1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：电能远程自动抄表系统设计学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师：内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）I电能远程自动抄表系统设计摘 要自动抄表是指采用计算机技术和通信技术自动读取和处理表具数据的一种手段，是提高能耗管理部门自动化水平的需要，也是计算机技术和通信技术迅速发展的必然。它不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表差错，而且具有抄收速度快，抄表实时性好等优点。本课题通过方案对比以及系统的需求和功能分析，选择了在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务通用分组无线业务(GPRS) 。本文构成的自动
2、抄表系统采用点对多点的结构形式，设计了带 GPRS 功能的数据采集终端，该终端向下通过 RS485方式与智能电表连接，向上通过接入 Internet，利用 GPRS 通信方式与监测中心服务器通信。系统通过实际制作，实验室调试，基本上实现了远程自动抄表系统对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。关键词：自动抄表；通用分组无线业务；数据采集终端IIThe Implementation of Remote AutomaticReading MeterAbstractAutomatic meter reading is one method reading and processing da
3、ta antomiatically with computer and communication. It is the need of improving the automatic level of energy consumption and the necessity of rapid development of computer and communication technology too. It not only may relieve reading persons labor intensity, reduce the reading mistake, but also
4、has the advantage of high speed and good real-time.This design chosed one kind of new bearer service - general packet radio service (GPRS) which develops from the existing GSM system, after comparing scheme , analysising requirement and fuction, This automatic meter reading system used the structure
5、 of spot to multi-spots， designed a data acquisition terminal which have GPRS function, this terminal lower layer is adopt RS-485 bus topology, upper layer utilizes direct connection between GPRS and Internet turning on function, using GPRS mailing address and monitor center server correspondence. T
6、hrough actual manufacture and laboratory debugging, the acquisition, record and real-time detect of remote data from distribution can be realized automatically.Key words: automation meter reading; general packet radio service; data acquisition terminal内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III目 录摘 要 .IAbstract II第一章 引
7、 言 .11.1 自动抄表系统概述 11.2 自动抄表系统的研究背景及意义 11.2.1 研究背景 .11.2.2 研究意义 .21.3 国内外远程自动抄表系统的发展及现状 31.4 主要内容及安排 3第二章 GPRS 网络技术概述 52.1 GPRS 技术及优点 52.2 GPRS 系统介绍 62.2.1 GPRS 网络结构 .62.2.2 GPRS 网络传输协议平台 .82.2.3 GPRS 的数据传输 .92.2.4 GPRS 系统原理 .102.3 GPRS 的应用 112.4 本章小结 12第三章 电能远程自动抄表系统整体构建 .133.1 系统方案的选择 133.1.1 自动抄表系
8、统构建 .13IV3.1.2 数据传输形式的选择 .153.1.3 组网方式的选择 .163.2 系统整体方案的设计 173.3 系统的功能和特点 193.4 本章小结 20第四章 电能远程自动抄表系统的硬件设计 .214.1 电能表的概述 224.1.1 电能表的选择 .224.1.2 IC 卡电能表的简介 .234.1.3 IC 卡电能表的工作原理 .244.2 RS485 总线 .244.3 主控制器与外围电路的设计 254.3.1 AT89C51 芯片基本结构和特点 .264.3.2 微控制器外围电路的设计 .294.4 通信模块硬件设计 314.4.1 通信模块的比较选择 .314.
