【正文】 摘 要 41緒論 5 5 6 7 7 9 10 142無線抄表系統(tǒng)總體設(shè)計 16 16 17 17 17 20 22 23 27 283無線抄表系統(tǒng)底層硬件平臺設(shè)計 28 28 31 31 32 344手持機軟件系統(tǒng)設(shè)計 35 35 35 36 36 37 39 40 41 43 44 45 48 50 53 55 56 56 56 58 59 59 59 UML簡介 60 62 65 68 69 70 73 74 756運行與測試 76 76 79 807總結(jié)與展望 81 81 82參考文獻 84摘 要 目前抄表方式以有線方式為主，諸如電力線載波、電話線、RS485或者是上述幾種有線方式的混合。隨著城市和智能小區(qū)的發(fā)展，有線系統(tǒng)先天存在著布線，施工周期長、工程安裝成本及維護成本高和系統(tǒng)擴展性差等問題，已經(jīng)越來越滿足不了城市發(fā)展的需要，而小功率無線電波通信方式由于其通信方便、組網(wǎng)簡單、無需申請頻點使用權(quán)以及投資少等特點，為國內(nèi)外越來越多的自動抄表系統(tǒng)所采用。 本文對目前有線燃氣自動抄表方式作了深入的研究，在瑞迅公司原有線抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用小功率無線電波通信方式，提出了兩種結(jié)構(gòu)型式的小區(qū)無線抄表系統(tǒng)方案—基于無線雙向燃氣表方案和基于無線采集器方案，并對這兩種方案的硬件和軟件進行了設(shè)計和實現(xiàn)。 本文首先針對現(xiàn)有脈沖表具計數(shù)不準、需要復(fù)雜布線和可靠性差等問題，對于不同無線抄表方案設(shè)計了兩種新型具有無線遠傳接口的表具。其次專門針對基于無線采集器方案設(shè)計了一種具有無線接口的數(shù)據(jù)采集終端，它具有獨立存儲空間，能完成對無線單向燃氣表數(shù)據(jù)采集，也能響應(yīng)手持式抄表機指令，完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。第三手持式抄表機應(yīng)用軟件設(shè)計。手持式抄表機作為底層無線燃氣表具、無線采集器和上層信息管理系統(tǒng)之間信息交換的載體，手持機通過相關(guān)通信協(xié)議實現(xiàn)與無線表具和無線采集器直接通信，從而實現(xiàn)了包括表具數(shù)據(jù)的讀取存儲以及無線表具的設(shè)置等功能。最后通過中心管理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)了抄表機數(shù)據(jù)導(dǎo)入和抄表任務(wù)下載、手持機應(yīng)用軟件更新以及抄表機參數(shù)設(shè)置等功能并且對上傳抄表數(shù)據(jù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)智能化處理、收費和票據(jù)報表輸出的功能。 系統(tǒng)運行測試表明系統(tǒng)性能達到了預(yù)定的目標，系統(tǒng)滿足了實際的需求，具有較高的實際運用價值。關(guān)鍵字:自動抄表系統(tǒng)、無線通信協(xié)議、無線模塊、手持機、串口通信1緒論 本章分析目前抄表行業(yè)面臨的問題，討論了自動抄表技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前有線自動抄表技術(shù)、無線抄表技術(shù)和電力載波技術(shù)的優(yōu)缺點，指出了無線抄表方式將逐漸成水、電、氣抄讀的首選，最后給出本文的研究目標、內(nèi)容和全文章節(jié)安排。 隨著電子技術(shù)、傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的發(fā)展和城市智能化住宅小區(qū)建設(shè)的迅速發(fā)展，水、電、氣自動抄表系統(tǒng)被列為住宅智能化建設(shè)必要項目之一，與監(jiān)控報警系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)等都將是樓宇智能化系統(tǒng)不可缺少的一部分。建設(shè)部公布小康住宅的十大標準第六條規(guī)定:“對現(xiàn)代化住宅使用的水表、電表、煤氣表等各種計量器具要求信息出戶”[1]。在2003年公布的《物業(yè)管理條例》第四十五條中明確規(guī)定:“物業(yè)管理區(qū)域內(nèi)，供水、供電、供氣、供熱、通訊、有線電視等單位應(yīng)當(dāng)向最終用戶收取有關(guān)費用。物業(yè)管理企業(yè)接受委托代收前款費用的，不得向業(yè)主收取手續(xù)費等額外費用”[2]。