[信息與通信]基于GPRS的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)

1、摘 要 電能是現(xiàn)今社會(huì)最為廣泛使用的一種能源，影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人民生活水平的提高。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力行業(yè)也得到了迅猛發(fā)展。在行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)配網(wǎng)調(diào)度和供用電管理自動(dòng)化提出了新的要求。然而，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)電能計(jì)量管理中，尤其對(duì)于數(shù)量巨大的一戶一表客戶的管理，自動(dòng)化水平仍然較低。傳統(tǒng)的人工抄表方式工作效率低、誤差大，更不能對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行緊急響應(yīng)。因此，提高供電質(zhì)量和可靠性，實(shí)施高效準(zhǔn)確的電能表數(shù)據(jù)抄收方式已是當(dāng)務(wù)之急。隨著通信信息技術(shù)的發(fā)展，以及前人致力于電網(wǎng)管理自動(dòng)化所做出的不懈努力，為改變上述情況提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。所以我設(shè)計(jì)了一種利用gprs技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信的嵌入式系統(tǒng)來(lái)

2、完成智能抄表系統(tǒng)。本文首先介紹了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的相關(guān)發(fā)展背景，現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的特點(diǎn)；在考慮性能和穩(wěn)定性的前提下根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求選擇了philips公司的lpc2138作為主控芯片、siemens公司的mc55作為gprs通信模塊；接下來(lái)對(duì)基于gprs通信方式的抄表系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了討論，分析了目前比較常見(jiàn)的幾種遠(yuǎn)程抄表方式；然后在對(duì)現(xiàn)有不同方案比較之下，分析了本文所述系統(tǒng)的整體實(shí)施方案，并著重闡述了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)；最后對(duì)本系統(tǒng)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表，gprs，mc55，嵌入式系統(tǒng)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 錄摘 要iabstractii第1章 概 述11.1論文研究的背景11.2國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的發(fā)展概況11.2.1國(guó)外自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展21.2.2國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展21.3本論文研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排3第2章 基于gprs的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)方案論述與選擇42.1.1方案論述42.1.2方案選擇52.2 gprs通訊技術(shù)介紹62.2.1 gprs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

9、62.2.2 gprs技術(shù)優(yōu)勢(shì)72.3無(wú)線抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案82.3.1系統(tǒng)框圖及工作原理82.3.2 gprs通訊的傳輸層協(xié)議選擇92.3.3 gprs通訊模式選擇122.3.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求152.4本章小結(jié)15第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)173.1終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)173.2 arm控制單元及相關(guān)外圍電路183.2.1 arm控制單元183.2.2電源監(jiān)控及復(fù)位電路193.2.3 jtag接口電路193.2.4時(shí)鐘電路203.3人機(jī)接口電路213.4電源電路設(shè)計(jì)213.5 rs-485電路223.6 gprs通信模塊243.6.1 gprs模塊選型243.6.2 gprs模塊主要性能簡(jiǎn)介253.6

10、.3 sim卡接口電路253.7本章小結(jié)26第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)274.1終端軟件的設(shè)計(jì)思路274.2上電初始化模塊304.3 rs-485通信模塊314.4 gprs通信模塊324.4.1 at命令簡(jiǎn)介324.4.2 at指令控制流程324.4.3 gprs通信流程344.5本章小結(jié)34第5章 總結(jié)與展望355.1本文總結(jié)355.2研究展望355.3本章小結(jié)36參 考 文 獻(xiàn)37致 謝39 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 概 述1.1論文研究的背景電力作為當(dāng)前最主要的工業(yè)能源，在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和家庭居民生活中具有舉足輕重的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)供電部門和用戶來(lái)說(shuō)，人工抄表收費(fèi)一直是一大難

11、題。早期的抄表方法都是抄表員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)抄表，這種傳統(tǒng)的手動(dòng)抄表方式不僅人力成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集的用電信息數(shù)據(jù)單一，還存在抄表不到位、估抄、漏抄、錯(cuò)抄、錯(cuò)算及抄表周期長(zhǎng)等問(wèn)題。所抄的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)人工輸入計(jì)算機(jī)才能進(jìn)入管理系統(tǒng)，從而降低了現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的先進(jìn)性。基于以上所述的手工抄表的弊端，發(fā)展電能計(jì)量遠(yuǎn)程抄表技術(shù)是提高用電管理水平的需要，也是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然趨勢(shì)，即采用通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來(lái)自動(dòng)讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，推進(jìn)電能管理現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。隨著gprs無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得建立一個(gè)廉價(jià)、可靠、時(shí)效性強(qiáng)的無(wú)線監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)成為

12、現(xiàn)實(shí)。gprs(general packet radio service)是在gsm系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它所依托的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠、覆蓋面廣。作為現(xiàn)有g(shù)sm網(wǎng)絡(luò)向3g演變的過(guò)渡技術(shù)(2.5g)gprs在許多方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）從技術(shù)角度上講，數(shù)據(jù)傳輸率高，理論值可達(dá)171.2bit/s，能滿足電力通信網(wǎng)對(duì)通信速度的要求；接入速度快，可快速建立連接，提供實(shí)時(shí)在線功能，用戶始終處于連線和在線狀態(tài)，滿足電力系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性的要求；系統(tǒng)擴(kuò)容方便，無(wú)需鋪設(shè)線路，浪費(fèi)線材與人力，易維護(hù)。（2）從經(jīng)濟(jì)角度上講，可充分利用現(xiàn)有的資源，方便、快速、低建設(shè)成本地為用戶數(shù)據(jù)終端部署遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)；通信費(fèi)用

13、低廉，gprs通常按照流量計(jì)費(fèi)。從上述分析來(lái)看，gprs無(wú)線通信為覆蓋面廣、地理位置分散的電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)提供了經(jīng)濟(jì)可靠的通信手段。本課題就是基于以上背景，對(duì)gprs在電力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)了一種無(wú)線抄表終端。1.2 國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的發(fā)展概況自動(dòng)抄表技術(shù)自八十年代誕生于美國(guó)后，在世界各地得到迅猛發(fā)展，最先在供水企業(yè)中應(yīng)用，后擴(kuò)展到電、氣等各個(gè)領(lǐng)域。直到九十年代，自動(dòng)抄表技術(shù)才被引進(jìn)到中國(guó)。1.2.1 國(guó)外自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，一個(gè)重要的抉擇，就是通信方式的選擇。上世紀(jì)70年代至80年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)始對(duì)遠(yuǎn)距離電能表數(shù)據(jù)的采集和傳送進(jìn)行了探索性研究。此