9、4.2 SIM100 简介 .334.4.3 GPRS 模块 SIM100 与外围电路设计 .354.4.4 GPRS 模块 SIM100 的调试 .384.5 本章小结 39第五章 电能远程自动抄表系统的软件设计 .405.1 AT 指令集 405.1.1 AT 指令简介 .40内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）V5.1.2 本系统用到的全部 AT 指令 .415.2 主程序设计 425.3 子程序设计 435.3.1 电能表的软件设计 .435.3.2 RS485 串行通信子程序 455.3.3 串口通信子程序 .475.4 本章小结 49第六章 总结与展望 .506.1 总结 50
10、6.2 展望 50参考文献 .52附录 A C51 源程序 54附录 B 远程自动抄表系统硬件图 .65致谢 .66内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1第一章 引 言1.1 自动抄表系统概述远程自动抄表系统( AMR，Automation Meter Reading )：一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统 1。作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的自动化带来了
11、方便。在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。自动抄表是信息时代发展的总趋势，自动信息交换为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息传递提高了现代数据管理的科学性、先进性。1.2 自动抄表系统的研究背景及意义1.2.1 研究背景在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的
12、能源管理和电力调度已经至关重要了。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2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。传统的人工抄表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. 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；3. 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
13、序。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。国家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，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。1.2.2 研究意义随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。它从根本上
14、克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。采用远程自动抄表系统有如下优势：1. 采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。2. 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。3. 采用远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败现内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3象等都有积极的意义。4. 采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单
15、错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。5. 电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。1.3 国内外远程自动抄表系统的发展及现状目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展历史。抄表技术的快速发展得益于 80 年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性
16、阶段。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、IC 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是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。1.4 主要内容及安排本文以远程自动抄表系统的设计为研究内容，对国内外抄表系统的现状进行详细了解后，结合自己所学知识，以 AT89C51 为控制芯片，搭建了
17、一个远程抄表系统，实4现电能数据的远程采集，传送等功能；对硬件电路、软件流程的设计做了详细的阐述。本文主要分以下章节：第一章 引言部分提出了自动抄表系统的概念，阐述了系统的研究背景及研究意义，介绍了国内外自动抄表系统的研究动态。第二章 详细地介绍了本设计中远程抄表系统的关键技术GPRS ，及其网络结构和传输协议等方面的内容。第三章 对基于 GRRS 的远程自动抄表系统进行了整体构建，确定了系统的整体设计方案。第四章 详细地阐述了远程抄表系统的硬件电路实现方案，并通过对比选择了适合本方案的微控制器和通信模块，并对其功能和特点做了详细说明。第五章 给出远程抄表系统的软件流程图，并说明了各过程的实现
18、方法。第六章 总结了电能远程自动抄表系统的设计过程所完成的任务，并对抄表系统的发展趋势做了展望。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5第二章 GPRS 网络技术概述GPRS( General Packet Radio Service )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 GSM( Global System for Mobile communication )向3G 过渡的一个桥梁。GPRS 是在 GSM 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统 2。2.1 GPRS 技术及优点GPRS 是在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，是
19、为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及 TDMA 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。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的 GPRS 覆盖。GPRS 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。GPRS 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。GPRS 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 IP，
