【導(dǎo)讀】本表需在指導(dǎo)教師和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審查批準的情況下，要求學(xué)生認真填寫。若課題因故變動時，應(yīng)向指導(dǎo)教師提出申請，提交題目變動論證報告。域得到了廣泛普及?！盎跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程智能抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計”。傳感器網(wǎng)絡(luò)，以解決自動燃氣抄表問題。國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)。理世界的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其產(chǎn)生和發(fā)展一直都與應(yīng)用相聯(lián)系。多年來經(jīng)過不同領(lǐng)域研。得到了充分的肯定和展示。從機制研究、系統(tǒng)研發(fā)，到應(yīng)用示范試點，正在努力。走向技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟。在中國，政府的引導(dǎo)、研究人員的推動和企業(yè)的積極參。與使WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速穩(wěn)步發(fā)展。原理、通過實踐自我總結(jié)。2021年3月21日――2021年4月10日撰寫論文并送老師第一次審查。2021年5月12日交論文，答辯。將無線傳感器節(jié)點嵌入到燃氣表中，依據(jù)無線通信機制，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，擾性措施進行了分析和討論。對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。

　　

【正文】 及事件上報等任務(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。 系統(tǒng)框圖及工作原理 圖 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設(shè)計部分。下面簡單介紹本系統(tǒng)的工作原理。 下位機終端工作后會主動與服務(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態(tài)地址數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)器自動定時刷新數(shù)據(jù)庫以確定哪些表 還掛在網(wǎng)絡(luò)上，再根據(jù)管理員設(shè)定的自動抄表時間對連接在網(wǎng)絡(luò)上的終端進行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取、校時等操作。在系統(tǒng)的運行過程中，始終保持這一連接不斷開，一旦斷開必須重新建立連接，保證 GPRS 模塊“永遠在線”。 下位機終端接入 Inter 網(wǎng)要通過兩個過程： GPRS 附著過程（通過基站系統(tǒng) BSS 與節(jié)點 SGSN 建立連接）， PDP 上下文激活過程（通過節(jié)點 GGSN）。因本文設(shè)計的終端采用內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧，這兩個接入過程只需使用 AT 命令就可以實現(xiàn)。 在下位機終端接入 Inter 后，就可進行數(shù)據(jù)傳輸，我們知道 Inter網(wǎng)的傳輸層上支持 TCP， UDP 等協(xié)議，它們是 TCP/IP 協(xié)議族中的協(xié)議，因此在移動終端分配到 IP地址，要對傳輸層上的協(xié)議進行選擇，接下來就來了解一下 GPRS通訊的傳輸層協(xié)議。 圖 系統(tǒng)總體方案圖 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傳輸需要通過在 TCP客戶端和 TCP服務(wù)端建立特定的虛電路連接來完成，該過程通常被稱為“三次握手”，如圖 。 圖 TCP 協(xié)議連接的三次握手 TCP 報文格式如圖 所示： 源端口號： 16 位字段，在主機中發(fā)送這個報文段的應(yīng)用程序的端口號，這和前面介紹的 UDP 源端口號的作用是一樣的。 信宿端口號： 16 位字段，在主機中接收這個報文段的應(yīng)用程序的端口號，和 UDP 的目標端口號的作用是一樣的。 序號： 32 位字段，定義了指派給本報文段第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的一個數(shù)。 TCP是流式傳輸協(xié)議。為了保證連通性，要發(fā)送的每一個字節(jié)都要編號。序號可以告訴目的端，這 個序號中的哪個字節(jié)是報文段的第一個字節(jié)，目的進程在知道數(shù)據(jù)塊長度后就可以確定最后一個字節(jié)的序號。 確認號： 32 位字段，定義了源進程期望從對方接收的報文段的序號。 首部長度：這個 4 位字段指出了 TCP 首部共有多少個 4 字字節(jié)。首部長度可以在 2060 字節(jié)之間。因此，這個字段的值可以在 5（ 5 4 20）至 15（ 15 4 60）之間。 保留： 6 位字段，保留為今后使用。 標識域： 6 位字段，定義了 6 種不同的控制位或標志，在同一時間可以設(shè)置一個或多個這樣的位。 窗口大?。?16 位字段，定義了對方必須維持的窗口值（以字節(jié)為單位 ）。 TCP校驗和： TCP 首部 +數(shù)據(jù)的校驗和。 緊急指針： 16 位字段，這時的報文段中包括緊急數(shù)據(jù)。緊急指針定義了一個數(shù)，把這個數(shù)加到序號上就得出報文段數(shù)據(jù)部分中最后一個緊急字節(jié)。 選項：在 TCP 首部中可以有多達 40 字節(jié)的可選信息。 源端口 Source Port（ 16bit） 宿端口 Destination Port（ 16bit） 序列號 Sequence Number（ 32bit） 確認號 Acknowledgement Number（ 32bit） 頭長度 Reserved （ 6bit） U R G A C K P S H R S T S Y N F I N 窗口大小 Window Size （ 16bit） 校驗和 Checksum（ 16bit） 緊 急 指 針 Urgent Pointer（ 16bit） 選項 Options（ 0 或多個 32bit 字） 數(shù)據(jù) Data（可選） 圖 TCP 報文格式 （ 2） UDP 協(xié)議 UDP 是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議的簡稱。