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1、-GPRS远程登陆数据终端设计毕业设计-第 37 页工程技术学院毕业设计（论文）题 目： GPRS远程登陆数据终端设计 学 生： 万 天 元 系 部： 信 息 系 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权
2、说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录长江大学毕业设计（论文）任务书.毕业设计（论文）开题报告.长江大学毕业设计（论文）指导教师审查意见.长江大学毕业设计（论文）评阅教师评语. 长江大学毕业设计（论文）答辩会议记录. 中文摘要ABSTRACT前言1绪论31.1无线抄表的目标及意义31.1.1研究背景31
3、.1.2研究意义31.2国内外远程无线自动抄表系统的发展及现状31.2.1国外无线自动抄表技术的发展及现状31.2.2我国无线自动抄表技术的发展及现状31.3本论文的主要工作32 GPRS无线通信技术概述32.1 GPRS技术及优点32.2 GPRS网络结构32.3 GPRS网络传输协议平台32.4系统整体协议数据流程32.4.1终端的精简协议层次32.4.2系统总体通信结构32.5 GPRS的应用33无线自动抄表系统的整体构建33.1无线自动抄表方式分析33.1.1 RS.485总线抄表33.1.2低压电力线载波抄表33.1.3红外抄表33.1.4无线电波抄表33.1.5电话线网抄表33.1
4、.6以太网抄表33.1.7 GSM/GPRS网络无线抄表33.2基于GPRS的复合式无线自动抄表系统的构建33.2.1复合式无线自动抄表系统构建33.2.2数据传输形式的选择33.2.3系统组网方式的选择34 数据终端设备的硬件系统设计34.1硬件平台的整体构建34.2无线抄表系统的硬件设计34.2.1无线通信模块的比较和选择34.2.2无线 GPRS模块ZWG-23DP GPRS DTU外围电路设计34.2.3 MCU主控制器及周边电路设计34.2.4 AT89S52单片机特点及结构34.2.5 AT89S52串口特点及外围电路设计34.2.5.1串口特点34.2.5.2通信接口电路34.3
5、无线抄表系统软件的设计34.3.1 MCU控制GPRS模块ZWG-23DP软件的设计34.3.2：上位机软件的实现：35 实验结果及分析35.1实验结果35.2实验结果的分析35.3实验总结3参考文献3致谢3GPRS远程登陆数据终端设计学 生: 万天元 长江大学工程技术学院信息系指导教师: 赵承志 长江大学电信学院摘要水表、电表和气表的抄录是城市生活的一个大问题。每个月上门抄取用户的三表读数是非常繁重的工作弊端，为省却上门抄表打扰用户的尴尬问题，于是就出现了无线电力抄表系统。该系统实现原理是一种基于GPRS技术的复合式无线自动无线抄表方案。该方案底层通信采用从站RF905无线长距离传输，采集用
6、户电表数值，主站接受到众多从站数据再集中处理，处理后通过RS.232短距离传输给上层GPRS终端， 上层GPRS终端利用自身的Internet接入功能，把收到的数据通过Internet再转发给数据中心，在Internet上设置一个中心服务器作为数据中心，负责与终端设备的通信，实现数据的实时采集和传输。论文主要研究了该系统的关键部分GPRS模块登录的硬件和软件的设置。硬件实现包括微控制器与GPRS模块的接口和外围电路，其中微控制器选用MSP430，GPRS模块采用广州致远公司公司的ZWG-23DP模块。该终端硬件结构简洁，系统功耗低，运行稳定可靠。关键词：GPRS模块，基于GPRS的无线抄表系统
7、的研究，ZWG-23DP。Research on Automatic Meter Reading System With GPRSStudent: TianyuanWan, Yangtze University College Of Technology Engineering Counselor:ChenZhiZhao, Electronic Information Institute of Yangtze UniversityABSTRACT Automatic Meter Reading(AMR)is a new technology in the supply and manageme
8、 Water,power,and gas.The disadvantage of traditional manual meter reading system ca overcome,such as lower efficiency and so on.Meanwhile,with the development of Ge acket Radio Service(GPRS)technology,which is introduced into the AMR system is a idea and will become a trend.In this paper,a new autom
9、atic meter reading system based on GPRS is presented. system is based on the analysis of AMR technology and to meet the application of GPR wireless data transfer system GPRS terminal equipment for real.time data acquisition and transf The hardware and software design of data terminal equipment with