20、可以用于 Internet 连接、数据传输等应用。GPRS 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 GPRS 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。GPRS 与 GSM 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GPRS 进行数据传输具有以下几方面的优点 2。1. 接入范围广GPRS 是在现有的 GSM 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以使用户6数据终端方便、快速、低成本的远程接入网络；2. 高速传输速率传输速率高，数据传输速度最高理论值可达 171.2kbps，
21、是当前 GSM 网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代 GPRS 业务的速度甚至可以达到 384kbps，完全可以满足用户应用需求；3. 快捷登陆接入时间短，GPRS 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，数据采集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接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收费；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
22、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。2.2 GPRS 系统介绍2.2.1 GPRS 网络结构GPRS 在现有的 GSM 网络基础上叠加了一个新的网络，通过增加一些硬件设备并对原有网络升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端、广域的无线 IP 连接。GPRS 的网络结构如图 2.1 所示。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）7S G S NS M S G M S C SM S - I W M SS M - S CH L 、 RG G S NS G S NB S SM TT E T EM S C / V L RS G S N E I RP D N其他 P
23、 L M N 网ECG dDA G s G r G cRU m G b G nG iG nG pG fB S S ： 基站子系统S M S ： 短消息服务T E ： 终端设备W I R : 设备标志寄存器I W M S C ： 网关 M S CS M - S C ： 短消息服务业务图 2.1 GPRS 网络结构从网络侧看，新增 SGSN(GPRS 服务支持节点)和 GGSN(GPRS 网关支持节点)这两种网络实体以及 Gb、Gn/Gp、Gi、Gr、Gf、Gd、 Gs、Gc 等接口而形成的移动分组数据网络。因此，GPRS 的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。GGS
24、N 在 GPRS 网络和公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如 ISDN 和 LAN 等。SGSN 纪录移动台当前位置信息，并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区所有用户提供双向的分组路由。表 2.1 GPRS 网络接口说明接口或参考点 说明R 非 ISDN 终端与移动终端的参考点8Gb SGSN 与 BSS 之间的接口Gc GGSN 与 HLR 之间的接口Gd SMS-GMSC 之间的接口，SMS-IWMSC 与 SGSN 之间的接口Gi GPRS 与外部分组数据之间的参考点Gn 同一 GSM 网络中两个 GSN 之间的接口Gp 不同 G
25、SM 网络中两个 GSN 之间的接口Gr SGSN 与 HLR 之间的接口Gs SGSN 与 MSC/VLR 之间的接口Gf SGSN 与 EIR 之间的接口Um MS 与 GPRS 固定网部分直接的无线接口2.2.2 GPRS 网络传输协议平台GPRS 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 GPRS 中使用图 2.2 所示的分层协议传输平台。应用I P / X 2 . 5R L CS D N C PL L CM A CG S M R FR L C B S S G PM A
26、 C网络业务G S M R F L I b i sS D N C PG T PL L C U D P / T C PB S S G P网络业务I PL i b i tL 2L 1I P / X . 2 5U D P / T C PP r i v I PL 2L 1G T PL 2T C P U D PL 1I P / X . 25L 2L 1I P / X . 25应用T C P U D PU mG bG n G iM SB S SS G S NG G S N主机图 2.2 GPRS 传输协议栈MS，BSS，SGSN，GGSN 的协议栈实现用户信息及有关信令信息的传送控制过程。内蒙古科技大学毕
27、业设计说明书（毕业论文）9Um 接口是 GSM 的空中接口。 Um 接口上的通信协议有 5 层，自下而上依次为物理层、MAC( Medium Access Control )层、LLC( Logical Link Control )层、SNDC( Subnetwork Dependant Convergence )层和网络层。 Um 接口的物理层为射频接口部分( GSM RF )，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。GSM 空中接口的载频带宽为 200kHz，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 GPRS数据，则原始数据速率可达 200kbps。考虑前向纠错
28、码的开销，则最终的数据速率可达164kbps2。数据包从 TE 传到 MS 要经过四个接口：Gi，Gn， Gb 和 Um。在实际应用设计中，最关键的接口是 Um 接口、Gi 参考点( reference point )以及 R 参考点，如图 2.3 所示。Um 是 MT 和 GPRS 网络进行无线连接的空中接口。Gi 是 GPRS 网与外部数据网(指分组数据网 PDN，如 Internet 和其它网络如 X.25，X.75 等)的数据通信接口。R 参考点则把 TE 和 MT 结合为 MS，即是硬件设计要着重考虑的部分。移动终端( T E )移动终端( M T )G S M G P R S网络
29、1P N D 或者其他网络G S M G P R S网络 2R 参考点U m 空中接口 ， M S 与 G P R S 固定网之间无线接口G i 接口参考点G p 参考点移动台 M S图 2.3 GPRS 实际应用接口2.2.3 GPRS 的数据传输移动台和外部数据网络之间传输的数据为 PDP 协议数据单元(PDU)，PDP PDU 在移动台和 GGSN 之间传输时，是以 N-PDU 的形式传输的，每个 N-PDU 最大为 1500字节。如果比 1500 字节小，可以正常传输，如果比 1500 字节长，则传输时必须将其10分段，如果不支持分段功能，就只能将其丢弃。GGSN 和 SGSN 之间，
30、PDP PDU 将其封装后，利用隧道协议传输，GTP PDU 头中有 GSN 的地址，便于寻址。GTP PDU 的头部还包括隧道标示，用于唯一的标示一个 PDP 上下文。SGSN 之间，PDP PDU 利用SDNCP 协议传输，在这里 PDP 上下文通过临时逻辑链路标示( TLLI )和网络层接入点标示( NASPI )来唯一标示，如图 2.4 所示。外部数据网T EM SSGSNGGSNP D PP D UP D PP D UP D PP D UP D PP D U临时逻辑链路I D ( T L L D )网络层接入点I D ( N S A I D )G S N 地址用于传输隧道表示用于标示
