【正文】 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本文所研究的系統(tǒng)可以 避免上述缺點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)防止竊電、實(shí)時(shí)快速、省去眾多人力物力，而且它還可以在其它的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)中。選擇內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議的 GPRS 模塊 M23。緒 論 第 1 頁(yè) 共 41 頁(yè) 1 緒論 無(wú)線抄表的目標(biāo)及意義 研究背景 （ 1）設(shè)備上： GPRS 通信 方式特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用與 大數(shù)據(jù)量傳輸。所有成本比以前大為降低， （ 2）國(guó)情上： 電力系統(tǒng)兩網(wǎng)改造工作的逐漸推進(jìn)，用電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模急劇膨脹，使得供電企業(yè)對(duì)用電網(wǎng)絡(luò)的管理任務(wù)日益加劇。時(shí)至今日，電已經(jīng)無(wú)處不在， 種類繁多的負(fù)載對(duì)電力的要求也各不相同，因此要進(jìn)行科學(xué)的用電管理，供電企業(yè)迫切需要一種投資較少，安裝及維護(hù)方便，通訊可靠，計(jì)量準(zhǔn)確的電能表遠(yuǎn)程集中抄表解決方案。無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)人工抄表過(guò)程中遇到的許多問(wèn)題，并且提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)可以降低抄表人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速地統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)線損。在這個(gè)時(shí)期有人提出了利用低壓配電線路載波抄表的理論，但是沒(méi)有更好的方法解決低壓線路上的干擾問(wèn)題而擱淺。 緒 論 第 3 頁(yè) 共 41 頁(yè) 在發(fā)達(dá)國(guó)家（英國(guó)、美國(guó)、澳大利亞），電力市場(chǎng)降低了電力運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，使得工業(yè)用電和居民用電的費(fèi)用都大幅度下降。對(duì) AMR 的研究也越來(lái)越深入，美國(guó)于 1986 年就建立了無(wú)線自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)（ AMRA），每一年半左右開(kāi)一次國(guó)際性年會(huì)，每次年會(huì)都有專題報(bào)道，旨在進(jìn)一步發(fā)展和推廣 AMR 技術(shù)。一是傳統(tǒng)的人工抄表方式，抄表人需到用戶處讀取數(shù)據(jù)，返回總局后將數(shù)據(jù)重新輸入電腦進(jìn)行處理。我國(guó)電力工業(yè)無(wú)線自動(dòng)化發(fā)展水平也在不斷發(fā)展，其中高壓輸電 網(wǎng)的無(wú)線自動(dòng)化程度已經(jīng)比較高，能量管理系統(tǒng)（ EMS）在我國(guó)高壓輸電網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。課題的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 42 頁(yè) （ 1）系統(tǒng)分析目前存在的各種無(wú)線自動(dòng)抄表解決方案，綜合考慮每種方案的技術(shù)適用場(chǎng)合、技術(shù)難點(diǎn)、資金花費(fèi)等方面的問(wèn)題，提出一種切實(shí)可行的有效方案，解決方案的系統(tǒng)組網(wǎng)方式和整體構(gòu)建。 GPRS 是在 GSM 系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) GPRS 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在 GSM 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，為了升級(jí)至 GPRS，在 NSS 側(cè)， GSM 網(wǎng)絡(luò)需要新增節(jié)點(diǎn) SGSN、 GGSN 以及新增節(jié)點(diǎn)與其他硬件設(shè)備相連接的接口。傳輸平臺(tái)獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)平臺(tái)。嵌入式 GPRS 協(xié)議主要包括嵌入式 TCP/IP 協(xié)議和其它的一些附加函數(shù)。上層函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務(wù)就是為上層函數(shù)提供服務(wù)，最終完成應(yīng)用層任務(wù) ——傳送數(shù)據(jù)。然后，在串口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫(xiě) GPRS 模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。當(dāng)?shù)讓佑布龀龈膭?dòng)的時(shí)候，只需要對(duì)底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行改動(dòng)，而上層函數(shù)的代碼不變。