【正文】 硬件上予以了實(shí)現(xiàn)我們選用 Philips 公司的 LPC2138 微處理器和 Siemens公司的 MC55通信模塊作為目標(biāo)硬件使用 AT指令完成與監(jiān)控中心的通信本文行文安排如下 第一章調(diào)研了電力監(jiān)測系統(tǒng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀分析了電力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中幾種傳統(tǒng)的通訊方式并指出這些通訊方式的優(yōu)點(diǎn)和不足之處并對 GPRS 應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信進(jìn)行了可行性分析明 確了課題的研究意義和實(shí)用價(jià)值 第二章介紹了 GPRS無線通訊技術(shù)的基本原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信協(xié)議及基于 GPRS的數(shù)據(jù)傳輸并將它與幾種無線的通訊方式進(jìn)行了詳細(xì)的比較從而證明了它在遠(yuǎn)程測控領(lǐng)域中有著獨(dú)特的優(yōu)勢 第三章根據(jù)電力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求設(shè)計(jì)了無線抄表終端硬件系統(tǒng)詳細(xì)介紹了各主要功能模塊的設(shè)計(jì)對終端單元用到的主要器件作了介紹詳細(xì)地分析了其中的各硬件電路并對硬件電路設(shè)計(jì)中涉及到電磁兼容性問題和抗干擾性措施進(jìn)行了分析和討論 第四章針對終端的功能需求和主控制器的資源終端軟件系統(tǒng)采用了多任務(wù)調(diào)度機(jī)制對各功能模塊的軟件實(shí) 現(xiàn)進(jìn)行了論述詳細(xì)論述了 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)思路 第五章總結(jié)了本課題所做的工作和成果并對下一步工作的重點(diǎn)和方向做出了展望 第 2 章 基于 GPRS 的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本章通過對遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行分析在綜合當(dāng)前多種通信模式的優(yōu)缺點(diǎn)的前提下采用了 GPRS通訊方式隨后詳細(xì)介紹了 GPRS的原理及構(gòu)成最終在經(jīng)過方案的論證與選擇之后確定了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)并給出了系統(tǒng)整體的框圖 21 設(shè)計(jì)方案論述與選擇 述 通信是自動抄表技術(shù)中的關(guān)鍵也占據(jù)了投資的大部分因此方案的選擇主要是通信方式的選擇數(shù) 據(jù)通信的設(shè)計(jì)要綜合考慮地理環(huán)境用戶用能行為技術(shù)水平管理體制和投資成本等因素在國外己有許多發(fā)展成熟的自動抄表系統(tǒng)他們采用的信息傳輸方式有電視電纜電力線載波無線電波和公用電話網(wǎng)等自動抄表系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展有著多種實(shí)現(xiàn)方案目前比較流行的方案有 1 電力線載波抄表 以電力線作為傳輸信道將數(shù)據(jù)信號調(diào)制為高頻信號疊加在電力線上進(jìn)行通信此方式無需另外布線易施工成本低與電網(wǎng)建設(shè)同步目前國內(nèi) 10kV 以上電壓等級的高壓電力線載波技術(shù)已較成熟但低壓電力線載波還未能達(dá)到令人滿意的水平制約了電力線載波抄表在我國的應(yīng)用原因在于電力載 波信號存在著脈沖干擾傳輸距離越遠(yuǎn)信號衰減越大低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴(yán)格低壓電力線上存在的電磁污染嚴(yán)重干擾大影響載波通信的質(zhì)量另外用戶負(fù)載千變?nèi)f化造成網(wǎng)絡(luò)傳輸特性復(fù)雜多變難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以表征因此抗干擾是低壓電力線載波技術(shù)必須克服的問題 2 總線抄表 總線通信是目前國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)采用較多的一種通信方式其數(shù)據(jù)傳輸速度較快可靠穩(wěn)定通信質(zhì)量高目前使用的總線通信方式有 RS232RS485LonWorks等但這種方式布線工作量大通信信道易遭外界因素破壞信道后續(xù)維護(hù)工作量大 3 紅外抄表 抄表員 將錄有用戶信息的紅外手持抄表器拿到居民區(qū)數(shù)據(jù)集中器附近通過紅外通訊方式集中采集各耗能表的數(shù)據(jù)然后返回主站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中這種方式在紅外可視距離內(nèi)能非接觸的讀取儀表數(shù)據(jù)操作簡單方便實(shí)現(xiàn)較可靠且成本較低被眾多的軟件和硬件平臺所支持其缺點(diǎn)是速率較低易受外界環(huán)境的影響 4 GSM 短信息抄表 GSM 短信息抄表系統(tǒng)在用戶端安裝集控器和無線發(fā)射終端將用戶的耗能數(shù)據(jù)通過 GSM 網(wǎng)以短信息 SMS 的形式上傳到 GSM 網(wǎng)的 SMS 中心 SMS 中心將接收到的數(shù)據(jù)通過專線傳遞給能源管理部門 GSM 短信息抄表不占用話音通信的信道費(fèi)用低 GSM 網(wǎng)的覆蓋面幾乎遍及全國故不需要建新基站抄表不受距離和空間的限制但每條短信息通信容量有限系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及可靠性較差可能發(fā)生信息擁塞和丟失現(xiàn)象不適合在業(yè)務(wù)量大的系統(tǒng)中應(yīng)用 5 GPRS 抄表 GPRS 抄表系統(tǒng)通過 GPRS 網(wǎng)連接到 Inter 網(wǎng)與主站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信用戶的耗能數(shù)據(jù)經(jīng)過 GPRS發(fā)射模塊處理協(xié)議封裝后發(fā)送出去由 GPRS接收模塊接收經(jīng)Inter 網(wǎng)絡(luò)傳送至主站實(shí)現(xiàn)用戶耗能數(shù)據(jù)和主站的實(shí)時(shí)在線連接 GPRS 以 GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)采用分組交換的高效率傳輸方式克服了 GSM 電路變換速率低資源利用率差等缺點(diǎn)最大 限度地利用了現(xiàn)有的 GSMRS485 總線作為通信信道以實(shí)現(xiàn)專線專用其通信成功率幾乎為 