【正文】 景 電 力作為當前最主要的工業(yè)能源，在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和家庭居民生活中具有舉足輕重的作用。早期的抄表方法都是抄表員現(xiàn)場手動抄表，這種傳統(tǒng) 的手動抄表方式不僅人力成本高、勞動強度大、采集的用電信息數(shù)據(jù)單一 ，還存在抄表不到位、估抄、漏抄、錯抄、錯算及抄表周期長等問題?；谝陨纤龅氖止こ淼谋锥?，發(fā)展電能計量遠程抄表技術是提 高用電管理水平的需要，也是網(wǎng)絡和計算機技術迅速發(fā)展的必然趨勢，即采用通信和計算機網(wǎng)絡等技術來自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，推進電能管理現(xiàn)代化的發(fā)展進程。 GPRS(General Packet Radio Service)是在 GSM 系統(tǒng)的基礎上建立的移動網(wǎng)絡系統(tǒng)。作為現(xiàn)有 GSM 網(wǎng)絡向 3G演變的過渡技術 ()GPRS 在許多方面具有顯著 的優(yōu)勢 ： （ 1） 從技術角度上講，數(shù)據(jù)傳輸率高，理論值可達 ，能滿足電力通信網(wǎng)對通信速度的要求 ； 接入速度快，可快速建立連接，提供實時在線功能，用戶始終處于連線和在線狀態(tài)，滿足電力系統(tǒng)通信實時性的要求 ； 系統(tǒng)擴容方便，無需鋪設線路，浪費線材與人力，易維護。從上述分析來看，GPRS 無線通信為覆蓋面廣、地理位置分散的電力系統(tǒng)設備運行狀況的監(jiān)測提供了經(jīng)濟可靠的通 信手段。 國內(nèi)外遠程抄表系統(tǒng)的發(fā)展概況 自動抄表技術自八十年代誕生于美國后，在世界各地得到迅猛發(fā)展，最先在供水企業(yè)中應用，后擴展到電、氣等各個領域。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 國外自動抄表技術的發(fā)展 在自動抄表系統(tǒng)中，一個重要的抉擇，就是通信方式的選擇。此階段，自動抄表系統(tǒng)主要采用有線通信，如 用電力線載波、波導管、電纜、光纜等作為傳輸媒質(zhì)。這些系統(tǒng)曾先后投入試運行，但由于投資較大，均僅用于用電大戶、聯(lián)網(wǎng)結算或部分住宅區(qū)的集中電能表數(shù)據(jù)的讀取。 1990 年以后， AMR 得到較快的發(fā)展。為了滿足美國加州電力市場 150 方案的要求，美國最大的電能計量計費系統(tǒng) TMR 于 1998年投入運行。在 1999~2020 年度供水方面有 55%的高速增長，電力有 20%的增長，煤氣有 13%的增長。目前，遠程抄表監(jiān)控系統(tǒng)主要基于微處理器，通過GPRS、 CDMA 等無線通信網(wǎng)絡，向能源管理系統(tǒng)傳送采集的數(shù)據(jù)。全國各供電企業(yè)基本建立了無線電電力負荷控制系統(tǒng) ，雖然其主要建設目的是控制負荷，但也逐漸用于大用戶的電能表抄表。 1994 年以色列居民集抄系統(tǒng)進入中國，全國各地供電企業(yè)大多都開展了低壓電力載波技術試點。 2020 年經(jīng)全國電工 儀器儀表標準化技術委員會秘書處召集生產(chǎn)、用戶以及計量檢測等 20 個成員單位組成《自動抄表系統(tǒng)》國家標準起草工作組，通過標準的制定有效地規(guī)范了市場和引導技術的發(fā)展。 2020 年國家電網(wǎng)公司頒布《關于加強電力營銷現(xiàn)代化的建設意見》的 406 號文后，中國迎來了 AMR 發(fā)展的黃金時期。 2020 年部分省市電力公司又重新啟動居民用戶集中抄表系統(tǒng)工程，中國將至少具有十年的 AMR 發(fā)展黃金時期。如果這種情況不能得到有效解決，自動抄表行業(yè)必將受到嚴重影響，其負面影響將波及到房地產(chǎn)行業(yè)、自來水等專業(yè)公司、智能化產(chǎn)業(yè)以及廣大居民的日常生活 本 論文研究內(nèi)容 及章節(jié)安排 本文提出了一種基于 GPRS 的無 線抄表終端系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，在以 GPRS 為通信手段的基礎上，對無線抄表終端 進行了完整的設計與實現(xiàn)，本文的主要工作在于對 GPRS 通信模塊軟硬件上予以了實現(xiàn)，我們選用 Philips 公司的 LPC2138 微處理器和 Siemens 公司的MC55 通信模塊作為目標硬件，使用 AT 指令，完成與監(jiān)控中心的通信。 第二章 ： 介紹了 GPRS 無線通訊技術的基本原理、網(wǎng)絡結構、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行了詳細的比較，從而證明了它在遠程測控領域中有著獨特的優(yōu)勢。對終端單元用到的主要器件作了介紹，詳細地分析了其中的各硬件電路，并對硬件電路設計中涉及到電磁兼容性問題和抗干擾性措施進行了分析和討論。 第 五 章 :總結了本課題所做的工作和成果，并對 下一步工作的重點和方向 做出了展望 。 設計方案論述與選擇 方案論述 通信是自動抄表技術中的關鍵，也占據(jù)了投 資的大部分。數(shù)據(jù)通信的設計要綜合考慮地理環(huán)境、用戶用能行為、技術水平、管理體制和投資成本等因素。