10、GPRS is research this paper,which is the key technology of the system.The hardware design of data term equipment is interface and supporting circuit design of the micro.controller and GPRS mo AT89S52 is selected as the MCU of this platform, ZWG.23DP lead.free modu chosen as the GPRS module.The equip
11、ment is compact， The AMR system proposed in this paper can be used in power meter system and wireless transfer applications.It can find wide applications and acquire great economic social benefits.Keywords: GPRS Module, GPRS-based wireless meter reading system, ZWG-23DP.前言电力载波方式中，由于电力网污染严重，使得信号经电力线传
12、输后发生畸变，在接收端，信号的准确接收和检测变得非常困难。RS-485总线抄表系统施工布线工作量大，网线易受人为破坏，故障点不易查找和易受雷击和过电压的影响等缺点。本文所研究的系统可以避免上述缺点，同时可以实现防止窃电、实时快速、省去众多人力物力，而且它还可以在其它的远程无线监控系统中。 GPRS业务允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GPRS可以连接Internet ，其适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。利用GPRS进行数据传输具有：“永远在线”、“按流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。选择内嵌TC
13、P/IP协议的GPRS模块M23。其稳定性高，价格低廉，同时可以省去协议的编写，节约大量开发成本和时间，系统软件均使用C语言编写，稍加改动就可以在各种控制器上实现，可移植性也较强。该系统实现原理是一种基于GPRS技术的复合式无线自动无线抄表方案。该方案底层通信采用从站RF905无线长距离传输，采集用户电表数值，主站接受到众多从站数据再集中处理，处理后通过RS.232短距离传输给上层GPRS终端， 上层GPRS终端利用自身的Internet接入功能，把收到的数据通过Internet再转发给数据中心，在Internet上设置一个中心服务器作为数据中心，负责与终端设备的通信，实现数据的实时采集和传输
14、。 1绪论1.1无线抄表的目标及意义 1.1.1研究背景（1）设备上：GPRS通信方式特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用与大数据量传输。GPRS具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。由于采用的是分组交换技术，数据传输速率最高理论值能达171.2kb/s，GPRS通信方式还可利用现有的TCP/IP协议。单片机及RF905性能稳定价格便宜。所有成本比以前大为降低，（2）国情上：电力系统两网改造工作的逐渐推进，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，错抄、漏抄、估抄的现象严重
15、，窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，防止窃电行为，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。1.1.2研究意义将信息技术应用于电力系统，是提高用电管理水平的需要，也是信息技术迅速发展的必然。时至今日，电已经无处不在，种类繁多的负载对电力的要求也各不相同，因此要进行科学的用电管理，供电企业迫切需要一种投资较少，安装及维护方便，通讯可靠，计量准确的电能表远程集中抄表解决方案。无线自动抄表应运而生，早在20世纪60年代，人们就把信息技术引进了电力系统，从而出现了无线自动抄表（Au
16、tomatic Meter ReadingAMR）的概念。无线自动抄表是指采用通讯和计算机网络等技术，通过专用设备对各种仪表进行无线自动采集和处理表记数据，它一般是通过数据采集器对标记的脉冲进行计数，然后通过传输控制将信息传至计算机中心，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印，必要时还可以通过网络和营业收费系统相连实现抄表收费一体化。从结构上讲，无线自动抄表系统是集主站系统、远程抄表终端、电能表于一体的，全面实现发、输、配电网用户电能量的无线自动采集、分析与计费功能的无线自动化系统。无线自动抄表系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作效率和数据的准确性。根据电能表的发
17、展趋势，实现无线自动抄表主要有两种方式：一是通过电能表本身来解决，即是采用IC卡或电卡等形式的电能表，用户在售电机上买电后将卡插入自己的表中即可用电，预先将使用的电量记录在售电机内，实现先买电后使用；另一种就是利用无线自动抄表系统来解决。IC卡预付费方式虽然实施方便，但有用户预付费，IC卡槽易污染，卡易磨损等缺点。无线自动抄表方式能够克服传统方式和IC卡式的不合理性，具有抄收速度快、计算精度高、抄表同时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用无线自动抄表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损。1.2国内外远程无线自动抄表系统的发展及现状1.2.
