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哈尔滨理t 大学工学硕1 ：学位论文 基于g p r s 的电能计量无线采集系统设计 摘要 电能计量管理直接关系到电力企业的经济效益和用户电费的合理负担， 电能计量的准确性、可靠性一直是电力部门和用电用户关注的焦点。为进一 步提高电能计量的稳定性、安全性及数据传输的可靠性和完整性，本文在深 入研究当前电能计量技术和g p r s 通信技术的基础上，提出并实现了基于 g p r s 网络的、融合计算机技术和数据库技术的具有多种功能的电能计量数 据采集系统。 本文论述了g p r s 网络结构和工作原理，在此基础上通过通信方案对比 以及系统的需求和功能分析，选择了适合要求的g p r s 通信方案，并确定了 系统结构。该系统底层通信采用r s 4 8 5 总线方式，上层通信利用g p r s 的 i n t e r n e t 接入功能，在i n t e r n e t 上设置一个前置服务器，负责与g p r s 终端 设备的通信，实现数据的实时采集和传输。 主要研究和设计了该系统的关键部分数据采集终端的硬件和软件。 对终端硬件的各个功能模块进行了分析和设计，并对其硬件电路进行了实现 和调试。通过该设计终端硬件结构简洁，系统功耗低，运行稳定可靠，降低 了其生产成本。 结合系统的功能需求和总体结构，利用m i c r o s o f t 公司v i s u a lc + + 编程 软件强大的s o c k e t 网络编程功能对监控中心的上位机监控软件进行了设 计。实现了监控中心对数据采集点数据的自动抄录，并具有功耗低、实现简 单、成本低、可升级、易扩展等特点。 本文所研究的电能计量无线采集系统可以满足电力系统应用的需求，具 有广阔的应用前景，会带来较好的经济和社会效益。 关键词电能计量；数据采集；通用分组无线业务 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 d e s i g no fw i r e l e s sa c q u i s i t i o ns y s t e mf o r p o w e r m e t e r i n g b a s e do ng p r s a b s t r a c t b e c a u s ep o w e rm e t e r i n gd i r e c t l yr e l a t e dt ot h em a n a g e m e n to ft h ee c o n o m i c e f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e sa n du s e r sb u r d e n ，t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e r m e t e r i n gh a sb e e nt h ef o c u so fa t t e n t i o no fe l e c t r i c i t ys e c t o ra n de l e c t r i c i t y u s e r s t of u r t h e re n h a n c es t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fp o w e rm e t e r i n ga n d r e l i a b i l i t y a n di n t e g r i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n ，a n dw i t hi n - d e p t hs t u d yo fp o w e rm e t e r i n g t e c h n o l o g y a n dg p r sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，t h i s p a p e rd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m f o rp o w e rm e t e r i n gw i t hav a r i e t yo f f u n c t i o n sb a s e do ng p r sn e t w o r ka n dt h ei n t e g r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dd a t a b a s et e c h n o l o g y t h i sp a p e rg i v e sad i s c u s s i o no nt h en e t w o r kc o n s t r u c t i o na n dw o r k p r i n c i p l eo fg p r s ，b a s e do nt h a tm a k ec o m p a s s i o no fs c h e m ea n da n a l y s i so f r e q u i r c m e n ta n df u c t i o n ，t h e nc h o s e nag p r sc o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m