31、 P D P 上下文图 2.4 GPRS 数据传输过程由上图可以看出，GPRS 支持外部网络与移动台之间的透明传输，在数据传输时，在移动台、SGSN、GGSN 中把数据包封装起来，根据移动台、SGSN 、GGSN 中的PDP(分组数据协议)Context 选择路由传输数据包。GPRS 骨干网利用 GPRS 隧道协议GTP 对 IP 或 X.25 分组进行封装，然后将 GTP 协议数据单元插入 TCP PDU 或者 UDP PDU 中，而 TCP PDU 或 UDP PDU 又是封装在 IP PDU 中进行传输。在 IP 和 GTP PDU 头部分别包含地址的隧道端点标识符(TID) ，用它们来
32、唯一确定地址和 PDP Context，从而正确地将数据包传输到目的地。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）112.2.4 GPRS 系统原理MS 与 GSM 基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，GPRS 分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心(MSC) 连接到语音网络上。 SGSN 与 GGSN 进行通信GGSN 对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自 Internet 标识有移动台地址的IP 包，由 GGSN 接收，再转发到 SGSN，继而传送到 MS。SGSN 通过帧中继与 BTS相连，是 GSM 网络与 MS 之间的接口。SGSN 的主要作用是记录 MS 的当前位
33、置信息，并在 MS 和 GGSN 之间完成移动分组数据的发送和接收)。GGSN 通过基于 EP 协议的GPRS 骨干网连接到 SGSN，将 GSM 网络中的 GPRS 分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网。GGSN 是连接 GSM 网络和外部分组交换网( Internet 和Intranet )的网关。其原理图结构如图 2.5 所示：B T S B S CP C UM S CS G S N G G S NP S I NI S D NP L M NP D NI n t e r n e t图 2.5 GPRS 系统原理图2.3 GPRS 的应用GSM 系统是目前最流行的移动通信系统，它
34、的主要应用是语音通信。虽然 GSM系统也有数据通信功能，但是传输速率只有 9.6kbps，每次传输之前都要拨号上网。GPRS 网络的出现就是为了克服 GSM 网络在数据应用方面的缺点。GPRS 是欧洲电信标准化协会(ETSI)制定的技术标准，其目的是为了增强现有 GSM 网络对数据业务的支撑能力，从而延长 GSM 技术的生命力，保护 GSM 网络投资。GPRS 是在现GSM900/1800 双频系统上开发的 PDP(个人数据传输协议，目前主要是 IP)数据传输应12用系统。全双工、间隙收发，可以同时多路应用而不互相干涉。具有永远在线的特点：数据传输设备接入 GPRS 网络，只要设备不挂断通讯，
35、则无论设备是否收发数据，将一直保持在线，甚至可以一直保持零通讯量一旦有其它设备呼叫，它能够立即响应进行数据传输。支持一对多和多对多数据传输应用，通过 GPRS 设备连接互联网，就如同使用调制解调器上网一样方便快捷，是比较理想的无线数传方式。目前 GPRS 技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型数据。块( 包) 数据典型的应用为电能计量和抄表等系统，其应用环境通常是配电网，分布的面很广，单独为其建立通信网成本很高，维护困难。由于此种数据类型应用一般为非实时传送，因此就更加适合 GPRS 网络的特性，在实际使用中也反映出 GPRS 网络能非常好的支持这类应用。2.4 本章小结本
36、章系统的介绍了 GPRS 无线通信技术的有关知识。从 GPRS 系统的总体结构、传输协议结构、网络特性等方面详细介绍了 GPRS 系统，为安全、稳定的将 GPRS 技术应用于远程自动抄表系统、解决组网及接入等问题提供了技术上的支持。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）13第三章 电能远程自动抄表系统整体构建远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，从宏观的角度，它分为硬件平台和系统软件两部分。作为电力配电自动化系统的一个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。本课题的远
37、程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的 GPRS 技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。3.1 系统方案的选择3.1.1 自动抄表系统构建“一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点：系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。目前存在的抄表方式各有其适用场合：红外抄表只适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS-485 总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS 通信网的通
38、信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式 3。在实际应用中，可以将多种自动抄表方式结合起来，构成一种复合式自动抄表方式。本文构建的复合式自动抄表系统整体采用分布式体系结构，该系统由四部分组成：监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图 3.1 所示。自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采集采用 RS-485 总线型通信方式。这种方式是以一条串行总线连14接各分散的采集器，实现各节点的互连。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，
39、以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，形成1 对 N 的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于 GSM/GPRS 网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用 GSM/GPRS 网络作为上层通信方式。通讯模块集中器模块采集模块 1G P R S 网络I n t e r n e t 网采集模块 2采集模块 N监控中心服务器R S 4 8 5R S 4 8 5R S 4 8 5电能表2电能表1电能表NS I M 卡图 3.1 远程自动抄表系统组成框图监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统位
40、于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有 RS-485 接口的智能型仪表；采集器通过 RS-485 串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用 RS-485 总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过 GSM/GPRS 网络把数据传送给上位供电部门管理中心。因此，为了实现数据汇总和转发，集中器必须具有两部分通信功能：一是与采集器之间的短距离有线通信，这部分通信主要由 RS-485 通信来完成；二是控制器和通
