【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 加快實(shí)行電力無線自動(dòng)化工程是一個(gè)必然的趨勢(shì)。電力系統(tǒng)中推行遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表是電力企業(yè)提高服務(wù)質(zhì)量的有效手段，是推行電力企業(yè)市場(chǎng)化運(yùn)作的關(guān)鍵技術(shù)。 本論文的主要工作 本課題研究的目標(biāo)是通過分析目前國(guó)內(nèi)外的無線自動(dòng)抄表方案并聯(lián)系我國(guó)的實(shí)際情況，找到一種切實(shí)可行的無線自動(dòng)抄表方案，解決無線自動(dòng)抄表中的無線傳輸部分的難題。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 共 42 頁 （ 1）系統(tǒng)分析目前存在的各種無線自動(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。本文所提出的是復(fù)合式無線自動(dòng)抄表解決方案，底層數(shù)據(jù)采集采 905RF 結(jié)構(gòu)而上層數(shù)據(jù)傳輸采用 GPRS 無線傳輸并接入 Inter 的方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的連接。 （ 2）在確定整體方案的基礎(chǔ)上解決系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)問題，其中關(guān)鍵部分是無線自動(dòng)抄表傳輸終端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)方面綜合比較了市場(chǎng)上各種 GPRS 模塊的性能，選擇了一款合適的 GPRS 模塊， 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了硬件平臺(tái)； GPRS 無線通信技術(shù)概述 第 5 頁 共 41 頁 2 GPRS 無線通信技術(shù)概述 GPRS（ General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，它是第 代移動(dòng) 通信 系統(tǒng) ，是 全球移 動(dòng)通 訊系 統(tǒng) GSM （ Global system for Mobile munication）向 3G 過渡的一個(gè)橋梁。 GPRS 是在 GSM 系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 GPRS 技術(shù)及優(yōu)點(diǎn) GPRS 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及 TDMA 幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（ BSS）從一開始就可提供全面的 GPRS覆蓋。 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、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸 ，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。利用 GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)： （ 1）接入范圍廣： GPRS 是在現(xiàn)有的 GSM 網(wǎng)上升級(jí)，可充分利用全國(guó)范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，可以使用戶數(shù)據(jù)終端方便、快速、低成本的遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)； （ 2）高速傳輸：傳輸速率高，數(shù)據(jù)傳輸速度最高理論值可達(dá) ，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，下一代 GPRS 業(yè)務(wù)的速度甚至可以達(dá)到384kbps，完全可以滿足用戶應(yīng)用需求； （ 3）快捷登陸：接入時(shí)間短， GPRS 接入等待時(shí)間短、可快速建立連接、平均耗時(shí)為兩秒； （ 4）永遠(yuǎn)在線 ：提供實(shí)時(shí)在線功能?！皩?shí)時(shí)在線”或“永遠(yuǎn)在線”即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送終端還一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，這將使訪問服務(wù)變得非常簡(jiǎn)單、快速； （ 5）按流量計(jì)費(fèi)：用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無線資源，計(jì)費(fèi)方式是按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，用戶即使掛在網(wǎng)上也不收費(fèi)的； GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 42 頁 （ 6）切換自如：用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，不影響語音信號(hào)的接收，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)的切換有兩種方式：無線自動(dòng)和手動(dòng)，具體形式依據(jù)不同終端而定。 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。在 BSS側(cè)，因?yàn)?GPRS 與 GSM 采用相同的基本調(diào)制方式和無線信道傳輸速率，因此不需改動(dòng)現(xiàn)有基站無線設(shè)備的硬件。但 BSS 設(shè)備需要增加新的 Gb 接口，用于與 SGSN 相連，由于 Gb 接口采用幀中繼，原有 BSC 的電路交換設(shè)備無法使用，所以需增加相應(yīng)的硬件設(shè)備 PCU。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議平臺(tái) GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)由分層的協(xié)議結(jié)構(gòu)組成，它能提供用戶信息的傳遞，采用信息傳遞的控制過程，如流量控制、差錯(cuò)檢測(cè)、差錯(cuò)糾正和錯(cuò)誤恢復(fù)等。傳輸平臺(tái)獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)平臺(tái)。 任何數(shù)據(jù)傳送之前， MS 要建立 PDP 上下文鏈接，必備的參數(shù)包括 MS 的 IP 地址， APN 等等。有了這些參數(shù)， SGSN 可以發(fā)起建立一條到 GGSN的數(shù)據(jù)傳輸通路， IP 地址的動(dòng)態(tài)分配也是在這個(gè)過程中完成的。 