【導(dǎo)讀】本表需在指導(dǎo)教師和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審查批準(zhǔn)的情況下，要求學(xué)生認(rèn)真填寫。若課題因故變動(dòng)時(shí)，應(yīng)向指導(dǎo)教師提出申請(qǐng)，提交題目變動(dòng)論證報(bào)告。域得到了廣泛普及。“基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)”。傳感器網(wǎng)絡(luò)，以解決自動(dòng)燃?xì)獬韱?wèn)題。國(guó)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(lái)經(jīng)過(guò)不同領(lǐng)域研。得到了充分的肯定和展示。從機(jī)制研究、系統(tǒng)研發(fā)，到應(yīng)用示范試點(diǎn)，正在努力。走向技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟。在中國(guó)，政府的引導(dǎo)、研究人員的推動(dòng)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(guò)實(shí)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到燃?xì)獗碇?，依?jù)無(wú)線通信機(jī)制，形成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，擾性措施進(jìn)行了分析和討論。對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。

　　

【正文】 及事件上報(bào)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(jì)。 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(diǎn)設(shè)計(jì)部分。下面簡(jiǎn)單介紹本系統(tǒng)的工作原理。 下位機(jī)終端工作后會(huì)主動(dòng)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(dòng)態(tài)地址數(shù)據(jù)庫(kù)中，服務(wù)器自動(dòng)定時(shí)刷新數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)抄表時(shí)間對(duì)連接在網(wǎng)絡(luò)上的終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取、校時(shí)等操作。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)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(yuǎn)在線”。 下位機(jī)終端接入 Inter 網(wǎng)要通過(guò)兩個(gè)過(guò)程： GPRS 附著過(guò)程（通過(guò)基站系統(tǒng) BSS 與節(jié)點(diǎn) SGSN 建立連接）， PDP 上下文激活過(guò)程（通過(guò)節(jié)點(diǎn) GGSN）。因本文設(shè)計(jì)的終端采用內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧，這兩個(gè)接入過(guò)程只需使用 AT 命令就可以實(shí)現(xiàn)。 在下位機(jī)終端接入 Inter 后，就可進(jìn)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(dòng)終端分配到 IP地址，要對(duì)傳輸層上的協(xié)議進(jìn)行選擇，接下來(lái)就來(lái)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(wú)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(guò)在 TCP客戶端和 TCP服務(wù)端建立特定的虛電路連接來(lái)完成，該過(guò)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(bào)文格式如圖 所示： 源端口號(hào)： 16 位字段，在主機(jī)中發(fā)送這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號(hào)，這和前面介紹的 UDP 源端口號(hào)的作用是一樣的。 信宿端口號(hào)： 16 位字段，在主機(jī)中接收這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號(hào)，和 UDP 的目標(biāo)端口號(hào)的作用是一樣的。 序號(hào)： 32 位字段，定義了指派給本報(bào)文段第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的一個(gè)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(gè)字節(jié)都要編號(hào)。序號(hào)可以告訴目的端，這 個(gè)序號(hào)中的哪個(gè)字節(jié)是報(bào)文段的第一個(gè)字節(jié)，目的進(jìn)程在知道數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度后就可以確定最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。 確認(rèn)號(hào)： 32 位字段，定義了源進(jìn)程期望從對(duì)方接收的報(bào)文段的序號(hào)。 首部長(zhǎng)度：這個(gè) 4 位字段指出了 TCP 首部共有多少個(gè) 4 字字節(jié)。首部長(zhǎng)度可以在 2060 字節(jié)之間。因此，這個(gè)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(biāo)識(shí)域： 6 位字段，定義了 6 種不同的控制位或標(biāo)志，在同一時(shí)間可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)這樣的位。 窗口大?。?16 位字段，定義了對(duì)方必須維持的窗口值（以字節(jié)為單位 ）。 TCP校驗(yàn)和： TCP 首部 +數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。 緊急指針： 16 位字段，這時(shí)的報(bào)文段中包括緊急數(shù)據(jù)。緊急指針定義了一個(gè)數(shù)，把這個(gè)數(shù)加到序號(hào)上就得出報(bào)文段數(shù)據(jù)部分中最后一個(gè)緊急字節(jié)。 選項(xiàng)：在 TCP 首部中可以有多達(dá) 40 字節(jié)的可選信息。 源端口 Source Port（ 16bit） 宿端口 Destination Port（ 16bit） 序列號(hào) Sequence Number（ 32bit） 確認(rèn)號(hào) Acknowledgement Number（ 32bit） 頭長(zhǎng)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(yàn)和 Checksum（ 16bit） 緊 急 指 針 Urgent Pointer（ 16bit） 選項(xiàng) Options（ 0 或多個(gè) 32bit 字） 數(shù)據(jù) Data（可選） 圖 TCP 報(bào)文格式 （ 2） UDP 協(xié)議 UDP 是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議的簡(jiǎn)稱。