它位于 TCP/IP 協(xié)議集中，與 TCP 相對應(yīng)，是一種提供應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)報的機制。將每臺機器看作是一些抽象的協(xié)議端口的集合，協(xié)議端口能區(qū)分在一臺機器上運行的多個程 序。每個 UDP 報文不僅傳送用戶數(shù)據(jù)，還包括發(fā)送方和接收方的協(xié)議端口號，以使接收方的 UDP 軟件能將報文送到正確的接收進程，并回送應(yīng)答報文給對應(yīng)的發(fā)送進程。 UDP 使用底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來傳送報文，同 IP 一樣，提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)。它不提供報文到達確認、排序以及流量控制等功能，因此報文可能會丟失、重復(fù)、以及亂序等。而可靠性的問題將由使用 UDP 的應(yīng)用程序來解決。 每個 UDP 報文稱為一個用戶數(shù)據(jù)報，分 UDP 報頭和 UDP 數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。報頭由四個 16 位長的字段組成，分別說明該報文的源端口、目的端口、報文長度以及校 驗和。 UDP 報文格式如圖 所示。 16 位源端口號 16 位目的端口號 16 位 UDP 長度 16 位 UDP 校驗和 數(shù)據(jù)（如果有） 圖 UDP 報文格式 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)較簡單。 3） TCP 是基于流模式的， UDP 是基于數(shù)據(jù)報模式的。 4） TCP 保證數(shù)據(jù)正確性和數(shù)據(jù)的順序， UDP 可能會丟包，數(shù)據(jù)順序也沒有保證。 5） TCP 傳輸存在一定的延時，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題。 本系統(tǒng)中要求監(jiān)控中心和 GPRS 模塊能相互的、實時的傳輸數(shù)據(jù)。 TCP 本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個實時的雙向的傳輸通道，能很好的滿足這一要求。而對于 UDP 傳輸，在一段時間沒有數(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說，不容許傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失或者最大限度的要求數(shù)據(jù)的可靠性。否則，根本無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。從這一點來看，很顯然在無線數(shù)據(jù) 傳輸過程中， 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)濟性的角度考慮，要求降低費用，和費用直接相關(guān)的就是流量了，流量低，費用就低了。雖然 TCP本身的包頭要比 UDP 多，但是 UDP 在實際應(yīng)用中往往需要維護雙向通道，就必須要通過大量的心跳包數(shù)據(jù)來維護端口資源。總的比較起來， UDP 的實際流量要比TCF 還要大。 基于對以上幾點的考慮，本文認為 TCP 傳輸更能滿足本系統(tǒng)對通訊的要求，所以在本系統(tǒng)的 GPRS 通訊部分，選擇了 TCP 協(xié)議。 GPRS 通訊模式選擇 為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場合， GPRS 通訊模式 的選擇必須從兩個方面考慮，一個是下位機終端 GPRS 模塊的通訊模式，一個是監(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：永遠在線模式、中心呼號模式和定時傳輸模式，下面以傳輸 TCP 數(shù)據(jù)報為例來說明三種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式下， GPRS 終端單元的工作流程。 （ 1）實時在線模式 描述：保持 GPRS 模塊與監(jiān)控中心的永久連接。工作過程： GPRS 模塊啟動后自動連接 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)監(jiān)控中心的 IP 地址自動連接監(jiān)控中心，并保持和維護鏈路的連接，當鏈路發(fā)生異常時， GPRS 模塊自動重新建立與監(jiān)控中心的 連接。 實時在線模式下，終端要通過發(fā)送心跳包來維持與數(shù)據(jù)中心之間的鏈路。終端系統(tǒng)啟動定時器，當設(shè)定心跳時間到時， DTU 向數(shù)據(jù)中心發(fā)送設(shè)定的心跳包。 （ 2）中心呼叫模式 描述：由數(shù)據(jù)中心發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求， GPRS 模塊應(yīng)答并發(fā)送 /接收數(shù)據(jù)。 工作過程：當監(jiān)控中心需要收集或發(fā)送數(shù)據(jù)時發(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。 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)的過程一般較為漫長，所以會引起較大延時，不能滿足 系統(tǒng)的實時要求。 （ 3）定時傳輸模式 描述： GPRS 模塊根據(jù)事先設(shè)置的定時間隔向數(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，自動斷線。 