系統(tǒng)整體協(xié)議數(shù)據(jù)流程 終端的精簡(jiǎn)協(xié)議層次 數(shù)據(jù)終端設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)主要是在微處理器中嵌入 TCP/IP 協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)控制GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。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)。經(jīng)過仔細(xì)分析 TCP/IP 協(xié)議族中的各協(xié)議，許多協(xié)議在無線自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中是用不到的。有一些協(xié)議的目的是為了保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求遠(yuǎn)高于對(duì)安全性的要求時(shí)，這些協(xié)議可以省略；有些協(xié)議的目的是為了使 TCP/IP 協(xié)議適應(yīng)更多的應(yīng)用系統(tǒng)，而具體到某種應(yīng)用時(shí)，也沒有實(shí)現(xiàn)的必要；還有些協(xié)議的作用幾乎相同，它們只不過是讓 TCP/IP 協(xié)議提供更強(qiáng)大的GPRS 無線通信技術(shù)概述 第 7 頁 共 41 頁 功能，因而對(duì)嵌入式應(yīng)用來說，也無多大的實(shí)現(xiàn)必要。因此經(jīng)過精 簡(jiǎn)后的嵌入式TCP/IP 協(xié)議如圖 所示： 圖 精簡(jiǎn)的 TC P/IP 協(xié)議棧 程序采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為：串口驅(qū)動(dòng)層、 GPRS 模塊驅(qū)動(dòng)層、 PPP協(xié)議層、 IP 協(xié)議層、 UDP 協(xié)議層與應(yīng)用層。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)。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)。首先是串行口驅(qū)動(dòng)層。它實(shí)現(xiàn)打開關(guān)閉串口，讀寫串口數(shù)據(jù)等功能。然后，在串口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫 GPRS 模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。微控制器通過串行口，采用 AT 命令控制 GPRS 模塊，進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作。根據(jù)這些操作，編寫 GPRS驅(qū)動(dòng)函數(shù)：初始化 GPRS 模塊函數(shù) (GPRSInit)、撥號(hào)函數(shù) (GPRSDial)、斷開連接函數(shù)(GPRSHangup)、檢測(cè)是否處于在線狀態(tài)函數(shù) (GPRSOnline)。這些底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)將會(huì)使上 層協(xié)議的編寫很方便，更重要的是，它為我們提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)抽象層。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。 系統(tǒng)總體通信結(jié)構(gòu) 在客戶端，終端設(shè)備將數(shù)據(jù)送入 GPRS 通信模塊，模塊將數(shù)據(jù)組成 GPRS 分組，通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter 送到用電管理中心的服務(wù)器。管理中心除了接收上傳的數(shù)據(jù)外，也可以通過 Inter 和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)向終端設(shè)備發(fā)出各種指令。管理中心應(yīng)當(dāng)接入 Inter 并且具有外部 IP。在對(duì) GPRS 模塊進(jìn)行了 GPRS 附著過程和 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 共 42 頁 Protocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過程后，我們就可以使用 GPRS 來進(jìn)行系統(tǒng)的通信了。附著過程用于接入 GPRS 網(wǎng)，通過附著過程將自己的信息登記在 SGSN 中，SGSN 就可以對(duì)用戶進(jìn)行移動(dòng)性管理；激活過程用于激活 IP 協(xié)議，使數(shù)據(jù)能以 IP 報(bào)的形式進(jìn)行傳送，通過激活過程， GPRS 通信模塊與 GGSN 建立一條邏輯通路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。管理中心和終端設(shè)備的各種類型數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過 GPRS 模塊、 SGSN、GGSN、 Inter。在傳送的各個(gè)階段都是完全不同的介質(zhì)，協(xié)議也各不相同，因而涉及到不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。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。 GPRS 承載業(yè)務(wù)支持標(biāo)準(zhǔn)的 IP 協(xié)議，因此在終端設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可以在 IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上使用 TCP 或 UDP 協(xié)議。 終端設(shè)備將原始數(shù)據(jù)按照格式封裝成 TCP 或者 UDP 數(shù)據(jù)包，然后再加上 IP 報(bào)頭以及報(bào)尾生成 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，由于各種不同的終端設(shè)備與GPRS 無線模塊之間的物理連接不同（有串口、 USB、紅外等），因而進(jìn)一步的封裝所依據(jù)的協(xié)議會(huì)有不同。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，然后通過串口送往 GPRS 通信模塊。通信模塊將收到的 PPP 幀解包，重新封裝成 SM 消息，通過無線鏈路傳到 SGSN。 