100 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄收實(shí)時(shí) 監(jiān)控配套設(shè)備成本最低既保證了通信質(zhì)量成本又不是很高其通信協(xié)議可根據(jù)需要靈活制定 集中器與主站之間由于傳輸距離較遠(yuǎn)環(huán)境復(fù)雜采用專線通信成本太大工程復(fù)雜信道易遭破壞因此系統(tǒng)選擇 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)通信其優(yōu)點(diǎn)是無需另外布線抗干擾性好抄表范圍廣系統(tǒng)傳輸容量大數(shù)據(jù)傳送速率高建設(shè)成本及通信費(fèi)用低等 22 GPRS 通訊技術(shù)介紹 GPRS General Packet Radio Service 是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱構(gòu)建在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上對原有的 GSM網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無線系統(tǒng)的設(shè)備及功能進(jìn)行了升級和增強(qiáng)被稱為 25G 系統(tǒng) GPRS 采用了與 GSM 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)同樣的帶寬同樣的跳頻規(guī)則和同樣的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)因此現(xiàn)有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)可以很容易地提供 GPRS業(yè)務(wù)它支持 TCPIP 協(xié)議是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)無需經(jīng)過 PSTN 等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接就可直接將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式與 Inter互傳因此 GPRS業(yè)務(wù)在無線上網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測交通監(jiān)控移動辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢 GPRS 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 如圖 21 所示 GPRS 網(wǎng)絡(luò)是對 GSM 的平滑升級通過在 GSM 系統(tǒng)的無線側(cè)新增PCUPacket Control Unit 作為分組接入和控制單元在網(wǎng)絡(luò)側(cè)新增 SGSN Serving GPRS Support Node 和 GGSN Gateway GPRS Support Node 實(shí)施用戶管理和分組支撐將電路交換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)合二為一從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效利用拓展系統(tǒng)功能 GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) SGSN Serving GPRS Support Node 的主要功能是對移動終端進(jìn)行鑒權(quán)和移動性管理建立移動終端到 GGSN 的傳輸通道接收從 BSS 傳送來的移動終端分組數(shù)據(jù)通過 GPRS骨干網(wǎng)傳送給 GGSN或者將分組發(fā)送到同一服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動終端 SGSN 還可以集成計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)邊 緣網(wǎng)關(guān) 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn) GPRS 網(wǎng)絡(luò)之間的互連 和防火墻的功能 圖 21GPRS 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) GGSN Gateway GPRS Support Node 是連接 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)對于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來說它就是一個(gè)路由器負(fù)責(zé)存儲己經(jīng)激活的 GFRS用戶的路由信息 GGSN接收移動終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的外部網(wǎng)絡(luò)或接收來自外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過隧道 Tunnel 技術(shù)傳送給相應(yīng)的 SGSN 另外 GGSN 還可具有地址分配計(jì)費(fèi)防火墻功能 SGSN和 GGSN兩節(jié)點(diǎn)可分可合即它們的功能既可以由一個(gè) 物理節(jié)點(diǎn)全部實(shí)現(xiàn)也可以由不同的物理節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)每個(gè) GGSN 和 SGSN 都至少擁有一個(gè)網(wǎng)內(nèi)固定 IP地址它們都應(yīng)有 IP路由功能并能與 IP路由器互連 GPRS骨干網(wǎng)絡(luò)是 IP的網(wǎng)絡(luò)提供 GPRS內(nèi)部和 GPRS之間的通信對外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來說 GPRS系統(tǒng)中的 GGSN就是一個(gè)路由器實(shí)現(xiàn) GPRS 骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) X25 網(wǎng)幀中繼網(wǎng)或 ATM 網(wǎng) 之間的路由尋址功能因?yàn)椴捎孟嗤膮f(xié)議 GPRS 可以看作是 Inter 的子網(wǎng)能夠使用GPRS 的移動終端可以視為移動主機(jī)每一個(gè) GPRS 終端都有一個(gè)自己的 IP 地址并可以依據(jù)此尋址 PCU 分組控制 單元 與 BSC Base Station Controller 協(xié)同作用提供無線數(shù)據(jù)的處理功能如邏輯鏈路與物理鏈路的映射數(shù)據(jù)包的拆封和確認(rèn)無線數(shù)據(jù)信道的分配等 