它位于 TCP/IP 協(xié)議集中，與 TCP 相對(duì)應(yīng)，是一種提供應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)報(bào)的機(jī)制。將每臺(tái)機(jī)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(tái)機(jī)器上運(yùn)行的多個(gè)程 序。每個(gè) UDP 報(bào)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(hào)，以使接收方的 UDP 軟件能將報(bào)文送到正確的接收進(jìn)程，并回送應(yīng)答報(bào)文給對(duì)應(yīng)的發(fā)送進(jìn)程。 UDP 使用底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)傳送報(bào)文，同 IP 一樣，提供不可靠的無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。它不提供報(bào)文到達(dá)確認(rèn)、排序以及流量控制等功能，因此報(bào)文可能會(huì)丟失、重復(fù)、以及亂序等。而可靠性的問(wèn)題將由使用 UDP 的應(yīng)用程序來(lái)解決。 每個(gè) UDP 報(bào)文稱為一個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)，分 UDP 報(bào)頭和 UDP 數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。報(bào)頭由四個(gè) 16 位長(zhǎng)的字段組成，分別說(shuō)明該報(bào)文的源端口、目的端口、報(bào)文長(zhǎng)度以及校 驗(yàn)和。 UDP 報(bào)文格式如圖 所示。 16 位源端口號(hào) 16 位目的端口號(hào) 16 位 UDP 長(zhǎng)度 16 位 UDP 校驗(yàn)和 數(shù)據(jù)（如果有） 圖 UDP 報(bào)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(duì)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(jiǎn)單。 3） TCP 是基于流模式的， UDP 是基于數(shù)據(jù)報(bào)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(huì)丟包，數(shù)據(jù)順序也沒(méi)有保證。 5） TCP 傳輸存在一定的延時(shí)，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(wèn)題。 本系統(tǒng)中要求監(jiān)控中心和 GPRS 模塊能相互的、實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)。 TCP 本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個(gè)實(shí)時(shí)的雙向的傳輸通道，能很好的滿足這一要求。而對(duì)于 UDP 傳輸，在一段時(shí)間沒(méi)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(lái)說(shuō)，不容許傳輸過(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。從這一點(diǎn)來(lái)看，很顯然在無(wú)線數(shù)據(jù) 傳輸過(guò)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(jì)性的角度考慮，要求降低費(fèi)用，和費(fèi)用直接相關(guān)的就是流量了，流量低，費(fèi)用就低了。雖然 TCP本身的包頭要比 UDP 多，但是 UDP 在實(shí)際應(yīng)用中往往需要維護(hù)雙向通道，就必須要通過(guò)大量的心跳包數(shù)據(jù)來(lái)維護(hù)端口資源?？偟谋容^起來(lái)， UDP 的實(shí)際流量要比TCF 還要大。 基于對(duì)以上幾點(diǎn)的考慮，本文認(rèn)為 TCP 傳輸更能滿足本系統(tǒng)對(duì)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(chǎng)合， GPRS 通訊模式 的選擇必須從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是下位機(jī)終端 GPRS 模塊的通訊模式，一個(gè)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(yuǎn)在線模式、中心呼號(hào)模式和定時(shí)傳輸模式，下面以傳輸 TCP 數(shù)據(jù)報(bào)為例來(lái)說(shuō)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(shí)時(shí)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(guò)程： GPRS 模塊啟動(dòng)后自動(dòng)連接 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)監(jiān)控中心的 IP 地址自動(dòng)連接監(jiān)控中心，并保持和維護(hù)鏈路的連接，當(dāng)鏈路發(fā)生異常時(shí)， GPRS 模塊自動(dòng)重新建立與監(jiān)控中心的 連接。 實(shí)時(shí)在線模式下，終端要通過(guò)發(fā)送心跳包來(lái)維持與數(shù)據(jù)中心之間的鏈路。終端系統(tǒng)啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)設(shè)定心跳時(shí)間到時(shí)， 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(qǐng)求， GPRS 模塊應(yīng)答并發(fā)送 /接收數(shù)據(jù)。 工作過(guò)程：當(dāng)監(jiān)控中心需要收集或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(guò)程一般較為漫長(zhǎng)，所以會(huì)引起較大延時(shí)，不能滿足 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。 （ 3）定時(shí)傳輸模式 描述： GPRS 模塊根據(jù)事先設(shè)置的定時(shí)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(dòng)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(shí)傳輸模式是在設(shè)定時(shí)間到時(shí)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(shí)間到時(shí)登錄 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心，傳輸數(shù)據(jù)。 