在對(duì) GPRS 模塊進(jìn)行了 GPRS 附著過(guò)程和 PDP（ Packet Data 應(yīng) 用 層 傳 輸 層 網(wǎng) 絡(luò) 層 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 用戶字定義 UDP/TCP IP PPP GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 42 頁(yè) Protocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過(guò)程后，我們就可以使用 GPRS 來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的通信了。在系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)中，常常需要將數(shù)據(jù)封裝成不同的格式，以適用相應(yīng)的協(xié)議。在使用 串口時(shí)，終端和通信模塊在數(shù)據(jù)鏈路層使用 PPP 協(xié)議進(jìn)行連接， IP 數(shù)據(jù)報(bào)被封裝成 PPP 幀，然后通過(guò)串口送往 GPRS 通信模塊。本課題外網(wǎng)選用的是 Inter，一定要根據(jù)管理中心的 IP 地址進(jìn)行路由選擇，最終數(shù)據(jù)將送往監(jiān)控中心。 GPRS 的應(yīng)用 目前 GPRS 技術(shù)在電力通信行業(yè)應(yīng)用的環(huán)境下有實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)兩種典型數(shù)據(jù)。 3 無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的整體構(gòu)建 無(wú)線自動(dòng)抄表方式分析 總線抄表 的接口是 TLA/ 所描述的接口?？偩€上掛接的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)因選用的接口驅(qū)動(dòng)芯片而異，最多可接 128 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 總線抄表一般使用雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)總線，對(duì)要求較高的系統(tǒng)可考慮選用帶光電隔離的、抗雷電及抗靜電放電沖 擊的收發(fā)器，直接使用 驅(qū)動(dòng)芯片即可構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)適用于城市居民小區(qū)和較密集的商住樓，且電能表已被安裝在集中式表箱中。此高頻信號(hào)經(jīng)線路傳輸?shù)浇邮辗剑邮諜C(jī)通過(guò)耦合電路將高頻信號(hào)分離出來(lái)、濾去干擾信號(hào)后放大，再經(jīng)解調(diào)電路還原成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的整體構(gòu)建 第 11 頁(yè) 共 41 頁(yè) 圖 低壓電力線 由于電力線上可變的強(qiáng)電磁干擾，使得信號(hào)經(jīng)電力線傳輸后發(fā)生畸變，在接收端，信號(hào)的準(zhǔn)確接收和檢測(cè)變得非常困難。基于擴(kuò)展頻譜原理的調(diào)制解調(diào)器與以上產(chǎn)品相比，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如 Echelon 公司 網(wǎng)絡(luò)中支持電力線通信的 收發(fā)器。 電 能 表 配 電 變 壓 器 采 集 器 集 中 器 低壓電力線 GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 42 頁(yè) 紅外抄表 紅外抄表系統(tǒng)是由手持紅外抄表器、帶紅外通信功能 的電能表和管理中心組成。此方式是以紅外線作為通信載體，通過(guò)紅外光在空中傳播來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。紅外載波頻率為 38kHz 的方波，發(fā)送采用脈寬調(diào)制 PWM 方式，通過(guò)待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)“ 0”或“ 1”控制兩個(gè)脈沖串之間的時(shí)間間隔（即 PWM 的占空比）。但由于此方式傳輸距離較短，一般只有 3～ 10m，適用范圍有限，所以作為一種無(wú)線自動(dòng)抄表方式有其局限性，而且需要工作人員攜帶手持抄表器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抄表，未真正實(shí)現(xiàn)抄表的完全無(wú)線自動(dòng)化，無(wú)法獲得用電量的一些詳細(xì)信息。在進(jìn)行通信時(shí)，抄表器發(fā)出呼叫命令，各電能表接收到命令后進(jìn)行地址對(duì)比，如正確則發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無(wú)線芯片一般最大發(fā)射功率為 +10dBm，接收靈敏度為 .105dBm，通信距離 100～ 200m 左右。這種抄表方式使用自己建設(shè)的小型無(wú)線電電臺(tái)，在 200～ 400MHz 的頻點(diǎn)上用散射通信方式進(jìn)行無(wú)線電通信。目前我們方案選擇 RF905,該芯片價(jià)格便宜性能穩(wěn)定，適合短距離傳輸。租用電話線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，線路續(xù)接（包括呼叫應(yīng)答）等待時(shí)間較長(zhǎng)，通常需幾秒到幾十秒。