今后，水電氣行業(yè)的直管用戶將逐步過渡到終端服務(wù)即行業(yè)公司直接抄表收費的模式。 同時近年來隨著城市建設(shè)速度的加快和城市范圍的不斷擴展，人工抄表所需的人力與經(jīng)費均相當(dāng)可觀，為提高經(jīng)營績效和節(jié)省開支，水、電、氣公司都需要以自動抄表系統(tǒng)來取代人工抄表方式。因此水、電、氣公司可以將自動抄表系統(tǒng)作為一個增值的免打擾服務(wù)來提供給用戶，必將受到廣大居民住戶的歡迎[3]。 另一方面，水、電、氣公司出于提高自身服務(wù)水平和降低運營費用的目的，也急需準確了解用戶的每月耗能數(shù)據(jù)。如果采用傳統(tǒng)手工抄表方式，就意味著需要增加大量抄表人員，其結(jié)果勢必提高水、電、氣公司的運營成本。因此，采用自動抄表系統(tǒng)也是水、電、氣公司提高企業(yè)自身經(jīng)濟效益和服務(wù)質(zhì)量的需要。 本文研究是基于南京某公司現(xiàn)有抄表系統(tǒng)進行改進和創(chuàng)新，該公司現(xiàn)有抄表系統(tǒng)采用RS485總線作為通信線路，采用分布式結(jié)構(gòu)。通過近幾年的市場推廣和運行，發(fā)現(xiàn)存在著通信線路布線困難、施工周期長、工程安裝成本及維護成本高等問題，同時外界的干擾也是主要問題，比如空間電磁場干擾，由于有線系統(tǒng)的主要線路布置于弱電井中，某些高頻干擾信號可產(chǎn)生強大的電場和磁場，這些干擾可不經(jīng)接觸直接進入系統(tǒng)。此外由于在該系統(tǒng)中采用電力線供電，還存在著電網(wǎng)干擾，由于電力線上往往會存在著過壓、欠壓、浪涌、跌落和瞬間脈沖等異常情況，這些干擾通過電源直接影響到抄表系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此研制一種適合的自動抄表系統(tǒng)具有一定的理論意義和重要的工程應(yīng)用價值。自動抄表(AMR Automated Meter Reading)主要由數(shù)字式水表、電表、氣表等計量表具、住戶數(shù)據(jù)采集器、傳輸系統(tǒng)和管理計算機等設(shè)備組成。具有數(shù)據(jù)或脈沖數(shù)據(jù)的表具作為系統(tǒng)前端計量儀表，對用戶的用水量、用氣量、用電量和用熱量進行計量。住戶采集器對前端的數(shù)據(jù)進行采集，并對采集結(jié)果進行長期保存。物業(yè)系統(tǒng)管理主機發(fā)出讀表指令，住戶采集器立即向管理系統(tǒng)發(fā)送計量數(shù)據(jù)。住戶采集器和物業(yè)管理主機通過雙方約定的通信協(xié)議進行通信，確保傳輸過程數(shù)據(jù)的正確性。管理系統(tǒng)負責(zé)計量數(shù)據(jù)的采集、計費、統(tǒng)計、查詢和打印等，以及根據(jù)需要將收費結(jié)果發(fā)送到相應(yīng)部門的管理計算機中[4][5][6]。 在國外，各種表具的自動抄表系統(tǒng)已經(jīng)開始廣泛使用[7]。例如，1999年6月美國威斯康辛公用服務(wù)公司將它們第一期自動抄表系統(tǒng)的合同授予了美國配電控制系統(tǒng)公司。該自動抄表系統(tǒng)為雙向自動通信抄表系統(tǒng)，以實現(xiàn)居民和商業(yè)用戶的電能表與煤氣表的自動化。采用自動抄表系統(tǒng)來改造威斯康辛公用服務(wù)公司中原機電式和半導(dǎo)體式電能表，以及各類煤氣表。該系統(tǒng)的運作是高透明度的，可提供實時用電數(shù)據(jù)及最高負荷、分時用電數(shù)據(jù)和間隔讀表數(shù)據(jù)。又由于該系統(tǒng)是一種多功能系統(tǒng)，因此威斯康辛公司還將采用其雙向負荷控制轉(zhuǎn)發(fā)器來替換現(xiàn)有的加熱器控制裝置，以便用戶根據(jù)其實際情況來選擇分時電價[4]。 我國從90年代初期開始有廠商研發(fā)自動抄表系統(tǒng)，目前從事自動抄表系統(tǒng)研發(fā)的廠家近300家，全國實施自動抄表系統(tǒng)的小區(qū)有上千個[6]。 自動抄表系統(tǒng)中要解決的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)采集的問題，因而根據(jù)自動抄表通訊介質(zhì)的不同，總體上把它們分為有線抄表、無線抄表系統(tǒng)和電力載波抄表系統(tǒng)。 有線抄表系統(tǒng)充分利用電話網(wǎng)絡(luò)、閉路電視網(wǎng)、RS485總線網(wǎng)等[4]，基于有線的抄表系統(tǒng)不是本文的側(cè)重點，本文下面對各個有線方案只作簡單介紹。 