在無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，考慮到無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)要求的是實(shí)時(shí)，雙向的數(shù)據(jù)傳輸，而且 GPRS 通訊是按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中選用永遠(yuǎn)在線的模式，即讓下位機(jī)終端的 GPRS 模塊啟動(dòng)后就主動(dòng)連接監(jiān)控中心，并且在以后的時(shí)間里一直維護(hù)鏈路的暢通，以保證通訊的正常進(jìn)行。 監(jiān)控中心的通訊模式也是一個(gè)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(guò) GPRSMODEM 或者專線的方式接入到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中，從而與下位機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)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(guò) GPRS 網(wǎng)關(guān) GGSN 接入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，下位機(jī)終端在進(jìn)入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)之后，就可以連接這個(gè)固定地址來(lái)與監(jiān)控中心建立無(wú)線的連接，從而組建遠(yuǎn)程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行基于 TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 自動(dòng)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(jì)的時(shí)候，應(yīng)考慮各方面的因素影響?，F(xiàn)在市場(chǎng)上流行的設(shè)備和產(chǎn)品五花八門，功能很多，價(jià)格也很昂貴，如果一味追求高端、先進(jìn)，會(huì)使成本過(guò)高，功能過(guò)剩，造成不必要的浪費(fèi)。結(jié)合系統(tǒng)的功能指標(biāo)需求，應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的前提下，不斷提高抄 表系統(tǒng)的性能。我們?cè)谶M(jìn)行具體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： （ l）技術(shù)的成熟性及先進(jìn)性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須采用成熟而先進(jìn)的技術(shù)，使系統(tǒng)在今后一段時(shí)間內(nèi)都處于領(lǐng)先地位，延長(zhǎng)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(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)各部分的抗干擾、抗攻擊能力要強(qiáng)，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(hù)工作量要少。 （ 4）系統(tǒng)的可擴(kuò)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(jí)或擴(kuò)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(shì)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(shí)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(jì) 終端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)成以 ARM7 微處理器為核心，在 Nucleus Plus 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下完成信號(hào)參數(shù)采集、控制命令執(zhí)行和通訊等功能的測(cè)控及通訊裝置。對(duì)硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)要求包括： （ 1）功能性要求 所設(shè)計(jì)出的硬件平臺(tái)必須能充分支撐其上的軟件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，準(zhǔn)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(cè)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、上報(bào)處理；實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行監(jiān)控中心 的控制命令具備簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，便于現(xiàn)場(chǎng)了解信息、控制和調(diào)試；滿足應(yīng)用程序遠(yuǎn)程下載升級(jí)和未來(lái)其他功能擴(kuò)展對(duì)硬件平臺(tái)的要求。 （ 2）性能要求 要保證所設(shè)計(jì)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(jì)性要求 在此基礎(chǔ)上還要考慮實(shí)現(xiàn)此終端系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(chǔ)及運(yùn)行空間：片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)測(cè)定誤差在 1s/天內(nèi)，鋅紐扣電池為獨(dú)立的時(shí)鐘源和 電源，用于抄表時(shí)間控制和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示，外接一片 12C接口的 E2PROMAT24C16（ 16Kbit）存儲(chǔ)終端參數(shù)，一片 SPI 接口的 FlashAT45DB32（ 32Mbit）存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程軟件升級(jí)時(shí)暫存接收到的新程序；液晶屏用于顯示終端當(dāng)前參數(shù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)和抄表數(shù)據(jù)，可由按鍵控制顯示頁(yè)面切換和更改終端地址。 圖 終端硬件原理圖 LPC2138 通過(guò) 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(guó)家電網(wǎng)公司的《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約 2021》與之通信。終端通過(guò) 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(cè)系統(tǒng)中一般采用微處理器或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速信息處理、