在該模式下，工作流程和中心呼叫模式相似，不同之處在于，定時傳輸模式是在設(shè)定時間到時終端登錄 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)定時間到時登錄 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心，傳輸數(shù)據(jù)。 在無線遠程抄表系統(tǒng)中，考慮到無線遠程抄表系統(tǒng)要求的是實時，雙向的數(shù)據(jù)傳輸，而且 GPRS 通訊是按數(shù)據(jù)流量計費的特點，在本系統(tǒng)中選用永遠在線的模式，即讓下位機終端的 GPRS 模塊啟動后就主動連接監(jiān)控中心，并且在以后的時間里一直維護鏈路的暢通，以保證通訊的正常進行。 監(jiān)控中心的通訊模式也是一個不容忽視的環(huán)節(jié)，由于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter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)控中心的通訊模式就有兩種，一種是直接通過 GPRSMODEM 或者專線的方式接入到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中，從而與下位機終端的 GPRS 模塊完成通訊；另外一種就是先接入 Inter 網(wǎng)絡(luò)，利用 Inter網(wǎng)絡(luò)與 GPRS網(wǎng)絡(luò)可以互通的原理來實現(xiàn)與下位機終端 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 Inter 網(wǎng)絡(luò)，通過 GPRS 網(wǎng)關(guān) GGSN 接入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，下位機終端在進入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)之后，就可以連接這個固定地址來與監(jiān)控中心建立無線的連接，從而組建遠程測控網(wǎng)絡(luò)，進行基于 TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊。 系統(tǒng)設(shè)計要求 自動抄表系統(tǒng)是由各功能模塊組合而成的控制系統(tǒng)，在設(shè)計的時候，應(yīng)考慮各方面的因素影響。現(xiàn)在市場上流行的設(shè)備和產(chǎn)品五花八門，功能很多，價格也很昂貴，如果一味追求高端、先進，會使成本過高，功能過剩，造成不必要的浪費。結(jié)合系統(tǒng)的功能指標需求，應(yīng)該在經(jīng)濟實用的前提下，不斷提高抄 表系統(tǒng)的性能。我們在進行具體設(shè)計的時候應(yīng)該注意以下幾點： （ l）技術(shù)的成熟性及先進性 系統(tǒng)設(shè)計時必須采用成熟而先進的技術(shù)，使系統(tǒng)在今后一段時間內(nèi)都處于領(lǐng)先地位，延長系統(tǒng)的生命力。 （ 2）系統(tǒng)的可靠性 數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的通訊都必須準確可靠，系統(tǒng)各部分的抗干擾、抗攻擊能力要強，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，維護工作量要少。 （ 4）系統(tǒng)的可擴充性 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)需要升級或擴充功能，并且備有廣域聯(lián)網(wǎng) 的功能。 （ 5）系統(tǒng)的開放性 今后的發(fā)展趨勢是多元化的，因此系統(tǒng)在選用通信協(xié)議以及硬件接口時都要符合開放的系統(tǒng)規(guī)范。 第八章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 終端硬件平臺設(shè)計成以 ARM7 微處理器為核心，在 Nucleus Plus 實時操作系統(tǒng)的支持下完成信號參數(shù)采集、控制命令執(zhí)行和通訊等功能的測控及通訊裝置。對硬件平臺的總體設(shè)計要求包括： （ 1）功能性要求 所設(shè)計出的硬件平臺必須能充分支撐其上的軟件系統(tǒng)以實現(xiàn)強大的功能，準確、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，并能對數(shù)據(jù)進行保存、上報處理；實時響應(yīng)和執(zhí)行監(jiān)控中心 的控制命令具備簡潔的人機交互界面，便于現(xiàn)場了解信息、控制和調(diào)試；滿足應(yīng)用程序遠程下載升級和未來其他功能擴展對硬件平臺的要求。 （ 2）性能要求 要保證所設(shè)計的系統(tǒng)能適應(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)濟性要求 在此基礎(chǔ)上還要考慮實現(xiàn)此終端系統(tǒng)的經(jīng)濟成本。 終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 所示，終端選用 LPC2138 為主控 MCU，利用其片上的 512kFlash，32kRAM 作為程序存儲及運行空間：片上實時時鐘經(jīng)測定誤差在 1s/天內(nèi)，鋅紐扣電池為獨立的時鐘源和 電源，用于抄表時間控制和實時時間顯示，外接一片 12C接口的 E2PROMAT24C16（ 16Kbit）存儲終端參數(shù)，一片 SPI 接口的 FlashAT45DB32（ 32Mbit）存儲歷史數(shù)據(jù)以及遠程軟件升級時暫存接收到的新程序；液晶屏用于顯示終端當前參數(shù)、實時狀態(tài)和抄表數(shù)據(jù)，可由按鍵控制顯示頁面切換和更改終端地址。 圖 終端硬件原理圖 LPC2138 通過 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家電網(wǎng)公司的《電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約 2021》與之通信。終端通過 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 6451997》獲取抄表數(shù)據(jù)。 ARM 控制單元及相關(guān)外圍電路 ARM 控制單元 在監(jiān)測系統(tǒng)中一般采用微處理器或工業(yè)控制計算機來實現(xiàn)高速信息處理、