自動抄表系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展，有著多種實現(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行通信。目前國內(nèi) 10kV 以上電壓等級的高壓電力線載波技術已較成 熟，但低壓電力線載波還未能達到令人滿意的水平，制約了電力線載波抄表在我國的應用。低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴格，低壓電力線上存在的電磁污染嚴重，干擾大，影響載波通信的質(zhì)量 ； 另外，用戶負載千變?nèi)f化造成網(wǎng)絡傳輸特性復雜多變，難以用準確的數(shù)學模型加以表征。 (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。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)維護工作量大。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，實現(xiàn)較可靠，且成本較低，被眾多的軟件和硬件平臺所支持。 (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)通過華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 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 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。 (5)GPRS 抄表 GPRS 抄表系統(tǒng)通過 GPRS 網(wǎng)連接到 Inter 網(wǎng)與主站計算機進行通信。 GPRS 以 GSM 網(wǎng)絡為基礎，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，最大限度地利用了現(xiàn)有的 GSM 網(wǎng)絡資源。 方案選擇 結合國內(nèi)外抄表系統(tǒng)的發(fā)展，在自動抄表技術應用到的所有通信模式中，各種方案都存在著不同程度的缺陷，尤其是我國目前的低壓電力網(wǎng)絡問題很多，因此任何一種采用 單一技術的通信方案都很難完全滿足客戶的多重要求。為解決這類矛盾，本文提出了復合通信方案。根據(jù)抄表系統(tǒng)的結構及傳輸距離，系統(tǒng)的通信分為底層通信和上層通信。選擇什么樣的方式相互配合 ，需根據(jù)實際情況統(tǒng)籌考慮，混合使用的各種通信方式之間要有很好的相容性，不能相互干擾。其通信成功率幾乎為 100%，可以實現(xiàn)實時抄收，實時監(jiān)控，配套設備成本最低。 集中器與主站之間由于傳輸距離較遠，環(huán)境復雜，采用專線通信成本太大，工程復雜，信道易遭破壞，因此系統(tǒng)選擇 GPRS 無線網(wǎng)絡通信。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 GPRS 通訊技術介紹 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務的簡稱，構建在 GSM 網(wǎng)絡基礎之上，對原有的 GSM 網(wǎng)絡子系統(tǒng)和無線系統(tǒng)的設備及功能進行了升級和增強，被稱為 系統(tǒng)。它支持 TCP/IP 協(xié)議，是一個分組型數(shù) 據(jù)網(wǎng)，無需經(jīng)過 PSTN 等網(wǎng)絡的轉接，就可直接將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式與 Inter互傳。 GPRS 的網(wǎng)絡結構 如圖 21 所示， GPRS 網(wǎng)絡是對 GSM 的平滑升級，通過在 GSM 系統(tǒng)的無線側新增 PCU（ Packet Control Unit)作為分組接入和控制單元，在網(wǎng)絡側新增 SGSN(Serving GPRS Support Node)和 GGSN(Gateway GPRS Support Node)實施用戶管理 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，從而實現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效利用，拓展系統(tǒng)功能。 SGSN還可以集成計費網(wǎng)關、邊緣網(wǎng)關 (負責實現(xiàn) GPRS 網(wǎng)絡之間的互連 )和防火墻的功能。對于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來說，它就是一個路由器，負責存儲己經(jīng)激活的 GFRS 用戶的路由信息。另外 GGSN 還可具有地址分配、計費、防火墻功能。每個 GGSN 和 SGSN 都至少擁有一個網(wǎng) 內(nèi)固定 IP 地址，它們都應有 IP 路由功能，并能與 IP 路由器互連。