。无线电通信可以使用4 3 3 m h z 、8 6 8 m h z 、9 1 6 m h z 的i s m 频段，无需申请。 但无线电数据传输存在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下信号传输不稳 定的问题，同时无线电电能表产品自身也存在功耗问题，因此该模式虽然看好， 但真正大面积推广应用在目前还存在问题。 无线电波抄表的另一种方式是使用小型大功率无线电台的远程无线电抄表。 这种抄表方式使用自己建设的小型无线电电台，在2 0 0 一- 4 0 0 m h z 的频点上用散射 通信方式进行无线电通信。散射通信是利用对流层反射无线电波的远距离通信。 其特点是传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千台) ，通信距离几十公里，可 通过中继站延伸。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺点是需申请频点使 用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰，而且小型无线电电 台的通信速率较低，且设备及安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有定 的限制，多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。 9 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 2 1 5 基于以太网抄表 以太网抄表方式是随着网络的飞速发展而推出的一种新型的自动抄表方式。 图2 - 3 为采用以太网抄表的系统结构示意图。整个系统可分为两个子系统：嵌入 式以太网服务器和嵌入式以太网子模块。两个子系统通过局域和广域以太网实现 远程自动抄表的功能。嵌入式以太网服务器和多个嵌入式以太网子模块构成局域 以太网数据采集系统，而嵌入式以太网服务器可以通过广域以太网与远程的管理 中心通信，进行远程数据传输，从而实现自动抄表的目的。 嵌入式以太网服务器和子模块可以通过单片机上集成t c p i p 协议栈的方式 来实现。嵌入式以太网服务器通过局域以太网来控制各个子模块，同时通过嵌入 式以太网服务器的另外一个以太网接口连接到广域以太网。管理中心的p c 机可 以通过广域以太网，透过嵌入式以太网服务器来访问各个子模块，从而得到各个 子模块的信息或者状态。嵌入式以太网服务器的功能在于比较实时的控制子模 块，存储子模块的数据，屏蔽广域网络的非法以太网数据，且比较透明地传输子 模块和外界网络的交互数据，必要时可进行u d p 到t c p 数据包的转换。 采用以太网抄表方式的优点在于可以利用当前便利的网络环境，降低布线、 安装成本，而且以太网的速流较高，可以满足以后发展的需求。但是，采用以太 网抄表开发周期较长，对开发人员有较高要求，并且t c p i p 协议栈需要长期深 入测试、修改才能达到可靠性要求。 图2 - 3以太网抄表结构 2 1 6 基于g s m g p r s 网络无线抄表 随着移动通信技术的发展，使用公共无线信道的全球移动通信系统( g s m ) 、 通用无线分组业务( g p r s ) 通信方式，以其无需投资建设无线网络、通信覆盖范 围大、安装设施十分方便等优点，已经在自动抄表系统中得到应用，被越来越多 的用户所青睐。 1 0 幕十g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 该自动抄表系统是基于g s m g p r s 通信方式进行组网的抄表系统，主要由主 站系统、g s m g p r s 通信信道、数据抄表终端、电表及居民表集中器四大部分组 成，如图2 - 4 所示。利用g s m 组网的最大优点是系统安装施工方便、快捷，只要 到移动通信服务商处购买s i m 卡就可进行通信，一次性投资少，通信覆盖范围大； 其缺点是每月的运行费用较高。 g s m 组网有两种模式： ( 1 ) 点对点数据传送模式，特点是系统简单，实时性较强，但运行成本相对 较高； ( 2 ) 批量数据传送模式，特点是运行费用较低。 当终端数量在2 0 0 台以下时，一般选用前一种模式；当终端数量大于2 0 0 台时，采用后一种模式。 g s m 通信主要适用于实时性要求不高的场合。利用g p r s 方式组网时也有两 种方式： ( 1 ) 从移动公司到用户主站的通信服务器端接一条专线，通过数据专线将数 据由g p r s 网关服务器传送到主站系统；。 ( 2 ) 在用户主站申请一个静态i p 地址，通过i n t e r n e t 将数据由g p r s 网关服 务器传送到主站系统。 g p r s 通信方式尤其适合于1 0 0 0 个以上采集点规模的系统。g p r s 通信主要适破 用于实时系统或通信数据量较大的准实时系统，例如配变监控、电量计费、负荷 控制等系统。在配变自动抄表系统中使用g p r s 通信，可以很好的实现配变的监 测、监控和关口表的数据抄收。另外，g p r s 结合g p s 定位系统也是电力线路巡 检的一个发展方向。 l 出能出。 匕彤算罨镌翻 k 熬幽 勃撅一数据终端设 、 隧捌缘辘如殇彩糍虢蒯 匕审i 舷表翻 图2 - 4g s m g p r s 无线抄表系统结构 基于g p r s 的自动抄表系统的设计与开发 2 2 方案设计 2 2 1 抄表方式选择 出于对数据传输可靠性的考虑，用户电能表与采集器，以及采集器与集中器 之间传输距离短，系统采用r s - 4 8 5 总线作为通信信道，以实现专线专用。通信 成功率几乎为1 0 0 ，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g p r s 无线网络通信。