整個(gè)系統(tǒng)可分為兩個(gè)子系統(tǒng)：嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器和嵌入式以 太網(wǎng)子模塊。嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器通過(guò)局域以太網(wǎng)來(lái)控制各個(gè)子模塊，同時(shí)通過(guò)嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器的另外一個(gè)以太網(wǎng)接口連接到廣域以太網(wǎng)。但是，采用以太網(wǎng)抄表開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)發(fā)人員有較高要求，并且 TCP/IP 協(xié)議棧需要長(zhǎng)期深入測(cè)試、修改才能達(dá)到可靠性要求。 GSM 組網(wǎng)有兩種模式：⑴點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送模式，特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，但運(yùn)行成本相對(duì)較高；⑵批量數(shù)據(jù)傳送模式，特點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較低。 GPRS通信方式尤其適合于 1000 個(gè)以上采集點(diǎn)規(guī)模的系統(tǒng)。 圖 3. 3 GSM/GPRS 無(wú)線抄表系統(tǒng)終端 GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 42 頁(yè) 從上文可以看出無(wú)線自動(dòng)抄表從原理上可以用有線和無(wú)線兩種方式實(shí)現(xiàn)。 基于 GPRS 的復(fù)合式無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的構(gòu)建 復(fù)合式無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)構(gòu)建 “一戶一表，集中抄表，銀行聯(lián)網(wǎng)”已成為電能計(jì)量計(jì)費(fèi)信息化的長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，這就決定了抄表系統(tǒng)的兩個(gè)基本特點(diǎn)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，采集點(diǎn)具有分散性，數(shù)據(jù)量大；系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將多種無(wú)線自動(dòng)抄表方式結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一種復(fù)合式自動(dòng)抄表方式。無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的通信信道方案包括集中器與采集器的底層通信信道方案和管理中心與集中器的上層通信信道方案。在這種 方式下，信道的通信數(shù)據(jù)量大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。基于 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通常有四種方式，一種是基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸，第二種是基于 Data 方式（一種以電路交換為基礎(chǔ)的傳輸方式）的數(shù)據(jù)傳輸 ，第三種是通過(guò)語(yǔ)音方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后就是通過(guò) IP（ Inter Protocol）方式的數(shù)據(jù)傳輸?；诙滔⒌臄?shù)據(jù)傳輸方式的特點(diǎn)是資費(fèi)較低（ 元 /條），組網(wǎng)使用方便，但實(shí)時(shí)性較差，數(shù)據(jù)容量較低（ 140 字節(jié)）?；?Data 的數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸安全、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)傳輸量大，但成本較高，適合于可靠、少次、海量數(shù)據(jù)傳輸。該方案基本不被采用，但可以作為備選方案用于無(wú)線安防系統(tǒng)中。該方案的組網(wǎng)方案靈活性更好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾矢?、?shù)據(jù)量更大，適合各種對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 系統(tǒng)組網(wǎng)方式的選擇 GPRS 是目前較好的無(wú)線傳輸方式，它在儀器的遠(yuǎn)程通信方面具有較高的性價(jià)比，它可以提供遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)控、實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)發(fā)布等功能。利用 GPRS 通信方式組網(wǎng)有三種方式，下面分別進(jìn)行介紹。 比較三種組網(wǎng)方式，第一種方式適合于實(shí)時(shí)通 信或數(shù)據(jù)量特別大的場(chǎng)所，安全性較高，但成本也高。本系統(tǒng)正是采用第三種組網(wǎng)方案，通 過(guò) GPRS 接入 Inter 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。