18、1国外无线自动抄表技术的发展及现状从20世纪60年代起，一些发达国家就开始着手研究低压电力用户的无线自动抄表系统。最初开发是为了迅速从用户处获取更多的数据信息，如电能需量、分时需量和负荷曲线等，无线自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。在方便用户方面，开发了车载无线抄表系统，电力用户不需要抄表人员进入自己的家，我国某些地方在80年代曾引进这项技术，终因国情难以适应而废弃。在这个时期有人提出了利用低压配电线路载波抄表的理论，但是没有更好的方法解决低压线路上的干扰问题而搁浅。20世纪90年代，随着计算机技术和通讯技术的普及，不少厂家提出了基于RS.485通讯的无线自动抄表系统，但需要铺设
19、专用的通信通道。90年代后期，少数国家在低压载波技术上取得了突破性的进展，推出第三代无线自动抄表系统（即低压载波远程无线自动抄表系统），充分解决了在低压配电线路进行数据通讯的抗干扰问题，使系统的工程应用成为现实，同时，第三代无线自动抄表技术也成为国际主流。但是无线自动抄表技术尚未形成统一开放的标准。在发达国家（英国、美国、澳大利亚），电力市场降低了电力运营费用，使得工业用电和居民用电的费用都大幅度下降。在发展中国家（阿根廷、巴西），由于建立了电力市场，吸引了大量的外资投入到电厂建设，基本解决了缺电问题。随着全球范围内电力经营市场化的发展，电力等公共事业企业无线自动抄表技术的应用越加广泛。无线自
20、动抄表成为新的产业部门，国外已有不少厂商生产出AMR系列产品。对AMR的研究也越来越深入，美国于1986年就建立了无线自动抄表技术协会（AMRA），每一年半左右开一次国际性年会，每次年会都有专题报道，旨在进一步发展和推广AMR技术。80年代以来，美国在AMR技术的开发和应用上就已取得了长足的进步：在1998年度，美国共有791项AMR应用项目，其中约有550万台电表实现了无线自动抄表，到2001年已经有910万美元的营业额。在Scott报告中，截止到2003年1月，北美已经有49311372个单位使用无线自动抄表。 1.2.2我国无线自动抄表技术的发展及现状目前我国国内所采用的抄表方式大致可以
21、分为三种。一是传统的人工抄表方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、IC卡等，按购买额提供用量，完成收费工作。三是远程抄表方式，监控中心通过远程通信系统（例如公用电话网、电力线载波、数据网等）无线自动获取远程仪表数据的方式。当前在我国国内大量使用的仍然是传统的人工抄表方式，部分地区己经开始了远程抄表的试点。我国电力工业无线自动化发展水平也在不断发展，其中高压输电网的无线自动化程度已经比较高，能量管理系统（EMS）在我国高压输电网中的应用已经相当普遍。因此，在我国电力网络中、低压配电系
22、统加快实行电力无线自动化工程是一个必然的趋势。电力系统中推行远程无线自动抄表是电力企业提高服务质量的有效手段，是推行电力企业市场化运作的关键技术。1.3本论文的主要工作 本课题研究的目标是通过分析目前国内外的无线自动抄表方案并联系我国的实际情况，找到一种切实可行的无线自动抄表方案，解决无线自动抄表中的无线传输部分的难题。课题的研究内容包括以下几个方面：（1）系统分析目前存在的各种无线自动抄表解决方案，综合考虑每种方案的技术适用场合、技术难点、资金花费等方面的问题，提出一种切实可行的有效方案，解决方案的系统组网方式和整体构建。本文所提出的是复合式无线自动抄表解决方案，底层数据采集采905RF结构
23、而上层数据传输采用GPRS无线传输并接入Internet的方式实现与数据中心的连接。（2）在确定整体方案的基础上解决系统的软硬件实现问题，其中关键部分是无线自动抄表传输终端的设计实现。在硬件设计方面综合比较了市场上各种GPRS模块的性能，选择了一款合适的GPRS模块，在此基础上构建了硬件平台； 2 GPRS无线通信技术概述 GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，它是第2.5代移动通信系统，是全球移动通讯系统GSM（Global system for Mobile communication）向3G过渡的一个桥梁。GPRS是在GSM系统基础