14、階段，自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要采用有線通信，如用電力線載波、波導(dǎo)管、電纜、光纜等作為傳輸媒質(zhì)。1982年英國(guó)的thornemi系統(tǒng)利用公用電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)抄表；1985年日本九州電力公司試用電力輸配電線載波，地線載波及光纜通信于遠(yuǎn)方讀表和監(jiān)測(cè)表計(jì)誤差的系統(tǒng)；澳大利亞借助郵電線路進(jìn)行遠(yuǎn)程電能表數(shù)據(jù)抄記系統(tǒng)；美國(guó)波士頓邊生公司以及費(fèi)城電力公司的配電線載波遠(yuǎn)程讀表系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)曾先后投入試運(yùn)行，但由于投資較大，均僅用于用電大戶、聯(lián)網(wǎng)結(jié)算或部分住宅區(qū)的集中電能表數(shù)據(jù)的讀取。1988年美國(guó)弗吉尼亞電力公司為電能表抄表員裝備了手持式微機(jī)，用戶消耗的電能數(shù)據(jù)被一次性經(jīng)鍵盤存入微機(jī)，完成統(tǒng)計(jì)與處理。1990年以后，

15、amr得到較快的發(fā)展。1992年埃及開(kāi)羅配電公司開(kāi)發(fā)出雙模式住宅電能監(jiān)視抄表系統(tǒng)，用于自動(dòng)記錄、獲取和處理電能消耗數(shù)據(jù)的完整系統(tǒng)。為了滿足美國(guó)加州電力市場(chǎng)150方案的要求，美國(guó)最大的電能計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)tmr于1998年投入運(yùn)行。2000年度，美國(guó)有2840萬(wàn)自動(dòng)抄表設(shè)備單元應(yīng)用，其中1300萬(wàn)用在電力，1080萬(wàn)用在煤氣，460萬(wàn)用在供水。在19992000年度供水方面有55%的高速增長(zhǎng)，電力有20%的增長(zhǎng)，煤氣有13%的增長(zhǎng)。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用逐漸成為當(dāng)前無(wú)線通信的主流，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的特點(diǎn)、合理的組網(wǎng)方式以及可靠的傳輸機(jī)制，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)迅速成為國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)

16、程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中解決監(jiān)控點(diǎn)地域廣、設(shè)備布局分散等問(wèn)題的主流技術(shù)。目前，遠(yuǎn)程抄表監(jiān)控系統(tǒng)主要基于微處理器，通過(guò)gprs、cdma等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，向能源管理系統(tǒng)傳送采集的數(shù)據(jù)。1.2.2 國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展國(guó)外抄表系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程影響著國(guó)內(nèi)抄表系統(tǒng)的發(fā)展方向，上世紀(jì)80年代末90年代初，中國(guó)開(kāi)始了自動(dòng)化抄表系統(tǒng)的試點(diǎn)工作。全國(guó)各供電企業(yè)基本建立了無(wú)線電電力負(fù)荷控制系統(tǒng)，雖然其主要建設(shè)目的是控制負(fù)荷，但也逐漸用于大用戶的電能表抄表。1989年全國(guó)第一套跨省網(wǎng)的電量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)在華北電網(wǎng)投入運(yùn)行，北京供電局的電話抄表系統(tǒng)在90年代開(kāi)始投入運(yùn)行。1994年以色列居民集抄系統(tǒng)進(jìn)入中國(guó)，全國(guó)各地供電企業(yè)大多都

17、開(kāi)展了低壓電力載波技術(shù)試點(diǎn)。90年代中期，國(guó)內(nèi)己有研制成功一批自動(dòng)抄表系統(tǒng)的報(bào)道，如常州的“yh5551型集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)”，太原的“煤氣表讀數(shù)遙測(cè)系統(tǒng)”，中科院合肥智能所的“煤氣表戶外自動(dòng)抄表裝置”和上海市公用事業(yè)研究所的“水、煤氣表合抄集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)”。2000年經(jīng)全國(guó)電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處召集生產(chǎn)、用戶以及計(jì)量檢測(cè)等20個(gè)成員單位組成自動(dòng)抄表系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的制定有效地規(guī)范了市場(chǎng)和引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。2004年現(xiàn)場(chǎng)用電管理終端作為負(fù)控和抄表需求的融合產(chǎn)品產(chǎn)生，并陸續(xù)在浙江電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)大量推廣使用。2005年國(guó)家電網(wǎng)公司頒布關(guān)于加強(qiáng)電力營(yíng)銷現(xiàn)代化的建設(shè)意見(jiàn)的40

18、6號(hào)文后，中國(guó)迎來(lái)了amr發(fā)展的黃金時(shí)期。從2005年到2007年各電力公司基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)、供電側(cè)及終端側(cè)3巧kva及以上大用戶的電能自動(dòng)抄表，全國(guó)估計(jì)有幾十萬(wàn)個(gè)amr采集終端投入應(yīng)用，成為目前世界發(fā)展最快的amr市場(chǎng)。2007年部分省市電力公司又重新啟動(dòng)居民用戶集中抄表系統(tǒng)工程，中國(guó)將至少具有十年的amr發(fā)展黃金時(shí)期。隨著智能化小區(qū)的建設(shè)的推廣，三表自動(dòng)抄表系統(tǒng)在我國(guó)已逐漸普及，但由于種種因素，絕大多數(shù)自動(dòng)抄表系統(tǒng)卻都未能正常運(yùn)行，投了自動(dòng)抄表系統(tǒng)的錢卻仍用人工抄表的現(xiàn)象仍較為普遍。如果這種情況不能得到有效解決，自動(dòng)抄表行業(yè)必將受到嚴(yán)重影響，其負(fù)面影響將波及到房地產(chǎn)行業(yè)、自來(lái)水等專業(yè)公司、