1)RS485總線 RS485總線由電子工業(yè)協(xié)會EIA制訂并發(fā)布的工業(yè)標準以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS485允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，用戶還可以建立自己的高層通信協(xié)議。正因為RS485的遠距離、多節(jié)點、可以自行定義協(xié)議以及傳輸線成本低等特性，使得RS485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準，因此在自動抄表領(lǐng)域也被廣泛采用[8][9][10][11]。 2)電話線網(wǎng)絡(luò) 由于電話網(wǎng)在城鎮(zhèn)的迅速普及，利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信也是一個經(jīng)濟有效的方案。利用電話通信，只需在數(shù)據(jù)采集器和管理中心主機各加裝調(diào)制解調(diào)器(Modem)即可，、完全滿足遠程自動抄表數(shù)據(jù)流量要求。但是租用電話線方式進行數(shù)據(jù)通信時，線路續(xù)接(包括呼叫應(yīng)答等)時間較長，通常需幾秒到幾十秒，這一方面使得管理中心無法對用戶實時監(jiān)控；另一方面由于采用公網(wǎng)傳輸其可靠性和安全性也比較差[12]。 3)光纖通信網(wǎng) 光纖通信具有很多優(yōu)點，如頻帶寬、傳輸速率高、通信穩(wěn)定可靠、傳輸距離遠以及高抗干擾性等特點，非常適合上層通信網(wǎng)的要求。但是施工成本投入大、擴展性差、設(shè)備維護方面不方便，很少應(yīng)用于小區(qū)自動抄表系統(tǒng)中[13]。 4)Internet網(wǎng) 將Internet網(wǎng)作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端管理計算機，這種通信的方式稱為Internet網(wǎng)通信。這種通信方式的優(yōu)點是傳輸速率高、傳輸距離遠，但是由于Internet網(wǎng)絡(luò)的保密性比較差和數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中容易丟失，同時由于智能終端設(shè)備成本比較高，這種通訊的方式很少被采用[13]。5)MBUS儀表總線 MBUS是一種歐洲標準的2線總線，專門為消耗測量儀器和計數(shù)器傳送信息的數(shù)據(jù)總線而設(shè)計的，它的信息傳送量是專門滿足其應(yīng)用而限定好的，它具有使用價格低廉的電纜而能夠長距離傳送的特點，所以MBUS總線在集中抄表領(lǐng)域正在被越來越廣泛的采用[l4][15][16]。 總的來說有線抄表方式的優(yōu)點主要體現(xiàn)在: 1)可實現(xiàn)實時抄表、實時監(jiān)測和實時控制，可檢測出設(shè)備破壞和非法使用等； 2)抄表速度快，人員少，抄表準確性較高； 3)可實現(xiàn)預(yù)付費功能，用戶充值后，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)遠程讀取，可避免用戶直接接觸表具，提高設(shè)備使用壽命； 4)對于外界干擾，有線系統(tǒng)的抗干擾能力比較強。 但是也存在以下一些問題: 1)設(shè)備安裝時涉及布管和穿線問題，故需要預(yù)先設(shè)計； 2)施工周期長、工程安裝成本及維護成本高； 3)系統(tǒng)的擴展升級和與其它網(wǎng)絡(luò)的兼容等問題。 電力載波(PLC ， Power Line Carrier)的基本原理是把水、電、氣表的數(shù)據(jù)通過采集終端設(shè)備將數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過電力線路傳送，在接收端解調(diào)還原成數(shù)據(jù)信號[17]。 由于電力線遍布各處，從發(fā)電廠到各個居民小區(qū)無所不至，利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)作為信道，不需要重新布線，系統(tǒng)后續(xù)運行維護比較少，可以適用于不同場合，特別是布線比較困難的場合，由于電力線路既是信號傳輸通道又是電力傳輸載體，其設(shè)計時不可能兼顧高頻通信的技術(shù)要求，因此本文把電力載波單獨列為一種自動抄表方式。 電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于本世紀二十年代初期。它以電力線路為傳輸通道，具有可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點。