PCU 可作為模塊單元插入 BSC 或者作為獨(dú)立于 BSC 的單元存在 GPRS 技術(shù)優(yōu)勢 GPRS 通訊技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn) l 價(jià)格合理資源利用率高 GPRS 引入了分組交換的傳輸模式使得用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無線信道從而提高了資源的利用率 GPRS 通訊采取按流量計(jì)費(fèi)的方式體現(xiàn)了得到多少支付多少的原則 2 傳輸 速率高 GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速度理論最高可達(dá)到 115kbps170kbps是常用有線 Modem理想速率的兩倍是當(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 3 接入時(shí)間短分組交換接入時(shí)間少于 1 秒能提供快速及時(shí)的連接可大幅度提高一些事務(wù) 如信用卡核對遠(yuǎn)程監(jiān)控等 的效率并可使己有的 Inter 應(yīng)用 如 Email 網(wǎng)頁瀏覽等 操作更加便捷流暢 4 基于 IP 協(xié)議可提供強(qiáng)大的 Inter 接入能力 5 永遠(yuǎn)在線可靠性高抗干擾能力強(qiáng) 下面我們以列表的形式從實(shí)際應(yīng)用中將 GPRS 通訊技術(shù)與其他的無線的通訊技術(shù)進(jìn)行 一下比較如表 21 所示 表 21GPRS 與無線數(shù)據(jù)通訊的比較 傳輸方式 比較內(nèi)容 GPRS 短消息 無線數(shù)傳電臺 覆蓋范圍 全國 全國 不大于 20km 建設(shè)費(fèi)用 一般 低 高 施工難度 較低 低 高 計(jì)費(fèi)方式 流量無月租 01 元條 占頻費(fèi) 運(yùn)行費(fèi)用 較低 較高 一般 通信速率 20kbps 12kbps 可靠性 較高 一般 一般 傳輸時(shí)延 短 不確定 短 維護(hù)成本 低 低 高 通過以上客觀分析可以看出無論從建設(shè)周期建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用還是系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)定性和技術(shù)的先進(jìn)性等用 戶比較關(guān)心的角度而言 GPRS 技術(shù)在遠(yuǎn)程的分散數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)越性因此在分布范圍較廣數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多實(shí)時(shí)性要求較高的場合 GPRS 通訊技術(shù)比較合適同時(shí)它也符合遠(yuǎn)程測控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢那就是測控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的融合 23 無線抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 經(jīng)過方案論證與選擇系統(tǒng)的總體方案也隨之確定按照無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和要實(shí)現(xiàn)的功能將本系統(tǒng)大體分為三個(gè)功能部分無線抄表終端下位機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心上位機(jī) 上位機(jī)監(jiān)控中心服務(wù)器不管采用何種方式接入 Inter 都必須有固定 IP地址并對各終端開放相應(yīng)的偵聽端口在接人 網(wǎng)絡(luò)后需盡量保持在線下位機(jī)終端完成對多功能電能表的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)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) 圖及工作原理 圖 22 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)部分下面簡單介紹本系統(tǒng)的工作原理 下位機(jī)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(shí)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(shí)間對連接在網(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)要通過兩個(gè)過程 GPRS 附著過程 通過基站系統(tǒng)BSS與節(jié)點(diǎn) SGSN建立連接 PDP上下文激活過程 通過節(jié)點(diǎn) GGSN 因本文設(shè)計(jì)的終端采用內(nèi)嵌 TCPIP 協(xié)議棧這兩個(gè)接入過程只需使用 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 TCPUDP 等協(xié)議它們是 TCPIP 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(jìn)行選擇接下來就來了解一下 GPRS通訊的傳輸層協(xié)議 圖 22 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 TCPIP 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 23 圖 23TCP 協(xié) 議連接的三次握手 TCP 報(bào)文格式如圖 24 所示 源端口號 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(jī)中接收這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號和 UDP的目標(biāo)端口號的作用是一樣的 序號這個(gè) 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)都要編號序號可以告訴目的端這個(gè)序號中的哪個(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)塊長度后就可以確定最后一個(gè)字節(jié)的序號 確認(rèn)號這個(gè) 32 位字段定義了源進(jìn)程 期望從對方接收的報(bào)文段的序號 首部長度這個(gè) 4位字段指出了 TCP首部共有多少個(gè) 4字字節(jié)首部長度可以在2060 字節(jié)之間因此這個(gè)字段的值可以在 5 5x4 20 至 15 15x4 60 之間 保留這是 6 位字段保留為今后使用 標(biāo)識域這個(gè) 6位字段定義了 6種不同的控制位或