19、智能化產(chǎn)業(yè)以及廣大居民的日常生活1.3本論文研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排本文提出了一種基于gprs的無(wú)線抄表終端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，在以gprs為通信手段的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)線抄表終端進(jìn)行了完整的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，本文的主要工作在于對(duì)gprs通信模塊軟硬件上予以了實(shí)現(xiàn)，我們選用philips公司的 lpc2138微處理器和siemens公司的mc55通信模塊作為目標(biāo)硬件，使用at指令，完成與監(jiān)控中心的通信。本文行文安排如下：第一章：調(diào)研了電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中幾種傳統(tǒng)的通訊方式，并指出這些通訊方式的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，并對(duì)gprs應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信進(jìn)行了可行性分析，明確了課題的研究意義和實(shí)用價(jià)

20、值。第二章：介紹了gprs無(wú)線通訊技術(shù)的基本原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及基于gprs的數(shù)據(jù)傳輸；并將它與幾種無(wú)線的通訊方式進(jìn)行了詳細(xì)的比較，從而證明了它在遠(yuǎn)程測(cè)控領(lǐng)域中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。第三章：根據(jù)電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了無(wú)線抄表終端硬件系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了各主要功能模塊的設(shè)計(jì)。對(duì)終端單元用到的主要器件作了介紹，詳細(xì)地分析了其中的各硬件電路，并對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)中涉及到電磁兼容性問(wèn)題和抗干擾性措施進(jìn)行了分析和討論。第四章：針對(duì)終端的功能需求和主控制器的資源，終端軟件系統(tǒng)采用了多任務(wù)調(diào)度機(jī)制；對(duì)各功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，詳細(xì)論述了gprs無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)思路。第五章:總結(jié)了本課題所做的

21、工作和成果，并對(duì)下一步工作的重點(diǎn)和方向做出了展望。第2章 基于gprs的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本章通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行分析，在綜合當(dāng)前多種通信模式的優(yōu)缺點(diǎn)的前提下，采用了gprs通訊方式，隨后詳細(xì)介紹了gprs的原理及構(gòu)成，最終在經(jīng)過(guò)方案的論證與選擇之后，確定了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)整體的框圖。2.1設(shè)計(jì)方案論述與選擇2.1.1方案論述通信是自動(dòng)抄表技術(shù)中的關(guān)鍵，也占據(jù)了投資的大部分。因此，方案的選擇主要是通信方式的選擇。數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)要綜合考慮地理環(huán)境、用戶用能行為、技術(shù)水平、管理體制和投資成本等因素。在國(guó)外己有許多發(fā)展成熟的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，他們采用的信息傳輸方式有

22、:電視電纜、電力線載波、無(wú)線電波和公用電話網(wǎng)等。自動(dòng)抄表系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展，有著多種實(shí)現(xiàn)方案，目前比較流行的方案有:(1)電力線載波抄表以電力線作為傳輸信道，將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制為高頻信號(hào)疊加在電力線上進(jìn)行通信。此方式無(wú)需另外布線、易施工、成本低、與電網(wǎng)建設(shè)同步。目前國(guó)內(nèi)10kv以上電壓等級(jí)的高壓電力線載波技術(shù)已較成熟，但低壓電力線載波還未能達(dá)到令人滿意的水平，制約了電力線載波抄表在我國(guó)的應(yīng)用。原因在于電力載波信號(hào)存在著脈沖干擾，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減越大。低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴(yán)格，低壓電力線上存在的電磁污染嚴(yán)重，干擾大，影響載波通信的質(zhì)量；另外，用戶負(fù)載千變?nèi)f化造成網(wǎng)絡(luò)傳輸特性復(fù)雜多變

23、，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以表征。因此，抗干擾是低壓電力線載波技術(shù)必須克服的問(wèn)題。(2)總線抄表總線通信是目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表系統(tǒng)采用較多的一種通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸速度較快，可靠、穩(wěn)定，通信質(zhì)量高。目前使用的總線通信方式有rs-232、rs-485、lonworks等。但這種方式布線工作量大，通信信道易遭外界因素破壞，信道后續(xù)維護(hù)工作量大。(3)紅外抄表抄表員將錄有用戶信息的紅外手持抄表器拿到居民區(qū)數(shù)據(jù)集中器附近，通過(guò)紅外通訊方式集中采集各耗能表的數(shù)據(jù)，然后返回主站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。這種方式在紅外可視距離內(nèi)能非接觸的讀取儀表數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單方便，實(shí)現(xiàn)較可靠，且成本較低，被眾多的軟件和硬件平臺(tái)所支持

24、。其缺點(diǎn)是速率較低，易受外界環(huán)境的影響。(4)gsm短信息抄表gsm短信息抄表系統(tǒng)在用戶端安裝集控器和無(wú)線發(fā)射終端，將用戶的耗能數(shù)據(jù)通過(guò)gsm網(wǎng)以短信息(sms)的形式上傳到gsm網(wǎng)的sms中心，sms中心將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)專線傳遞給能源管理部門。gsm短信息抄表不占用話音通信的信道，費(fèi)用低。gsm網(wǎng)的覆蓋面幾乎遍及全國(guó)，故不需要建新基站，抄表不受距離和空間的限制。但每條短信息通信容量有限，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞和丟失現(xiàn)象，不適合在業(yè)務(wù)量大的系統(tǒng)中應(yīng)用。(5)gprs抄表gprs抄表系統(tǒng)通過(guò)gprs網(wǎng)連接到internet網(wǎng)與主站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。用戶的耗能數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)gprs發(fā)射