抄表終端的硬件設(shè)計(jì)一般廠商都會(huì)選用世界知名廠商生產(chǎn)的GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 42 頁(yè) GPRS 模塊作為抄表終端同 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接的中間件，實(shí)現(xiàn)同基站空中接口的連接，選用高速微處理器連接儀表和 GPRS 模塊，處理兩者數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。 （ 1）西門(mén)子公 司無(wú)線模塊的介紹 ： 1995 年，西門(mén)子成立了無(wú)線模塊（ WM）部門(mén)，當(dāng)時(shí)主要業(yè)務(wù)針對(duì)汽車工業(yè)的應(yīng)用。 TC35 是單純的 GSM 模塊，不具有 GPRS 功能，而 MC35 除具有 TC35 的所有功能外，還具有 GPRS 功能。改進(jìn)的地方主要體現(xiàn)在：相對(duì)于 35 系列， 35i 的厚度幾乎減小了一半；同時(shí)， 35i 增加了一些對(duì)于工業(yè)應(yīng)用更為使用的 AT 指令。 MC45 與 MC388 的區(qū)別只有兩個(gè)： （一） MC45 是三頻模塊，除 900M 和 1800M 之外，還支持美國(guó)的 1900M 頻段，而 MC388 只支持 900M 和 1800M。西門(mén) 子旗下還有一個(gè)系列的模塊目前尚沒(méi)有引入中國(guó)市場(chǎng)，那就是為汽車工業(yè)度身定制的 AC 系列無(wú)線模塊，這一系列的產(chǎn)品針對(duì)汽車應(yīng)用的環(huán)境在工作環(huán)境的限制方面較 MC 和 TC 系列的模塊有更大的適應(yīng)空間。 2）內(nèi)含 Java 虛擬機(jī)，提供 Java 變成平臺(tái)。正因?yàn)?SIMCOM 如此快速的發(fā)展，作者才把它列入本文的討論之列。不論在硬件還是軟件方面 IMT100 都有其突出的特點(diǎn)。軟件方面， IMT100 提供了一組直接支持 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)?AT 指令，這一點(diǎn)十分引人注目，使用這組指令可以方便地通過(guò) GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雖然應(yīng)用的范圍和方式都受到一定的限制，但是對(duì)于某些沒(méi)有能力開(kāi)發(fā) TCP/IP協(xié)議棧的工業(yè)用戶也是相當(dāng)具有實(shí)用價(jià)值。所以在其模塊的設(shè)計(jì)上有很明顯的針對(duì)手機(jī)應(yīng)用的傾向。 Q24 系列首先提出了在模塊中實(shí)現(xiàn) GPIO 和 A/D 轉(zhuǎn)換的概念。 （ 4） 廣州致遠(yuǎn)電子公司 ZWG23DP GPRS DTU 模塊： ZWG23DP GPRS DTU 是廣州致遠(yuǎn)電子出品的一款嵌入式 DTU 模塊。 由于 廣州致遠(yuǎn)電子公司 的無(wú)線通信模塊推出時(shí)間較晚，傳統(tǒng)上面對(duì)工業(yè)應(yīng)用，其硬件接口和軟件指令能夠滿足工業(yè)和消費(fèi)品領(lǐng)域的需求，從目前的市場(chǎng)反饋情況看，該產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性最高，被許多公司及科研項(xiàng)目廣泛使用，并且非常適合中國(guó)用戶，價(jià)格射中。該模塊同時(shí)提供配置串口和通信串口，使用便捷。 無(wú)線 GPRS模塊 ZWG23DP GPRS DTU 外圍電路設(shè)計(jì) ZWG23DP GPRS DTU 是廣州致遠(yuǎn)電子出品的一款嵌入式 DTU 模塊。該模塊同時(shí)提供配置串口和通信串口，使用便捷。傳統(tǒng)無(wú)線模塊僅使用串口與外接的 MCU 進(jìn)行通信，而采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制的工作都交給 MCU 來(lái)完成。兩者的硬件平臺(tái)和接口完全相同，區(qū)別是 Q2403 支持 GPRS Class2，而 Q2406 支持 GPRS C1ass10。 （ 3） WAVECOM 公司 Q24 系列模塊 ： WAVECOM 是最早從事無(wú)線模塊研究的公司之一，特別是在中國(guó)市場(chǎng)的出貨量一直位于同類前列。此外， IMT100提供了 5 個(gè) SPI 引腳用于將模塊連接到指定的 LCD 模塊上，在此 LCD 上可以監(jiān)視模塊的工作信息。了解這家公司的背景可以知道，著名的通信公司 PPPCOM 是其大股東， PPPCOM 擁有 100%自主GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 42 頁(yè) 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 GSM/GPRS 協(xié)議棧，所以 SIMCOM 公司才能夠借助母公司的技術(shù)實(shí)力，跨越了技術(shù)儲(chǔ)備這一階段，直接推出成熟產(chǎn)品。這款模塊在 20xx 年底已經(jīng)大批量投產(chǎn)。此外，西門(mén)子在 20xx 下半年推出了一款全新的模塊TC45。 本文中把這兩款模塊統(tǒng)稱為 MC45 系列產(chǎn)品。西門(mén)子含鉛模塊已于 20xx 年 3 月停產(chǎn)， GSM/GPRS 系列產(chǎn)品逐步替換成無(wú)鉛環(huán)保型模塊。隨著技術(shù)平臺(tái)的升級(jí)， 20xx 年下