m e s w h i c hm e e tt h ed e m a n d ，a n dd e t e r m i n e dt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m d a t aa c q u s i t i o nt e r m i n a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h i c hi s k e yp a r t so ft h e s y s t e ma r ef o c u so fr e s e a r c ha n dd e s i g n a c c o r d i n gt ow h i c ht h ea n a l y s i sa n dd e s i g n o fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e so ft e r m i n a lh a r d w a r ea r em a d e ；a l s ot h ei m p l e m e n t a n dd e b u g g i n go ft e r m i n a lc i r c u i tb o a r da r ec a r r i e do u t t h et e r m i n a ls t r u c t u r ei s s i m p l i f i e da n d t h ec o s ta n dp o w e r c o n s u m p t i o nw i l lb em u c hr e d u c e d c o m b i n e df u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dg r o s ss t r u c t u r eo ft h i s s y s t e m ，t h e c o n t r o lc e n t e rs o f t w a r ei s d e s i g n e dw i t ht h ep o w e r f u ln e t w o r kp r o g r a m m i n g f u n c t i o no fm i c r o s o f t c o m p a n y s v i s u a l c + + p r o g r a m m i n g s o f t w a r e t h e s o f t w a r ew h i c hi ss c a l a b l ee x t e n s i b l e i m p l e m e n tt h a tc l l o e c t i n gd a t af r o m t e r m i n a la u t o m a t i c a l l y t h es y s t e mp r o p o s e db yt h i sp a p e rc a nm e e tt h ed e m a n df o rp o w e rs y s t e m a p p l i c a t i o n s ，a n di tw o u l db ew i d e l yu s e da n dg e tg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s -h 哈尔滨理丁人学t 学硕f j 学位论文 k e y w o r d s p o w e rm e t e r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e h i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g p r s 的电能计量无线采集 系统设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期州独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者虢狲琢：嗍彬年多月纱同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于g p r $ 的电能计量无线采集系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并岛有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密广 ，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：碌沁：嗍户留年 月7 5 日 导师签名： 乏民彳乙 日期： 乃杉& 年弓月? j 一日 哈尔滨理工人学t 学硕卜学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 目前我国的发电总量已经跃居世界第二位。随着西电东送工程的启动，我 国的发电总量将进一步增加，全国大部分地区开始走出缺电困境。与此同时， 国家电力系统体制改革不断深化，传统的垄断体制被打破，全国性的买方市场 宏观环境正在逐步形成，电力系统所面临的市场形势将同趋严峻，因而加强电 网管理，提高电能利用效率和节约能源，是电力企业走向市场经济的前提条 件，也对我国国民经济和社会发展具有重要意义。 