25、模塊處理、協(xié)議封裝后發(fā)送出去，由gprs接收模塊接收經(jīng)internet網(wǎng)絡(luò)傳送至主站，實(shí)現(xiàn)用戶耗能數(shù)據(jù)和主站的實(shí)時(shí)在線連接。gprs以gsm網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用分組交換的高效率傳輸方式，克服了gsm電路變換速率低、資源利用率差等缺點(diǎn)，最大限度地利用了現(xiàn)有的gsm網(wǎng)絡(luò)資源。它的傳輸速率高，接入時(shí)間短，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本，特別適合突發(fā)性小流量數(shù)據(jù)傳輸。2.1.2方案選擇結(jié)合國(guó)內(nèi)外抄表系統(tǒng)的發(fā)展，在自動(dòng)抄表技術(shù)應(yīng)用到的所有通信模式中，各種方案都存在著不同程度的缺陷，尤其是我國(guó)目前的低壓電力網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題很多，因此任何一種采用單一技術(shù)的通信方案都很難完全滿足客戶的多重要求。即使在很大程

26、度上達(dá)到了要求，但須付出的代價(jià)也難以承受。為解決這類矛盾，本文提出了復(fù)合通信方案。所謂復(fù)合通信方案，就是在自動(dòng)抄表的不同通信階段采用不同的通信方式。根據(jù)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及傳輸距離，系統(tǒng)的通信分為底層通信和上層通信。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量不太大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段(耗能表到采集器，采集器到集中器)可以使用有線通信，以保證數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量；對(duì)于傳輸距離較遠(yuǎn)的上層通信(集中器到主站)，則可采用無(wú)線通信，減少施工量，節(jié)約成本。選擇什么樣的方式相互配合，需根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮，混合使用的各種通信方式之間要有很好的相容性，不能相互干擾。在方案論證的前提下，出于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的考慮，用戶耗能表與采集器

27、，以及采集器與集中器之間傳輸距離短，系統(tǒng)采用rs-485總線作為通信信道，以實(shí)現(xiàn)專線專用。其通信成功率幾乎為100%，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄收，實(shí)時(shí)監(jiān)控，配套設(shè)備成本最低。既保證了通信質(zhì)量，成本又不是很高，其通信協(xié)議可根據(jù)需要靈活制定。集中器與主站之間由于傳輸距離較遠(yuǎn)，環(huán)境復(fù)雜，采用專線通信成本太大，工程復(fù)雜，信道易遭破壞，因此系統(tǒng)選擇gprs無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需另外布線，抗干擾性好，抄表范圍廣，系統(tǒng)傳輸容量大，數(shù)據(jù)傳送速率高，建設(shè)成本及通信費(fèi)用低等。2.2 gprs通訊技術(shù)介紹gprs(general packet radio service)是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，構(gòu)建在gsm網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上

28、，對(duì)原有的gsm網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)備及功能進(jìn)行了升級(jí)和增強(qiáng)，被稱為2.5g系統(tǒng)。gprs采用了與gsm同樣的無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的帶寬、同樣的跳頻規(guī)則和同樣的tdma幀結(jié)構(gòu)，因此現(xiàn)有的gsm網(wǎng)絡(luò)可以很容易地提供gprs業(yè)務(wù)。它支持tcp/ip協(xié)議，是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，無(wú)需經(jīng)過(guò)pstn等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，就可直接將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式與internet互傳。因此gprs業(yè)務(wù)在無(wú)線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、移動(dòng)辦公等行業(yè)中具有無(wú)可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。2.2.1 gprs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，gprs網(wǎng)絡(luò)是對(duì)gsm的平滑升級(jí)，通過(guò)在gsm系統(tǒng)的無(wú)線側(cè)新增pcu（packet control unit)

29、作為分組接入和控制單元，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)新增sgsn(serving gprs support node)和ggsn(gateway gprs support node)實(shí)施用戶管理和分組支撐，將電路交換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)合二為一，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效利用，拓展系統(tǒng)功能。gprs服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)sgsn(serving gprs support node)的主要功能是對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行鑒權(quán)和移動(dòng)性管理，建立移動(dòng)終端到ggsn的傳輸通道，接收從bss傳送來(lái)的移動(dòng)終端分組數(shù)據(jù)，通過(guò)gprs骨干網(wǎng)傳送給ggsn或者將分組發(fā)送到同一服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端。sgsn還可以集成計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)、邊緣網(wǎng)關(guān)(負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)gprs網(wǎng)絡(luò)之間的

30、互連)和防火墻的功能。圖2-1gprs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖gprs網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)ggsn(gateway gprs support node)是連接gprs網(wǎng)絡(luò)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)路由器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)己經(jīng)激活的gfrs用戶的路由信息。ggsn接收移動(dòng)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的外部網(wǎng)絡(luò)，或接收來(lái)自外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，通過(guò)隧道(tunnel技術(shù)，傳送給相應(yīng)的sgsn。另外ggsn還可具有地址分配、計(jì)費(fèi)、防火墻功能。sgsn和ggsn兩節(jié)點(diǎn)可分可合，即它們的功能既可以由一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)全部實(shí)現(xiàn)，也可以由不同的物理節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)ggsn和sgsn都至少擁有一個(gè)網(wǎng)內(nèi)固定ip地址

31、，它們都應(yīng)有ip路由功能，并能與ip路由器互連。gprs骨干網(wǎng)絡(luò)是ip的網(wǎng)絡(luò)，提供gprs內(nèi)部和gprs之間的通信。對(duì)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，gprs系統(tǒng)中的ggsn就是一個(gè)路由器，實(shí)現(xiàn)gprs骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(x.25網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)或atm網(wǎng))之間的路由尋址功能。因?yàn)椴捎孟嗤膮f(xié)議，gprs可以看作是internet的子網(wǎng)，能夠使用gprs的移動(dòng)終端可以視為移動(dòng)主機(jī)。每一個(gè)gprs終端都有一個(gè)自己的ip地址，并可以依據(jù)此尋址。pcu(分組控制單元)與bsc(base station controller)協(xié)同作用，提供無(wú)線數(shù)據(jù)的處理功能，如邏輯鏈路與物理鏈路的映射，數(shù)據(jù)包的拆封和確認(rèn)，無(wú)線數(shù)據(jù)信