24、上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。2.1 GPRS技术及优点 GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统（BSS）从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GPRS特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输
25、。利用GPRS进行数据传输具有以下诸多优点：（1）接入范围广：GPRS是在现有的GSM网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以使用户数据终端方便、快速、低成本的远程接入网络；（2）高速传输：传输速率高，数据传输速度最高理论值可达171.2kbps，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384kbps，完全可以满足用户应用需求；（3）快捷登陆：接入时间短，GPRS接入等待时间短、可快速建立连接、平均耗时为两秒；（4）永远在线：提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送终端还一直与网络保持联系，这将使访问
26、服务变得非常简单、快速；（5）按流量计费：用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收费的；（6）切换自如：用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语音业务的切换有两种方式：无线自动和手动，具体形式依据不同终端而定。2.2 GPRS网络结构 GPRS网络构建在GSM网络的基础之上，为了升级至GPRS，在NSS侧，GSM网络需要新增节点SGSN、GGSN以及新增节点与其他硬件设备相连接的接口。在BSS侧，因为GPRS与GSM采用相同的基本调制方式和无线信道传输速率，因此不需改动现有基站无线设备的硬件
27、。但BSS设备需要增加新的Gb接口，用于与SGSN相连，由于Gb接口采用帧中继，原有BSC的电路交换设备无法使用，所以需增加相应的硬件设备PCU。2.3 GPRS网络传输协议平台GPRS网络传输平台由分层的协议结构组成，它能提供用户信息的传递，采用信息传递的控制过程，如流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。传输平台独立于网络子系统平台。 任何数据传送之前，MS要建立PDP上下文链接，必备的参数包括MS的IP地址，APN等等。有了这些参数，SGSN可以发起建立一条到GGSN的数据传输通路，IP地址的动态分配也是在这个过程中完成的。2.4系统整体协议数据流程2.4.1终端的精简协议层次 数据终
28、端设备的软件实现主要是在微处理器中嵌入TCP/IP协议栈，实现控制GPRS模块实现数据传输。嵌入式GPRS协议主要包括嵌入式TCP/IP协议和其它的一些附加函数。经过仔细分析TCP/IP协议族中的各协议，许多协议在无线自动抄表数据传输系统中是用不到的。有一些协议的目的是为了保证数据的安全传输，而当网络对数据传输速度的要求远高于对安全性的要求时，这些协议可以省略；有些协议的目的是为了使TCP/IP协议适应更多的应用系统，而具体到某种应用时，也没有实现的必要；还有些协议的作用几乎相同，它们只不过是让TCP/IP协议提供更强大的功能，因而对嵌入式应用来说，也无多大的实现必要。因此经过精简后的嵌入式T
29、CP/IP协议如图2.1所示：应 用 层传 输 层网 络 层数 据 链 路 层 用户字定义 UDP/TCPIPPPP图2.1 精简的TC P/IP协议栈程序采用分层的结构，从底到上分别为：串口驱动层、GPRS模块驱动层、PPP协议层、IP协议层、UDP协议层与应用层。上层函数的实现需要应用到底层函数，而底层函数的任务就是为上层函数提供服务，最终完成应用层任务传送数据。上层函数的实现需要应用到底层函数，而底层函数的任务就是为上层函数提供服务，最终完成应用层任务。首先是串行口驱动层。它实现打开关闭串口，读写串口数据等功能。然后，在串口函数的基础上编写GPRS模块的驱动函数。微控制器通过串行口，采用