70年代美國出現(xiàn)能源危機之后，在引進西歐音頻電力負荷控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出載波電力負荷監(jiān)控及抄表系統(tǒng)。但是電力線通信信道存在間歇性噪聲大、阻抗隨負載變化大、信號衰減大等缺點，嚴重制約了它的有效利用。由于電力線載波通信中存在的這些問題，采用常規(guī)載波技術(shù)(包括振幅調(diào)制、頻率調(diào)制等常規(guī)調(diào)制技術(shù))不能滿足實際的需求，必須采用高抗干擾能力的載波調(diào)制技術(shù)，如擴頻載波調(diào)制技術(shù)[11][12]。 國外在擴頻載波技術(shù)方面起步較早，且有成熟的產(chǎn)品，如美國的Intellon公司和Echelon公司、以色列的Unique公司、加拿大的Stanford公司、法國和意大利的ST公司。其產(chǎn)品的共同特點是：通用的電力線載波擴頻通信芯片；按照純擴展頻譜原理，硬件電路實現(xiàn)信號的調(diào)擴與解擴。應(yīng)用方式面向家庭內(nèi)部自動化控制，針對北美和歐洲地區(qū)的電網(wǎng)特性和結(jié)構(gòu)而設(shè)計[17][18]。 由于我國許多地區(qū)低壓電網(wǎng)配電線路在規(guī)范性、清潔度、阻抗特性、周波和電壓等方面難以達到標準，使得國外產(chǎn)品的應(yīng)用在通信能力、穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力等方面大打折扣。同時電力線載波由于其固有的弱點，通道干擾大，信息量小，再加上有時設(shè)備管理維護等方面造成的穩(wěn)定性差、故障率高等不足，已顯得不能適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對通信多方面、多功能的要求[18]。 如上所述，采用通訊線路作為信息上傳的通道存在著短路、斷線隱患，錯綜復(fù)雜的線路使系統(tǒng)調(diào)試和維護困難重重?；谏鲜鲈?，設(shè)計一種穩(wěn)定可靠、安裝維護方便，可以抄讀表具數(shù)據(jù)而且可以監(jiān)控表具運行狀態(tài)的自動抄表系統(tǒng)，己經(jīng)成為目前抄表行業(yè)亟待解決的問題，而以無線方式作為傳輸表具數(shù)據(jù)的抄表技術(shù)正好彌補了現(xiàn)有有線系統(tǒng)的缺點，逐漸成抄讀方式的首選[4][19]。 無線通訊的解決方案主要有以下幾種: 1)紅外傳輸 紅外線是波長介于紅光與微波只見的電磁波，~3181。m 為近紅外區(qū)；3~30181。m 為中紅外區(qū)；30~1000181。m 為遠紅外區(qū)。紅外線有較強的穿透能力，并且易于產(chǎn)生，因而被人們廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信方面。紅外通信就是把紅外線作為傳遞數(shù)字信號的媒體，利用紅外線來傳遞信息的一種通訊方式。紅外傳輸?shù)脑砗喍灾褪菍㈦娦盘柾ㄟ^放大驅(qū)動紅外發(fā)射管轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺瑥亩鴮崿F(xiàn)了電信號的傳輸。但是由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無線通訊的場合，進行點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸[11][20][21][22][23]。 目前市場上的紅外收發(fā)方式主要有以下兩類:應(yīng)用于短距離數(shù)據(jù)通訊的紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA Infrared Data Association)方式和遙控器方式。其中IrDA方式是使用紅外線為媒介進行點對點通信的短距離無線傳輸標準，該方式傳輸速率快，最高可達4 Mbps，但傳輸距離短，一般不超過1m；遙控器方式傳輸距離較遠，但數(shù)據(jù)量較小，一般僅為幾個至十幾個字節(jié)的控制碼，不能適應(yīng)數(shù)據(jù)通訊時的數(shù)據(jù)傳輸量大、速率高等特點，因此在無線抄表中一般選用前者作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健? 2)無線射頻傳輸 無線射頻(RF Radio Frequency)方式抄表運用在抄表行業(yè)大體上分為兩種:一是使用小功率無線發(fā)射裝置的現(xiàn)場手持無線抄表；二是使用大功率無線電臺的遠程無線抄表兩種方式[12][19][24]。（1）大功率無線方