32、道的分配等。pcu可作為模塊單元插入bsc，或者作為獨(dú)立于bsc的單元存在。2.2.2 gprs技術(shù)優(yōu)勢(shì)gprs通訊技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(l)價(jià)格合理，資源利用率高。gprs引入了分組交換的傳輸模式，使得用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無(wú)線信道，從而提高了資源的利用率。gprs通訊采取按流量計(jì)費(fèi)的方式，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。(2)傳輸速率高。gprs的數(shù)據(jù)傳輸速度理論最高可達(dá)到115kbps-170kbps，是常用有線modem理想速率的兩倍，是當(dāng)前gsm網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速度的十幾倍。(3)接入時(shí)間短。分組交換接入時(shí)間少于1秒，能提供

33、快速及時(shí)的連接，可大幅度提高一些事務(wù)(如信用卡核對(duì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等)的效率，并可使己有的internet應(yīng)用(如e-mail、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等)操作更加便捷、流暢。(4)基于ip協(xié)議，可提供強(qiáng)大的internet接入能力。(5)永遠(yuǎn)在線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。下面我們以列表的形式從實(shí)際應(yīng)用中將gprs通訊技術(shù)與其他的無(wú)線的通訊技術(shù)進(jìn)行一下比較，如表2-1所示。表2-1gprs與無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的比較 傳輸方式比較內(nèi)容gprs短消息無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)覆蓋范圍全國(guó)全國(guó)不大于20km建設(shè)費(fèi)用一般低高施工難度較低低高計(jì)費(fèi)方式流量，無(wú)月租0.1元/條占頻費(fèi)運(yùn)行費(fèi)用較低較高一般通信速率20kbps-1.2kbps可靠性較高

34、一般一般傳輸時(shí)延短不確定短維護(hù)成本低低高通過(guò)以上客觀分析可以看出，無(wú)論從建設(shè)周期、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，還是系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和技術(shù)的先進(jìn)性等用戶比較關(guān)心的角度而言，gprs技術(shù)在遠(yuǎn)程的分散數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)越性。因此，在分布范圍較廣，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，gprs通訊技術(shù)比較合適，同時(shí)它也符合遠(yuǎn)程測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，那就是測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的融合。2.3無(wú)線抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)方案論證與選擇，系統(tǒng)的總體方案也隨之確定，按照無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和要實(shí)現(xiàn)的功能，將本系統(tǒng)大體分為三個(gè)功能部分:無(wú)線抄表終端（下位機(jī)）、通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心（上位機(jī)）。上位機(jī)監(jiān)控中心服務(wù)器

35、不管采用何種方式接入internet都必須有固定ip地址，并對(duì)各終端開(kāi)放相應(yīng)的偵聽(tīng)端口，在接人網(wǎng)絡(luò)后需盡量保持在線。下位機(jī)終端完成對(duì)多功能電能表的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)及事件上報(bào)等任務(wù)。其中智能電表部分直接采用市面上現(xiàn)有的大唐公司的產(chǎn)品，該部分已經(jīng)完成了電能數(shù)據(jù)的采集，并按照規(guī)約格式發(fā)送數(shù)給之后的采集終端，從而不再做具體設(shè)計(jì)。2.3.1系統(tǒng)框圖及工作原理圖2-2給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，其中抄表終端的gprs通信部分將是本論文的重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分。下面簡(jiǎn)單介紹本系統(tǒng)的工作原理。下位機(jī)終端工作后會(huì)主動(dòng)與服務(wù)器建立連接，告知服務(wù)器自己的終端地址，服務(wù)器收到后將其加到動(dòng)態(tài)地址數(shù)據(jù)庫(kù)中，服務(wù)器自動(dòng)定時(shí)刷新

36、數(shù)據(jù)庫(kù)以確定哪些表還掛在網(wǎng)絡(luò)上，再根據(jù)管理員設(shè)定的自動(dòng)抄表時(shí)間對(duì)連接在網(wǎng)絡(luò)上的終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取、校時(shí)等操作。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，始終保持這一連接不斷開(kāi)，一旦斷開(kāi)必須重新建立連接，保證gprs模塊“永遠(yuǎn)在線”。下位機(jī)終端接入internet網(wǎng)要通過(guò)兩個(gè)過(guò)程:gprs附著過(guò)程(通過(guò)基站系統(tǒng)bss與節(jié)點(diǎn)sgsn建立連接)，pdp上下文激活過(guò)程(通過(guò)節(jié)點(diǎn)ggsn)。因本文設(shè)計(jì)的終端采用內(nèi)嵌tcp/ip協(xié)議棧，這兩個(gè)接入過(guò)程只需使用at命令就可以實(shí)現(xiàn)。 在下位機(jī)終端接入internet后，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，我們知道internet網(wǎng)的傳輸層上支持tcp，udp等協(xié)議，它們是tcp/ip協(xié)議族中

37、的協(xié)議，因此在移動(dòng)終端分配到ip地址，要對(duì)傳輸層上的協(xié)議進(jìn)行選擇，接下來(lái)就來(lái)了解一下gprs通訊的傳輸層協(xié)議。圖2-2系統(tǒng)總體方案圖2.3.2 gprs通訊的傳輸層協(xié)議選擇gprs通訊是基于tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊，它支持兩種不同的傳輸層協(xié)議，分別是面向連接的tcp協(xié)議和無(wú)連接的udp協(xié)議。(l)tcp協(xié)議tcp協(xié)議:傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的，可靠的傳輸層協(xié)議。面向連接是指一次正常的tcp傳輸需要通過(guò)在tcp客戶端和tcp服務(wù)端建立特定的虛電路連接來(lái)完成，該過(guò)程通常被稱為“三次握手”。如圖2-3圖2-3tcp協(xié)議連接的三次握手tcp報(bào)文格式如圖2-4所示:l 源端口號(hào):16位字段，在主

38、機(jī)中發(fā)送這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號(hào)，這和前面介紹的udp源端口號(hào)的作用是一樣的。l 信宿端口號(hào):16位字段，在主機(jī)中接收這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號(hào)，和udp的目標(biāo)端口號(hào)的作用是一樣的。l 序號(hào):這個(gè)32位字段定義了指派給本報(bào)文段第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的一個(gè)數(shù)。tcp是流式傳輸協(xié)議。為了保證連通性，要發(fā)送的每一個(gè)字節(jié)都要編號(hào)。序號(hào)可以告訴目的端，這個(gè)序號(hào)中的哪個(gè)字節(jié)是報(bào)文段的第一個(gè)字節(jié)，目的進(jìn)程在知道數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度后就可以確定最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。l 確認(rèn)號(hào):這個(gè)32位字段定義了源進(jìn)程期望從對(duì)方接收的報(bào)文段的序號(hào)。l 首部長(zhǎng)度:這個(gè)4位字段指出了tcp首部共有多少個(gè)4字字節(jié)。首部長(zhǎng)度可以在20-60字節(jié)之