30、AT命令控制GPRS模块，进行拨号、设置等操作。根据这些操作，编写GPRS驱动函数：初始化GPRS模块函数(GPRSInit)、拨号函数(GPRSDial)、断开连接函数(GPRSHangup)、检测是否处于在线状态函数(GPRSOnline)。这些底层的驱动函数将会使上层协议的编写很方便，更重要的是，它为我们提供了一个驱动抽象层。当底层硬件做出改动的时候，只需要对底层的驱动函数进行改动，而上层函数的代码不变。2.4.2系统总体通信结构在客户端，终端设备将数据送入GPRS通信模块，模块将数据组成GPRS分组，通过GPRS网络和Internet送到用电管理中心的服务器。管理中心除了接收上传的数据
31、外，也可以通过Internet和GPRS网络向终端设备发出各种指令。管理中心应当接入Internet并且具有外部IP。在对GPRS模块进行了GPRS附着过程和PDP（Packet Data Protocol，分组数据协议）上下文激活过程后，我们就可以使用GPRS来进行系统的通信了。附着过程用于接入GPRS网，通过附着过程将自己的信息登记在SGSN中，SGSN就可以对用户进行移动性管理；激活过程用于激活IP协议，使数据能以IP报的形式进行传送，通过激活过程，GPRS通信模块与GGSN建立一条逻辑通路，进行数据传输。管理中心和终端设备的各种类型数据传送都要经过GPRS模块、SGSN、GGSN、In
32、ternet。在传送的各个阶段都是完全不同的介质，协议也各不相同，因而涉及到不同协议之间的转换。在系统通信的设计中，常常需要将数据封装成不同的格式，以适用相应的协议。GPRS承载业务支持标准的IP协议，因此在终端设备设计时可以在IP协议的基础上使用TCP或UDP协议。终端设备将原始数据按照格式封装成TCP或者UDP数据包，然后再加上IP报头以及报尾生成IP数据报。接着进行数据链路层的封装，由于各种不同的终端设备与GPRS无线模块之间的物理连接不同（有串口、USB、红外等），因而进一步的封装所依据的协议会有不同。在使用串口时，终端和通信模块在数据链路层使用PPP协议进行连接，IP数据报被封装成P
33、PP帧，然后通过串口送往GPRS通信模块。通信模块将收到的PPP帧解包，重新封装成SM消息，通过无线链路传到SGSN。SGSN对数据进行协议转换，按照GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道协议）封装成GTP包，经由GPRS骨干网传到相应的GGSN。GGSN同样要根据相应的外网进行协议转换和数据封装。本课题外网选用的是Internet，一定要根据管理中心的IP地址进行路由选择，最终数据将送往监控中心。监控中心将根据GPRS通信模块被分配的内部IP号与之联系。整个数据传输、封装及其中涉及的协议转换如下图2.2所示。图 2.2 协议数据转换流程图在整个通信过程中，GGSN要么
34、接收用户发送的数据，选路到外部网络，这时它相当于接入外部网络的网关；或接收外部网络的数据，根据其目的地址选择GPRS网内的传输通道，传给相应的SGSN，这时GGSN则相当于子网路由器。2.5 GPRS的应用目前GPRS技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型数据。块（包）数据典型的应用为电能计量和抄表等系统，其应用环境通常是配网，分布的面很广，单独为其建立通信网成本很高，维护困难。由于此种数据类型应用一般为非实时传送，因此就更加适合GPRS网络的特性，在实际使用中也反映出GPRS网络能非常好的支持这类应用。在后面的章节提出了基于无线通信模块构建GPRS无线数传产品的方法和手段
35、，并使该产品应用于电力远程无线自动抄表系统，在无线数据传输方面开拓新思路，解决制约电力系统发展的问题，满足现代社会生活的需要。3无线自动抄表系统的整体构建3.1无线自动抄表方式分析3.1.1 RS.485总线抄表RS.485的接口是TLA/EIA.485所描述的接口。RS.485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。RS.485最大传输速率可达10Mbps，当波特率为1200bps时，最大传输距离理论上