随着电力系统的发展而引发的电能供需矛盾的加剧，这便对电能计量仪器 仪表提出更多功能化的要求，希望它不仅能准确计量电能，而且也能应用于管 理。因此功能单一电能计量设备己不适应现代电能管理的要求。 我国电力系统长期以来的查收方式是人工采集，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。随着我国 电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和 分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的 管理任务日益加剧。传统的人工采集计量模式的弊病越来越突出，主要表现 在： 1 查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大； 2 供电公司的大客户分布分散，供电公司客户服务中心对客户电表的数 据抄录工作量巨大； 3 错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形 象； 4 窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重 地损坏了电力企业的利益，扰乱了供用电秩序。要防止窃电，就必须借助实时 通讯手段，在同一时刻，冻结采集各表计的电量数据，进行分析才能准确判断 窃电是否发生以及窃电发生的位置，及时有效地对窃电行为加以制止l ij 。 以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现 电网自动化的瓶颈。根据建设部的要求和设计标准，具备水、电、煤气、三表 远程自动计量系统是智能化小区的必备条件之一。因此，电能自动管理技术的 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 研究以及计量管理系统的设计和开发，不仅对电力部门的用电管理提供科学、 先进的方法、提高电能计量效率，减少电能损失，增加安全措施，加强电能管 理具有重要意义。而且对房地产行业、自来水等专业公司、智能化产业以及广 大居民的同常生活，都有经济意义与社会意义。 1 2 国内外研究现状及发展方向 如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统 计及分析，已成为供电企业一个迫切需要解决的问题。 国外对于远程电能计量采集技术研究起步较早且比较深入，形成了相对规 范的技术体系，多种计量技术得到了相对广泛的、成功的应用。 由于我国电力工业基础薄弱，使我国的配电系统自动化水平较低，以往发 电和配电投资的比例为1 ：0 2 ，大大落后于发达国家l ：( o 6 o 7 ) 的投资比例。这 样造成了配电网供电可靠性差、设备落后、不安全因素较多的状况。对远程电 能自动计量起步也较晚，由于引进系统的国家在管理体制、所有制形式、电网 负荷结构等方面与我国差异较大，引进的电能计量采集系统存在着价格高、系 统汉化程度水平差、售后服务不及时、软件功能修改、更新不方便等问题。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。 前些年则较多使用电话线通信和普通采集技术，虽都有应用，但量都不大， 十分成功的较少，有较大的发术研究的深入，低压电力线载波中干扰大的问题 正逐渐得到解决波在自动采集技术中的应用有逐渐推广的趋势。当然，其他各 种处于发展的阶段，各种计量技术应用于不同层次的用户。国内不少企业也看 准了电能自动采集行业的发展势头，积极组织人员研制各种自动采集系统，但 由于该行业比较年轻，规范不全，近几年经过各企业内部技术人员的研制工作 及销售人员的应用推广，目前自动采集行业发展的特点是技术较成熟、发展较 迅速、问题较多、行业仍有待规范。 电能计量系统一般由电能表、数据采集器、传输控制器集中控制器，管 理中心计算机四级构成( 如图1 1 所示) 。系统中，数据与控制信号传输的路 径称为通信通道，它分为上行通道和下行通道。上行通道是指传输控制器集 中控制器和管理中心计算机之间的通信线路，常采用光纤、电话线、无线电波 等各种通信介质。下行通道是指传输控制器集中控制器和采集器之间的通信 线路，主要有载波、l o n w o r k s 总线，c a n 总线，r s 4 8 5 总线等方式。采集器 哈尔滨理工大学t 学硕l j 学位论义 和电能表之间通常由电能表所支持的通信方式所决定。目前一般可供选择的通 信方式有无线电、电话线、载波、光纤。根据对市场进行的调查，无线通信需 要解决申报频率问题，又要解决抗干扰等问题；租用电话线路运行费用高；国 内载波技术尚不过关，开关分段后无法继续与主站通信；而光纤通信价格更是 高昂。 r 一_ 1 监控。! 竺计算兰j ， 一 熊器n 一t ；电友n 图1 一l 一般采集系统的结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo fg e n e r a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 数据远程通讯技术是实现远程电能计量系统可靠运行的关键。常用的数据 远程传输方式多依靠电台、数传机等无线通讯方式实现，这些方式不仅容易受 到外界干扰，在使用过程中经常出现数据传输速度较慢、易丢失、准确性不高 等问题，而且若系统所处位置地势较为起伏，也会较大程度地影响通讯效果。 