39、間。因此，這個(gè)字段的值可以在5(5x4=20)至15(15x4=60)之間。l 保留:這是6位字段，保留為今后使用。l 標(biāo)識(shí)域:這個(gè)6位字段定義了6種不同的控制位或標(biāo)志，在同一時(shí)間可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)這樣的位。l 窗口大小:這個(gè)16位字段定義了對(duì)方必須維持的窗口值(以字節(jié)為單位)。tcp校驗(yàn)和:tcp首部+數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。l 緊急指針:只有當(dāng)緊急標(biāo)志置位時(shí)，這個(gè)16位字段才有效，這時(shí)的報(bào)文段中包括緊急數(shù)據(jù)。緊急指針定義了一個(gè)數(shù)，把這個(gè)數(shù)加到序號(hào)上就得出報(bào)文段數(shù)據(jù)部分中最后一個(gè)緊急字節(jié)。l 選項(xiàng):在tcp首部中可以有多達(dá)40字節(jié)的可選信息。源端口source port（16bit）宿端口destin

40、ation port（16bit）序列號(hào)sequence number(32bit)40個(gè)字節(jié)確認(rèn)號(hào)acknowledgement number（32bit）頭長(zhǎng)度*4reserved（6bit）urgackpshrstsynfin窗口大小window size（16bit）校驗(yàn)和checksum（16bit）緊急指針urgent pointer（16bit）選項(xiàng)options(0或多個(gè)32bit字)數(shù)據(jù)data(可選)圖2-4tcp報(bào)文格式(2)udp協(xié)議udp是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議的簡(jiǎn)稱。它位于tcp/ip協(xié)議集中，與tcp相對(duì)應(yīng)，是一種提供應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)報(bào)的機(jī)制。將每臺(tái)機(jī)器看作是一些抽象

41、的協(xié)議端口的集合，協(xié)議端口能區(qū)分在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行的多個(gè)程序。每個(gè)udp報(bào)文不僅傳送用戶數(shù)據(jù)，還包括發(fā)送方和接收方的協(xié)議端口號(hào)，以使接收方的udp軟件能將報(bào)文送到正確的接收進(jìn)程，并回送應(yīng)答報(bào)文給對(duì)應(yīng)的發(fā)送進(jìn)程。udp使用底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)傳送報(bào)文，同ip一樣，提供不可靠的無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。它不提供報(bào)文到達(dá)確認(rèn)、排序以及流量控制等功能，因此報(bào)文可能會(huì)丟失、重復(fù)、以及亂序等。而可靠性的問(wèn)題將由使用udp的應(yīng)用程序來(lái)解決。每個(gè)udp報(bào)文稱為一個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)，分udp報(bào)頭和udp數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。報(bào)頭由四個(gè)16位長(zhǎng)的字段組成，分別說(shuō)明該報(bào)文的源端口、目的端口、報(bào)文長(zhǎng)度以及校驗(yàn)和。udp報(bào)文格式如圖2-5所示

42、。16位源端口號(hào)16位目的端口號(hào)16位udp長(zhǎng)度16位udp校驗(yàn)和數(shù)據(jù)（如果有）圖2-5udp報(bào)文格式綜上所述，再結(jié)合gprs網(wǎng)絡(luò)的情況具體談一下它們的區(qū)別:l)從對(duì)系統(tǒng)資源的要求上看，tcp較多，udp少。2)udp程序結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。3)tcp是基于流模式的，udp是基于數(shù)據(jù)報(bào)模式的。4)tcp保證數(shù)據(jù)正確性和數(shù)據(jù)的順序，udp可能會(huì)丟包，數(shù)據(jù)順序也沒(méi)有保證。5)tcp傳輸存在一定的延時(shí)，大概是1600ms，udp響應(yīng)速度稍微快一些。6)從gprs網(wǎng)絡(luò)端口資源分析，udp十分緊缺，變化很快。而tcp采用可靠鏈路傳輸，不存在端口變化的問(wèn)題。本系統(tǒng)中要求監(jiān)控中心和gprs模塊能相互的、實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)

43、據(jù)。tcp本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個(gè)實(shí)時(shí)的雙向的傳輸通道，能很好的滿足這一要求。而對(duì)于udp傳輸，在一段時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)流量后，端口容易改變，產(chǎn)生的影響就是從監(jiān)控中心向gprs模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，gprs模塊接收不到。從通訊的可靠性方面來(lái)說(shuō)，不容許傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失或者最大限度的要求數(shù)據(jù)的可靠性。否則，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。從這一點(diǎn)來(lái)看，很顯然在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，tcp比udp更能保證數(shù)據(jù)的完整性、可靠性，存在更小的丟包率。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，要求降低費(fèi)用，和費(fèi)用直接相關(guān)的就是流量了，流量低，費(fèi)用就低了。雖然tcp本身的包頭要比udp多，但是udp在實(shí)際應(yīng)用中往往需要維護(hù)雙向通道，就必須要通過(guò)大

44、量的心跳包數(shù)據(jù)來(lái)維護(hù)端口資源?？偟谋容^起來(lái)，udp的實(shí)際流量要比tcf還要大?；趯?duì)以上幾點(diǎn)的考慮，本文認(rèn)為tcp傳輸更能滿足本系統(tǒng)對(duì)通訊的要求，所以在本系統(tǒng)的gprs通訊部分，選擇了tcp協(xié)議。2.3.3 gprs通訊模式選擇為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，gprs通訊模式的選擇必須從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是下位機(jī)終端gprs模塊的通訊模式，一個(gè)是監(jiān)控中心的通訊模式。下面分別介紹:gprs終端單元可以工作在三種工作模式下:永遠(yuǎn)在線模式、中心呼號(hào)模式和定時(shí)傳輸模式，下面以傳輸tcp數(shù)據(jù)報(bào)為例來(lái)說(shuō)明三種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式下，gprs終端單元的工作流程。(1)實(shí)時(shí)在線模式描述:保持gprs模塊與監(jiān)控中心的永久