SGSN對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，按照 GTP（ GPRS Tunnel Protocol， GPRS 隧道協(xié)議）封裝成 GTP包，經(jīng)由 GPRS 骨干網(wǎng)傳到相應(yīng)的 GGSN。 GGSN 同樣要根據(jù)相應(yīng)的外網(wǎng)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)封裝。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。監(jiān)控中心 將根據(jù) GPRS 通信模塊被分配的內(nèi)部IP 號(hào)與之聯(lián)系。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸、封裝及其中涉及的協(xié)議轉(zhuǎn)換如下圖 所示。 GPRS 無線通信技術(shù)概述 第 9 頁 共 41 頁 圖 協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖 在整個(gè)通信過程中， GGSN 要么接收用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，選路到外部網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)它相當(dāng)于接入外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)；或接收外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，根據(jù)其目的地址選擇 GPRS網(wǎng)內(nèi)的傳輸通道，傳給相應(yīng)的 SGSN，這時(shí) GGSN 則相當(dāng)于子網(wǎng)路由器。 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)。塊（包）數(shù)據(jù)典型的應(yīng)用為電能計(jì)量和抄表等系統(tǒng)，其應(yīng)用環(huán)境通常是配網(wǎng)，分布的面很廣，單獨(dú)為其建立通信網(wǎng)成本很高，維護(hù)困難。由于此種數(shù)據(jù)類型應(yīng)用一般為非實(shí)時(shí)傳送，因此就更加適合 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的特性，在實(shí)際使用中也反映出 GPRS網(wǎng)絡(luò)能非常好的支持這類應(yīng)用。在后面的章節(jié)提出了基于無線通信模塊構(gòu)建 GPRS無線數(shù)傳產(chǎn)品的方法和手段，并使該產(chǎn)品應(yīng)用于電力遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，在無線數(shù)據(jù)傳輸方面開拓新思路，解決制約電力系統(tǒng)發(fā)展的問題，滿足現(xiàn)代社會(huì)生活的需要。 3 無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的整體構(gòu)建 無線自動(dòng)抄表方式分析 總線抄表 的接口是 TLA/ 所描述的接口。 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將 TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成 TTL 電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá) 200mV 的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。 最大傳輸速率可達(dá) 10Mbps，當(dāng)波特率為 1200bps 時(shí)，最大傳輸距離理論上可達(dá) 千米。 接口在一個(gè)通道上可進(jìn)行半雙工通信，所以只需兩根線就能完成雙向通信，很方便地構(gòu)成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)?？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)。 總線抄表系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 總線抄表系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，其中集抄器作為主機(jī)，各個(gè)電能表作為從機(jī)。集抄器與GPRS 遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 42 頁 總線連接端設(shè)置有偏置電阻和終端匹配電阻，電能表 N 的 總線末端設(shè)置有終端匹配電阻。 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)?？晒┻x擇的 驅(qū)動(dòng)芯片有 SN75176， MAX485，MAX1480B， SN75LBC184 等。 總線抄表方式技術(shù)比較簡(jiǎn)單、成熟，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)全電子式電能表改造較小，且總線傳輸速率高，可靠性好。但是， 總線抄表系統(tǒng)施工布線工作量大，網(wǎng)線易受人為破壞，故障點(diǎn)不易查找和易受雷擊和過電壓的影響等缺點(diǎn)。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。 低壓電力線載波抄表 電力線載波的抄表方式是一種利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)進(jìn)行抄表的方式，低壓電力線通到了每家每戶，利用低壓電力線作為無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通道，具有無需布線、安裝使用比較方便，而且無需支付抄表數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)高頻載波上，經(jīng)過功率放大后通過耦合電路耦合到電力線上。信號(hào)頻帶一般為 ，峰峰值電壓不超過 10V，因此不會(huì)對(duì) 力線路造成不良影響。此高頻信號(hào)經(jīng)線路傳輸?shù)浇邮辗?，接收機(jī)通過耦合電路將高頻信號(hào)分離出來、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)。低壓電力線載波通信網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為總線結(jié)構(gòu)。圖 為低壓電力線載波抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。但由于我國(guó)電力網(wǎng)污染嚴(yán)重，使得這一抄表方式很難真正推廣應(yīng)用，目前在電能表抄表應(yīng)用方面比較局限，真正推廣還要有相當(dāng)?shù)臍v程，需對(duì)現(xiàn)有的電力線載波抄表技術(shù)進(jìn)行深人的研究和改進(jìn)，比如采用先進(jìn)的擴(kuò)頻技術(shù)，以提高通信的抗干擾能力 。