在监测点分散广、外界干扰大、数据实时性要求高的情况下，上述的远程传输 方式不是最佳选择。 在过去的十几年中，移动通信产业和互联网产业成为全球发展最迅猛、最 具活力的产业，二者的结合使人们能够随时随地获得语音、文本、图像、数据 等各种信息服务。随着公共无线通信网络( 如g s m g p r s 、c d m a ) 的扩建和 成熟，移动通信技术正逐步应用于工业领域中。目前蜂窝移动无线网( 如 g s m g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 的成熟度较高、费用低、基站 覆盖范围已遍及全国所有的大中小城市和绝大部分农村地区。 g p r s 无线数据传输方式的出现为数据远程传输带来了新的技术革命，它 是在目前通信体系中最成熟、最完善、覆盖面积最广的g s m 系统上发展出来 的一种数据承载业务【_ 。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收 哈尔滨理1 二大学下学硕i j 学位论文 数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本 的分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输， 也适用于偶尔的大数据量传输。具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登 录、“高速传输”等优点。目前，基于g p r s 的监控系统终端常用两种方法实 现：一种是各监测点采用m o d e m 分别与监控中心通信：另一种是设计专门的 集中采集器，通过r s 4 8 5 总线、电力载波等通信方式抄收各监测点数据，由 集中采集器通过m o d e m 与监控中心通信。第一种方法虽然在数据传输的实时 性和稳定性上略高于第二种方法，但是系统造价高，维护工作也较繁重。考虑 到系统的成本、实现方式、实时性等因素，本文提出一种使用g p r s 方式和 r s 4 8 5 总线通讯方式组合的数据采集方案。该方案成本低、通用性强，具有 一定的应用前景。 1 3 主要研究内容 本文研究开发的电能计量系统是针对目前电能计量中存在的问题提出了一 种基于网络通讯技术、现场总线技术、自动采集技术的电能计量数据自动采 集、传输和处理的系统。通过整体、系统地对用电设备进行远程集中检测和调 控，克服了传统人工电能计量模式的低效率和不确定性，从而真正实现系统的 管、控一体化，方便地对系统进行效率测试与分析，可实现运行过程中的自动 跟踪与提高效率的控制调节，提高产量，推进电能管理现代化的发展进程，并 达到国内领先水平。论文主要完成以下几个方面的研究设计工作： 1 系统分析目前存在的各种数据采集解决方案，综合考虑每种方案的技 术适用场合、技术难点、资金花费等方面的问题，提出一种切实可行的有效方 案，解决方案的系统组网方式和整体构建。 2 对远程电能计量管理系统进行系统规划和设计。通过在变电站安装数 据采集终端，实现对电能的测量，并通过r s 4 8 5 通信与对用户端电能抄表系 统进行比较，将数据通过g p r s 无线通信网络传输给管理计算机。 3 设计测量电路、单片机控制电路、实现电能信号的采集、控制、处理 的功能。 4 对远程电能计量管理系统进行系统规划和设计。通过在变电站端安装 电i i i i 量模块，实现对电能的测量，并通过r s 4 8 5 通信与对用户端电能抄表 系统进行比较，将数据通过g p r s 无线通信网络传输给管理计算机。 5 设计通信模块，实现系统通信的功能。采用c 语言编制单片机系统控 i l 合尔滨理工大学工学硕一l j 学位论文 制程序。 6 设计上位机软件。本文对v i s u a lc + + 环境下，如何实现串行口通信以 及数据库管理进行研究。 哈尔滨理丁= 大学t 学顾士学位论文 第2 章g p r s 无线通信技术概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是 第2 5 代移动通信系统，是全球移动通讯系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 向3 g 过渡的一个桥梁。g p r s 是在g s m 系统基础上 通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换而 构成的无线数据传输系统。这种无线数据传输系统突破了g s m 网只能提供电 路交换的思维方式，通过这种改造而构成的无线数据传输系统的投入相对来说 并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。g p r s 的传输速率可提升至5 6 甚至1 1 4 k b p s 。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以 连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，甚至可以无需通过 拨号上网，而持续与网络连接。 