45、連接。工作過(guò)程:gprs模塊啟動(dòng)后自動(dòng)連接gprs網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)監(jiān)控中心的ip地址自動(dòng)連接監(jiān)控中心，并保持和維護(hù)鏈路的連接，當(dāng)鏈路發(fā)生異常時(shí)，gprs模塊自動(dòng)重新建立與監(jiān)控中心的連接。實(shí)時(shí)在線模式下，終端要通過(guò)發(fā)送心跳包來(lái)維持與數(shù)據(jù)中心之間的鏈路。終端系統(tǒng)啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)設(shè)定心跳時(shí)間到時(shí)，dtu向數(shù)據(jù)中心發(fā)送設(shè)定的心跳包。流程圖如圖2-6所示。gprs模塊撥號(hào)成功ppp協(xié)商成功終止連接建立tcp連接數(shù)據(jù)處理發(fā)送心跳包發(fā)送數(shù)據(jù)tcp連接成功？待發(fā)送數(shù)據(jù)？保活時(shí)間到？接收到數(shù)據(jù)？yyyyn圖2-6實(shí)時(shí)在線模式流程圖(2)中心呼叫模式描述:由數(shù)據(jù)中心發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，gprs模塊應(yīng)答并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。工作

46、過(guò)程:當(dāng)監(jiān)控中心需要收集或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出呼叫指令，gprs模塊立即連接gprs網(wǎng)絡(luò)并登錄監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)，按照中心的指令傳輸數(shù)據(jù)或執(zhí)行操作，流程圖如圖2-7所示。由于該模式下，每次通訊都有由中心發(fā)出呼叫指令，隨后等待gprs抄表模塊的響應(yīng)，而響應(yīng)的過(guò)程一般較為漫長(zhǎng)，所以會(huì)引起較大延時(shí)，不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。收到來(lái)電掛掉電話gprs模塊撥號(hào)成功ppp協(xié)商成功建立tcp連接終止連接tcp連接成功？ny數(shù)據(jù)傳輸完畢終止tcp連接切換到命令狀態(tài)模塊復(fù)位等待來(lái)電圖2-7中心呼叫模式流程圖(3)定時(shí)傳輸模式描述:gprs模塊根據(jù)事先設(shè)置的定時(shí)間隔向數(shù)據(jù)中心(dsc)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收發(fā)完畢，自動(dòng)斷線

47、。在該模式下，工作流程和中心呼叫模式相似，不同之處在于，定時(shí)傳輸模式是在設(shè)定時(shí)間到時(shí)終端登錄gprs網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，終端等待下一次預(yù)定時(shí)間到時(shí)登錄gprs網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心，傳輸數(shù)據(jù)。在無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，考慮到無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)要求的是實(shí)時(shí)，雙向的數(shù)據(jù)傳輸，而且gprs通訊是按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中選用永遠(yuǎn)在線的模式，即讓下位機(jī)終端的gprs模塊啟動(dòng)后就主動(dòng)連接監(jiān)控中心，并且在以后的時(shí)間里一直維護(hù)鏈路的暢通，以保證通訊的正常進(jìn)行。監(jiān)控中心的通訊模式也是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)，由于gprs網(wǎng)絡(luò)和internet網(wǎng)絡(luò)一樣是基于tcp/ip協(xié)議的，并且它們是互通的。所以，監(jiān)控中心

48、的通訊模式就有兩種，一種是直接通過(guò)gprsmodem或者專線的方式接入到gprs網(wǎng)絡(luò)中，從而與下位機(jī)終端的gprs模塊完成通訊；另外一種就是先接入internet網(wǎng)絡(luò)，利用internet網(wǎng)絡(luò)與gprs網(wǎng)絡(luò)可以互通的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)終端gprs通訊。在本系統(tǒng)中，監(jiān)控中心以固定ip連接的方式接入internet網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)gprs網(wǎng)關(guān)ggsn接入gprs網(wǎng)絡(luò)，下位機(jī)終端在進(jìn)入gprs網(wǎng)絡(luò)之后，就可以連接這個(gè)固定地址來(lái)與監(jiān)控中心建立無(wú)線的連接，從而組建遠(yuǎn)程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行基于tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊。2.3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求自動(dòng)抄表系統(tǒng)是由各功能模塊組合而成的控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)考慮各方面的

49、因素影響。現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的設(shè)備和產(chǎn)品五花八門，功能很多，價(jià)格也很昂貴，如果一味追求高端、先進(jìn)，會(huì)使成本過(guò)高，功能過(guò)剩，造成不必要的浪費(fèi)。結(jié)合系統(tǒng)的功能指標(biāo)需求，應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的前提下，不斷提高抄表系統(tǒng)的性能。我們?cè)谶M(jìn)行具體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):(l)技術(shù)的成熟性及先進(jìn)性:系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須采用成熟而先進(jìn)的技術(shù)，使系統(tǒng)在今后一段時(shí)間內(nèi)都處于領(lǐng)先地位，延長(zhǎng)系統(tǒng)的生命力。(2)系統(tǒng)的可靠性:數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的通訊都必須準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)各部分的抗干擾、抗攻擊能力要強(qiáng)，要求能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。(3)系統(tǒng)的方便性:系統(tǒng)的構(gòu)建、調(diào)試要盡可能方便，施工、安裝要方便。系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，維護(hù)工作量要少。(4)系