對外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來說， GPRS 系統(tǒng)中的 GGSN 就是一個路由器，實現(xiàn) GPRS 骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 ( 網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)或 ATM網(wǎng) )之間的路由尋址功能。每一個 GPRS 終端都有一個自己的 IP 地址，并可以依據(jù)此尋址。PCU 可作為模塊單元插入 BSC，或者作為獨立于 BSC 的單元存在。 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。 (2)傳輸速率高。 (3)接入時間短。 (4)基于 IP協(xié)議，可提供強大的 Inter 接入能力。 下面我們以列表的形式從實際應用中將 GPRS 通訊技術與 其他的無線的通 訊 技術進行一下比較，如表 21所示。因此，在分布范圍較廣，數(shù)據(jù)采集點多，實時性要求較高的場合， GPRS 通訊技術比較合適，同時它也符合遠程測控領域的發(fā)展趨勢，那就是測控網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的融合。 上位機監(jiān)控中心 服務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的偵聽端口，在接人網(wǎng)絡后需盡量保持在線。 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，從而不再做具體設計。下面簡單介紹本系統(tǒng)的工作原理。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”。因本文設計的終端采用內(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)。 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 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡通訊，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。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”。 ? 信宿端口號 :16 位字段，在主機中接收這個報文段的應用程序的端口號，和 UDP的目標端口號的作用是一樣的。 TCP 是流式傳輸協(xié)議。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。 ? 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)。因此，這個字段的值可以在 5(5x4=20)至 15(15x4=60)之 間 。 ? 標識域 :這個 6位 字段定義了 6種不同的控制位或標志，在同一時間可以設置一個或多個這樣的位。 TCP 校驗和 :TCP 首部 +數(shù)據(jù)的校驗和。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)。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 圖 24TCP報文格式 (2)UDP 協(xié)議 UDP 是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議的簡稱。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。 UDP 使用底層的網(wǎng)絡協(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。而可靠性的問題將由使用 UDP 的應用程序來解決。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。 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 25UDP報文格式 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 *4 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 ) 40 個字節(jié) 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 綜上所述， 再 結合 GPRS 網(wǎng)絡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。 3)TCP是基于流模式的， UDP 是基于數(shù)據(jù)報模式的。 5)TCP 傳輸存在一定的延時，大概是 1600ms， UDP 響應速度稍微快一些。而 TCP 采用 可靠鏈路傳輸，不存在端口變化的問題。 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。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。從這一點來看，很顯然在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中， TCP 比 UDP