2 1g p r s 技术及优点 g p r s 是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务【6 j ，目的是为 g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标 准、频带、突发结构、跳频规则以及t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道 与当前的电路交换的话音业务信道极其相似【4 j 。因此，现有的基站子系统 ( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组 转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提 供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。g p r s 特别适用于间断的、突发 性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一 种连接，给移动用户提供高速无线i p ，可以用于i n t e m e t 连接、数据传输等应 用。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线 信道又可以由多用户共享，资源被有效的利用。使用g p r s 技术实现数据分组 发送和接收，用户永远在线并且数据按流量计费，迅速降低了服务成本。 g p r s 与g s m 电路交换相比，其非常重要的优点是引入了分组交换能 力。利用g p r s 进行数据传输具有：“永远在线”、“按流量计费”、“快捷登 录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。 1 接入范围广 哈尔滨理t 大学t 学硕一i ：学位论文 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可 以使用户数据终端方便、快速、低成本的远程接入网络； 2 高速传输 传输速率高，数据传输速度最高理论值可达1 7 1 2 k b p s ，是当i i g s m 网络 中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求； 3 快捷登陆 接入时间短，g p r s 接入等待时间短、可快速建立连接、平均耗时为两 秒； 4 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持 联系，即使没有数据传送终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非 常简单、快速； 5 按流量计费 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按照用户有 数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收费的； 6 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语音业务的 切换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 2 2g p r s 网络结构 g p r s 网络构建在g s m 网络的基础之上，为了升级至g p r s ，在n s s 侧，g s m 网络需要新增节点s g s n 、g g s n 以及新增节点与其他硬件设备相连 接的接口。在b s s 侧，因为g p r s 与g s m 采用相同的基本调制方式和无线信 道传输速率，因此不需改动现有基站无线设备的硬件。但b s s 设备需要增加 新的g b 接口，用于与s g s n 相连，由于g b 接口采用帧中继，原有b s c 的电 路交换设备无法使用，所以需增加相应的硬件设备p c u 。其升级结构如图2 1 所示，其中，g b ，g n ，g d ，g r ，g s ，g c ，g i ，g p 是各节点或模块之间的接 口。 1 与g s m 相比g p r s 新增的主要设备 s g s n ( g p r s 业务支持节点，s e r v i n gg p r ss u p p o i r tn o d e ) ：记录移动台 的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接 哈尔滨理1 二人学t 学硕f ：学位论文 收；g g s n ( g p r s 网关支持节点，g a t e w a yg p r s s u p p o r tn o d e ) ：它可以和多 种不同的数据网络连接，如综合业务数字网( i s d n ) 、公用分组交换数据网 ( p s p d n ) 等，对于外部数据网络而言，g g s n 是路由器，g g s n 可以把 g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换以便传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络；p c u ( 分组控制单元，p a c k e tc o n t r o lu n i t ) 用于分组数据的信道管理和 信道接入控制。s g s n 和g g s n 两节点可分可合，即它们的功能既可由一个物 理节点全部实现，也可由不同的物理节点来实现。 ：一一一一。一一一一。一一一一一一一。一一。一一。+ 一一一一一。一。一一一一。+ 一一一一。