41、信模块之间的 RS-232 串行通信，通过 RS-232 串行接口微控制器可以发送 AT 指令来控制通信模块以实现集中器和上位计算机之间的远距离无线通信。在本文中集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）15下面两章将对数据采集终端的软硬件设计做详细介绍。3.1.2 数据传输形式的选择GSM/GPRS 网络被选为上层通信方案的通信基础。基于 GSM/GPRS 网络的数据传输通常有四种方式，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于 Data 方式(一种以电路交换为基础的传输方式)的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后
42、就是通过 IP( Internet Protocol )方式的数据传输。下面对四种基于 GSM/GPRS 网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍 4。基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用 AT 指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息后，利用 AT 指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低(0.1 元/条)，组网使用方便，但实时性较差，数据容量较低(140 字节) 。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。基于 Data 方式的数据传输是利用 GSM 的
43、 Data(与传真同)传输方式，通过 AT 指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将 ASCII 码数据送入通信模块即可。通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收 ASCII 码信息。基于 Data 的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。该方案还可以通过语音通道传输双音多频 DTMF( Double Tone Multiple Frequency )编码进行数据传输，通信方
44、式与语音方式一样。该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好(电路交换方式)，但由于 GSM 系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用，16但可以作为备选方案用于无线安防系统中。基于 IP 的数据传输方式是 GPRS 系统独有的，因为 GPRS 是在 GSM 网络基础之上新增两个节点( SGSN 和 GGSN )而形成的移动分组数据网络。由于 GPRS 数据传输的基础是 TCP/IP 协议，因此基于 IP 的数据传输方式核心的内容是 TCP/IP 协议的转换。基于 IP 的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是GPRS
45、终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把 GPRS 作为上层通信信道进行无线数据传输。同时 GPRS 又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。数据采集终端的通信模块也将相应的选择 GPRS 模块。3.1.3 组网方式的选择GPRS 是目前较好的无线传输方式，它在仪器的远程通信方面具有较高的性价比，它可以提供远程控制、在线监控、实时采集、实时发布等功能。因此，我们采用 GPRS作为电力抄表的上层通信方式来设计仪器的通信接口。同时根据现场环境的智能仪器仪表小型化、操作简
46、单和成本低等要求，采用单片机为控制单元来构建整个应用系统。利用单片机实现 GPRS 的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是 GPRS终端如何自动附着到 GPRS 网络上，对于这个问题，实际上也就是选择 GPRS 远程通信系统的组网方式。利用 GPRS 通信方式组网有三种方式，下面分别进行介绍 4。1. 专线接入方式，从移动公司到用户的远程监控中心的服务器端接一条 DDN 专线，通过数据专线将数据由 GPRS 网关服务器 GGSN 传送到监控中心，移动公司在GGSN 上为用户配一个专门的 APN 节点，从而在 GPRS 终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网(VPN)通道。内蒙古科技大学
47、毕业设计说明书（毕业论文）172. GPRS 接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请 APN 服务，获得 GPRS内部网固定 IP，所有的 GPRS 终端在拨号上网后将获得的动态 IP 向监控中心的监控软件进行注册，以便监控中心至终端的下行通信。3. Internet 接入方式，用户的远程监控中心采用 ADSL 等与 Internet 建立连接，申请一个公网 IP 地址，通过 Internet 将数据由 GPRS 网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式：远程监控中心在连接 Internet 时向域名服务器注册动态 IP 地址，而GPRS 终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态 IP
48、 地址。比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高，但成本也高。第二种方式的数据传输全部在 GPRS 网内进行，安全性高，远程的 GPRS 接口终端通过 GPRS 方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内 IP，而该类 IP 很难申请到。第三种方式要求远程监控中心用有一台连接Internet 的服务器和公网 IP 地址，用户通过 Internet，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。本系统正是采用第三种组网方案，通过 GPRS
49、接入 Internet 实现数据的传输。3.2 系统整体方案的设计系统主要是由电度表、带 GPRS 模块的采集终端、带系统软件的主站组成。1. 监控中心服务器GPRS 通讯模块是以浮动 IP 地址的方式连接到 Internet 的,其 IP 地址每次连接时都不一样。监控中心的服务器本身必须绑定了一个固定的 IP 地址,并且以此 IP 地址接入Internet,便于 GPRS 模块与服务器连接。这样监控中心服务器就可以从绑定的 IP 地址上接收每个 GPRS 通讯模块发送来的数据。接收到电能表数据后,监控中心软件对电力18数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,并对异常情况进行报警,同时对用户使用情况实现实时监控。2. 电能表数据采集终端GPRS 模块是嵌入到数据采集终端中的,与采集终端 MCU 的串行口连接,进行RS232 通讯。采集终端通过 RS485 采集智能电能表的数据，对数据进行简单的分类存储,然后按照与监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理, 利用短消息的方式发送到监控服务器。3. 智能电能表智能电能表的功能是计量用电量的大小,监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485 的方式传送给数据采集终端。用电时，智能电能表需要先读取 IC 卡中的交费情况，再进行供电。这样智能电能表除了计量用电量的功能外，还需要具有读、写 IC