50、統(tǒng)的可擴(kuò)充性:系統(tǒng)要能夠根據(jù)用戶的數(shù)量，調(diào)整安裝結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要升級(jí)或擴(kuò)充功能，并且備有廣域聯(lián)網(wǎng)的功能。(5)系統(tǒng)的開(kāi)放性:今后的發(fā)展趨勢(shì)是多元化的，因此系統(tǒng)在選用通信協(xié)議以及硬件接口時(shí)都要符合開(kāi)放的系統(tǒng)規(guī)范。2.4本章小結(jié)在本章中，首先論述了不同的方案優(yōu)缺點(diǎn)，在考慮系統(tǒng)性能要求的前提下決定了最終的設(shè)計(jì)方案。然后對(duì)gprs的工作原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究表明gprs無(wú)線通訊技術(shù)在覆蓋范圍大、實(shí)時(shí)性好、免網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、傳輸速率快、數(shù)據(jù)量大、按流量計(jì)費(fèi)和可以接入internet等方面的優(yōu)點(diǎn)，非常適合運(yùn)用在無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中；最后，在以上各工作的基礎(chǔ)之上，完成了系統(tǒng)的各模塊定

51、義、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、及工作原理和設(shè)計(jì)要求的分析等工作。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)終端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)成以arm7微處理器為核心，在nucleus plus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下完成信號(hào)參數(shù)采集、控制命令執(zhí)行和通訊等功能的測(cè)控及通訊裝置。對(duì)硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)要求包括:(1)功能性要求:所設(shè)計(jì)出的硬件平臺(tái)必須能充分支撐其上的軟件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，準(zhǔn)確、迅速地完成智能電表相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)和事件的監(jiān)測(cè)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、上報(bào)處理；實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行監(jiān)控中心的控制命令具備簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，便于現(xiàn)場(chǎng)了解信息、控制和調(diào)試；滿足應(yīng)用程序遠(yuǎn)程下載升級(jí)和未來(lái)其他功能擴(kuò)展對(duì)硬件平臺(tái)的要求。(2)性能要求:要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能適

52、應(yīng)環(huán)境的要求，具體表現(xiàn)為有很好的抗干擾性性能，其中最主要的是抗電磁干擾的性能。(3)經(jīng)濟(jì)性要求:在此基礎(chǔ)上還要考慮實(shí)現(xiàn)此終端系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。3.1終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，終端選用lpc2138為主控mcu，利用其片上的512kflash，32kram作為程序存儲(chǔ)及運(yùn)行空間：片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)測(cè)定誤差在1s/天內(nèi)，以32.768khz晶振和3.3v的銀鋅紐扣電池為獨(dú)立的時(shí)鐘源和電源，用于抄表時(shí)間控制和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示，外接一片12c接口的e2promat24c16(16kbit)存儲(chǔ)終端參數(shù)，一片spi接口的flashat45db32(32mbit)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程軟件升級(jí)時(shí)暫存接收到的新程序；

53、液晶屏用于顯示終端當(dāng)前參數(shù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)和抄表數(shù)據(jù)，可由按鍵控制顯示頁(yè)面切換和更改終端地址。系統(tǒng)時(shí)鐘和rtclcd及按鍵lpc2138多功能電表rs485mc55開(kāi)關(guān)本地調(diào)試接口系統(tǒng)電源及電源監(jiān)控電路e2promflash圖3-1終端硬件原理圖lpc2138通過(guò)uarto以rs232電平與gprs模塊mc55連接，用at命令控制其登錄互聯(lián)網(wǎng)，建立與主站的連接后按國(guó)家電網(wǎng)公司的電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約-2004與之通信。終端通過(guò)uart1以rs485電平與電表連接，按各電表協(xié)議如多功能電能表通信規(guī)約dl/t 645-1997獲取抄表數(shù)據(jù)。3.2 arm控制單元及相關(guān)外圍電路3.2.1 arm控制

54、單元在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一般采用微處理器或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速信息處理、數(shù)字化控制及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)啟停時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)的可靠性不如采用專用芯片實(shí)現(xiàn)的微處理器系統(tǒng)，因此在可靠性要求很高的場(chǎng)合，多采用微處理器作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制器。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，作為主控制器的微處理器對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)提高具有舉足輕重的作用，因此選擇性能優(yōu)良的微處理器是提高控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。對(duì)它的主要要求是有較大容量的存儲(chǔ)器、高速的運(yùn)算速度、豐富的集成外圍模塊、足夠的i/o口以及較好的適用環(huán)境的能力等等?？紤]到以上因素，本系統(tǒng)最終決定選用philips公司的32位arm7系列l(wèi)pc2138作為該系統(tǒng)的微處

55、理器，其強(qiáng)大的功能可以大大簡(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。下面就簡(jiǎn)單介紹一下lpc2138的情況。lpc2138是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位arm7tdmi-stmcpu，lpc2138的主要特性如下:(1)單電源供電，cpu操作電壓范圍:3.03.6v(3.3v+/-10%)，含有上電復(fù)位(por)和掉電檢測(cè)(bod)電路.(2)小型的lqfp64封裝上包含多達(dá)47個(gè)通用i/o口(可承受5v電壓)，這些gpio內(nèi)部設(shè)有上拉電阻，輸入輸出方式可選?？诰€與其他功能復(fù)用，可進(jìn)行相關(guān)的連接配置選擇。(3)片內(nèi)晶振頻率范圍:1-30mhz。通過(guò)片內(nèi)pll可實(shí)現(xiàn)最大為60mhz的cpu操作頻率，pll

56、的穩(wěn)定時(shí)間為1oous。(4)32kb片內(nèi)靜態(tài)ram，512kb片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器。(5)2個(gè)32位定時(shí)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、pwm單元(6路輸出)和看門狗。(6)2個(gè)16c550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)uart，2個(gè)高速i2c接口(400kbit/s)，一個(gè)spi和ssp(具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變)。(7)2個(gè)8路10位a/d轉(zhuǎn)換器共包含16個(gè)模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us。單個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生不同的模擬輸出。(8)向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址；通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。(9)2個(gè)低功耗模式:空閑和掉電；實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和時(shí)鐘源，在節(jié)電模式下極大地降低了功耗；可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外部功能和降低外部時(shí)鐘來(lái)優(yōu)化功耗。(10)片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(isp)和在應(yīng)用中編程(iap)；flash編程時(shí)間:1ms可編程256字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需400ms。3.2.2電源監(jiān)控及復(fù)位電路對(duì)于實(shí)際的arm應(yīng)用系統(tǒng)而言，由于arm芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)，因此可靠性是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。為了克服這種情