一一一一1 i - ：一一一一一一： 图2 1g p r s 逻辑结构与功能单元 f i g 2 1l o g i s t i cc o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o n a lc e l lo fg p r sn e t w o r k 2 为了升级至g p r s ，g s m 中需要进行改造的设备 b t s ：目前只需软件升级支持新的逻辑信道结构和编码方式即可；b t c ： 需要增加新的分组数据处理单元p c u 模块；h l r - 需要软件升级支持g p r s 的用户数据和路由信息以及与s g s n 的g r 接口；m s c v l r ：如果需要实现 m s c 的g s 接口，则需要对m s c 做软件升级，否则无需对m s c 进行改造； o m c 操作维护子系统：需要增加对新的网络单元进行网络管理的功能；计费 系统：由于g p r s 采用了与电路交换完全不同的计费信息，采用按数据流量而 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 不是按时计费，因此需要升级原计费系统；终端：因为g p r s 和g s m 采用不 同的数据类型，所以需要采用支持g p r s 的终端。 3 网络接口 g p r s 网络主要接1 ：3 有u m ，g b ，g p ，g n ，g r ，g s ，g c ，g i ，g f 和 g d ，如表2 1 所示。 表2 - 1g p r s 网络接口说明 t a b l e 2 1d e s c r i p t i o no fg p r si n t e r f a c e 接口或参考点说明 r g b g c g d g i g n g p g r g s g f u m 非i s d n 终端与移动终端的参考点 s g s n 与b s s 之间的接口 g g s n 与h l r 之间的接口 s m s g m s c 之间的接口，s m s i w m s c g p r s 与外部分组数据之间的参考点 同一g s m 网络中两个g s n 之间的接口 不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口 s g s n 与h l r 之间的接口 s g s n 与m s c v l r 之间的接口 s g s n 与e i r 之间的接口 m s 与g p r si 青| 定网部分直接的无线接口 u m 接口：空中接口，其射频部分与g s m 相同，但逻辑信道增加了分组 数据信道( p d c h ) ，采用了4 种新的信道编码方式：c s 1 ( 9 0 5 k b p s ) ，c s 2 ( 1 3 4 k b p s ) ，c s 3 ( 1 5 6 k b p s ) ，c s 。4 ( 2 1 4 k b p s ) ，并能支持多时隙传输方 式，最多可到8 个时隙； g b 接口：s g s n 和b s s 之间的接口。该接口既传送信令又传输话务信 息。它通过基于帧中继的网络服务提供流量控制，支持移动性管理功能和会话 功能，如g p r s 附着分离、安全、路由区更新、数据连接信息的激活去活 等，同时支持移动台分组业务经b s s 到s g s n 的传输； g n 接口：同一p l m n 中的两个g s n 之间的接口，它支持用户数据和有关 信令的传输，支持移动性管理，在基于i p 的骨干网中，g n 及g p 使用g p r s 隧道协议； g p 接口：不同p l m n 中的两个g s n 之间的接1 ：3 。g p 接口的功能与g n 相似，此外他还提供不同p l m n 问互联的功能： g r 接口：s g s n 与h l r 之间的接口。g r 为s g s n 提供了接入h l r 并获 得用户管理数据和位置信息的接口，通过m a p 信令进行传送，该h l r 可属于 不同p l m n ： 哈尔滨理t 大学t 学顺f ：学位论义 g s ：s g s n 与m s c l r 之间的接口。它是用来支持s g s n 和m s c v l r 配合工作的，使s g s n 可以向m s c i v l r 发送m s 的位置信息或接收来自 m s c v l r 的寻呼信息。g s 接口可以大大改善无线资源的使用效率，是可选接 口，使用b s s a p + 协议； g c ：g g s n 和h l r 之间的接口。只有通过该可选接口才能完成网络发起 的进程激活，此时支持g g s n 从h l r 获得m s 的位置信息，从而实现网络发 起的数据业务； g i ：g g s n 与外部分组数据网络( i p ，x 2 5 等) 之间的接口参考点。由于 g p r s 可以支持各种各样的数据网络，因此g i 不是标准接口，只是一个参考 点。该接口参考点支持的协议不在g p r s 规范定义之内，而是根掘所互通的数 据网采用相应的适用协议； g f 接口：s g s n 与e i r 之间的接口。交换有关数据，认证m s 的i m s i 信 息； g d 接口：s m s g m s c 和s g s n 之间的接口以及s m s i w m s c 和s g s n 之 间的接口。通过g d 接口可以提高s m s 的使用效率。 2 3g p r s 网络传输协议平台 g p r s 网络传输平台由分层的协议结构组成，它能提供用户信息的传递， 采用信息传递的控制过程，如流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。 传输平台独立于网络子系统平台。在g p r s 中使用图2 2 所示的分层协议传输 平台。 m s ，b s s ，s g s n ，g g s n 的协议栈实现用户信息及有关信令信息的传送 控制过程。 u m 接口是g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依 次为物理层、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u b n e t w o r kd e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网络层。u m 接口的物理层为射频接口部分( g s mr f ) ，而物理链路层则负责提供空中接口 的各种逻辑信道。g s m 空中接口的载频带宽为2 0 0 k h z ，一个载频分为8 个物 理信道。如果8 个物理信道都分配为传送g p r s 数据，则原始数据速率可达 2 0 0 k b p s 。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达1 6 4 k b p s 。 r l c m a c 为无线链路控制媒质接入控制层。r l c 负责l l p d u 的拆装 与重组，并提供可靠的无线链路。m a c 的主要作用是定义和分配空中接口的 哈尔滨理t 大学t 学硕，i j 学位论文 g p r s 逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。g p r s 的逻辑信道共 有3 类，分别是公共控制信道、分组业务信道和g p r s 广播信道。公共控制信 道用来传送数据通信的控制信令，具体又分为寻呼和应答等信道。分组业务信 道用来传送分组数据。广播信道则是用来给移动台发送网络信息。 应用 应用 t c p u d p t c p u d p i p i pl pi p s d n c p r e a l v g t p l 21 7 s n c p g t p l l c l l ct c p u d p t c p 刚 r e a l v b s s g p u d p l ll i i 1 ryr r q l p i pl p m a c m a c 网络业务嗍络业务 l 2l 2 g s mr f g s mr f l lb i s l l b i t l il i q 联网 g p r s 图2 - 2g p r s 分层协议模型 f i g 2 2l a y e r e dp r o t o c o lm o d e lo fg p r s l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无 线链路协议。l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地 址、帧字段，从而生成完整的l l c 帧。另外，l l c 可以实现一点对多点的寻 址和数据帧的重发控制。 s n d c 被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打 包，确定t c p i p 地址和加密方式。在s n d c 层，移动台和s g s n 之间传送的 数据被分割为一个或多个s n d c 数据包单元。s n d c 数据包单元生成后被放置 到l l c 帧内。 网络层的协议目前主要是p h a s ei 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议。 t c p i p 和x 2 5 协议对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是透 明的。g t p 即g p r s 隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在g p r s 网络 g s n 节点之间传送。所有的p t p ，p d p ，p d u 由g t p 进行封装。b s s g p 是基 站系统g p r s 协议，它在b s s 与s g s n 之间传送与选路及q o s 有关的信息， 不执行纠错功能。n e t w o r ks e r v i c e 层基于b s s 与s g s n 的帧中继( f r ) 连 哈尔滨理t 大学t 学硕j ：学位论文 接。 数据包从t e 传到m s 要经过四个接口：g i ，g n ，g b 和u m 。在工业应用 设计中，最关键的接口是u m 接口、g i 参考点( r e f e r e n c ep o i n t ) 以及r 参考 点。u m 是m t 和g p r s 网络进行无线连接的空中接口。g i 是g p r s 网与外部 数据网( 指分组数据网p d n ，如i n t e r n e t 和其它网络如x 2 5 ，x 7 5 等) 的数 据通信接口。r 参考点则把t e 和m t 结合为m s ，即是硬件设计要着重考虑 的部分。 2 4g p r s 网络的应用 g p r s 业务主要有以下应用【8 】： 1 信息业务 传送给移动电话用户的信息内容广泛，如股票价格、体育新闻、天气预 报、航班信息、新闻标题、娱乐、交通信息等等。 2 交谈 人们更加喜欢直接进行交谈，而不是通过枯燥的数掘进行交流。目前因特 网聊天组是因特网上非常流行的应用。有共同兴趣和爱好的人们已经开始使用 非话音移动业务进行交谈和讨论。由于g p r s 与因特网的协同作用，g p r s 将 允许移动用户完全参与到现有的因特网聊天组中，而不需要建立属于移动用户 自己的讨论组。因此，g p r s 在这方面具有很大的优势。 3 网页浏览 移动用户使用电路交换数据进行网页浏览无法获得持久的应用。由于电路 交换传输速率比较低，因此数据从因特网服务器到浏览器需要很长的一段时 间。因此g p r s 更适合于因特网浏览。 4 文件共享及协同性工作 移动数据使文件共享和远程协同性工作变得更加便利。这就可以使在不同 地方工作的人们可以同时使用相同的文件工作。 5 分派工作 非话音移动业务能够用来给外出的员工分派新的任务并与他们保持联系。 同时业务工程师或销售人员还可以利用它使总部及时了解用户需求的完成情 况。 6 企业e m a i l 在一些企业中，往往由于工作的缘故需要大量员工离丌自己的办公桌，因 哈尔滨理工人学工学硕j ：学位论文 此通过扩展员工办公室里的p c 上的企业e m a i l 系统使员工与办公室保持联系 就非常重要。g p r s 能力的扩展，可使移动终端接转p c 机上的e m a i l ，扩大 企业e m a i l 应用范围。 7 因特网e m a i l 因特网e m a i l 可以转变成为一种信息不能存储的网关业务，或能够存储信 息的信箱业务。在网关管业务的情况下，无线m a i l 平台将信息从s m t p 转化 成s m s 然后发送到s m s 中心。 8 交通工具定位 该应用综合了无线定位系统，该系统告诉人们所处的位置，并且利用短消 息业务转告其他人其所处的位置。任何一个具有g p s 接收器的人都可以接收 他们的卫星定位信息以确定他们的位置。且对被盗车辆进行跟踪等功能。 9 静念图像 例如照片、图片、明信片、贺卡和演讲稿等静态图像能在移动网络上发送 和接收。使用g p r s 可以将图像从与一个g p r s 无线设备相连接的数字相机直 接传送到因特网站点或其他接收设备，并且可以实时打印。 1 0 远程局域网接入 当员工离开办公桌外出工作时，他们需要与自己办公室的局域网保持连 接。远程局域网包括所有应用的接入。 11 文件传送 文件传送业务包括从移动网络下载量比较大的数据的所有形式。 2 5 本章小结 本章系统介绍了g p r s 无线通信技术的有关知识。从g p r s 系统的总体结 构、逻辑结构、提供的服务、传输协议栈结构、路由和传输、空中接口、网络 特性等方面详细介绍g p r s 系统，为安全、稳定的将g p r s 技术应用于远程自 动采集系统、解决组网及接入等问题提供技术上的支持。 哈尔滨理工人学t 学顾i j 学位论文 3 1 1 电能计量原理 第3 章系统总体设计 通过电压互感器和电流互感器，以及相应的测量电路可实现对三相电高压 端的电压和电流测量，得到的电压u ( o ，电流f ( ，) ，作为测量系统模块的输入信 号，其波形如图3 1 所示。 图3 1 交流电波图形 f i g 3 - 1w a v e f o r mo f a l t e r n a t i v ee l e c t r i c i t y 如果交流电的频率为，周期为t 根据定义有： ，= 电流的有效值为 ，= 据肌) 加 电压的有效值为r 有功功率为 视在功率为 功率因数为 u = 厢丽 尸= 吾痧 s - - u ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 p c o s 矽2 一s 式中，f i t ) ，“( ，) 为交流电流和电压的测量瞬时值。 由矩形近似积分公式有： z = 辱鬲= 厨 u = p 一三窆o ) 玉o ) ，z 智。w w ( 1 ) = 弋p ( t ) d t _ 一1 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式中w ( 0 为t i q 到如时间段的电能值，f 1 为起始时间，如终止时间， p ( f ) = “( 咖( ，) ，为瞬时功率，而p 2 吉丢嘶o ) ( ，) 为一个周期内的平均功率。在 一段时间内( o t i m e ) 的电能功耗理论上为： w = 【p ( t ) d t 。 ( 3 - 1 1 ) 实际上计量时，如果平均功率尸不是随时间突然变化，而是在一段时间内 ( a t ) 缓变化时，可通过实际调试，如按每1 0 秒时段，对电能功耗累计一 次，实现对电能的计量： w = a t , ( 3 1 2 ) 式中，e 为在某时断，内的有效功率，在一段电能计量时段内，对对电 能功耗累计次。 根据上面公式，测量计算方法如下： 1 确定电流周期时间t 。根据香农采样定理，采样周期t s i 2 w s ，w s 为 信号周期，供电电压周期为2 0 m s ，即选择采样周期小于1 0 m s 就能够复现被测 信号。 2 选定n = 1 2 8 ，在一个周期内，测量电路等时问间隔t k = t 1 2 8 采样电流 哈尔滨理t 大学1 二学硕i ：学位论文 电压各1 2 8 点，经过m a x l 9 4 转化后，存入a t 8 9 c 5 5 中，为了存储足够的电 压、电流信号的采样值，测量模块还扩展了了r a m ，r o m 芯片。能够准确的 读与写的操作。 3 根据