36、可达1.5千米。RS.485接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线就能完成双向通信，很方便地构成一点对多点通信网络。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接128个节点。RS.485总线抄表系统拓扑结构如图3.1所示。RS.485总线抄表系统采用主从式结构，其中集抄器作为主机，各个电能表作为从机。集抄器与RS.485总线连接端设置有偏置电阻和终端匹配电阻，电能表N的RS.485总线末端设置有终端匹配电阻。RS.485总线抄表一般使用双绞线作为网络总线，对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电冲击的收发器，直接使用RS.485驱动芯片即可构成通信网络。可
37、供选择的RS.485驱动芯片有SN75176，MAX485，MAX1480B，SN75LBC184等。RS.485总线抄表方式技术比较简单、成熟，易于实现，对全电子式电能表改造较小，且总线传输速率高，可靠性好。但是，RS.485总线抄表系统施工布线工作量大，网线易受人为破坏，故障点不易查找和易受雷击和过电压的影响等缺点。该系统适用于城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已被安装在集中式表箱中。3.1.2低压电力线载波抄表电力线载波的抄表方式是一种利用现有的电力网进行抄表的方式，低压电力线通到了每家每户，利用低压电力线作为无线自动抄表系统的底层数据通道，具有无需布线、安装使用比较方便，而且无需支
38、付抄表数据传输的费用等优点。在发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带一般为50.300kHz，峰峰值电压不超过10V，因此不会对力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来、滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。低压电力线载波通信网的系统结构同RS.485系统结构，为总线结构。图3.1为低压电力线载波抄表系统结构图。但由于我国电力网污染严重，使得这一抄表方式很难真正推广应用，目前在电能表抄表应用方面比较局限，真正推广还要有相当的历程，需对现有的电力线载波抄表技术进行深人的研究和
39、改进，比如采用先进的扩频技术，以提高通信的抗干扰能力。电 能 表配 电 变 压 器采 集 器集 中 器低压电力线图3.1 低压电力线由于电力线上可变的强电磁干扰，使得信号经电力线传输后发生畸变，在接收端，信号的准确接收和检测变得非常困难。根据Shannon定理，其信道容量C=Blog(1+SN)2，其中B为信号带宽，N为噪声的平均功率，S是信号的平均功率，S/N为信噪比。为了获得同样的信道容量，信号带宽与其信噪比的对数成反比，即信号带宽越宽，则所要求的信噪比就越低，甚至信号被淹没在噪声之中也能实现可靠通信。当前市场上，电力线载波调制解调器集成电路芯片主要有LM1893、LM2893、ST753
40、6等，都是基于移频键控（FSK）调制方式，电路较简单，占用信道的带宽相对较窄，故传输速率低，一般不超过2400bps，而且抗干扰性能差，传输距离短。基于扩展频谱原理的调制解调器与以上产品相比，具有其独特的优势，如Echelon公司Ion.Works网络中支持电力线通信的PLT.10A收发器。扩频系统具有很强的抗干扰能力，由于扩频信号间的伪随机码不相关，所以信号可扩展到很宽的频带上，进入信号频带内的干扰功率大大降低，相应地也增加了输出信噪比，因此此类芯片具有很强的抗干扰能力。接收端采用相干检测，可以有效地抵抗干扰信号，从而保证了信息码流恢复的正确性。采用扩频技术调制方式的电路实现较为复杂，但传输
41、速率可高达10kbps，且抗干扰性、可靠性和稳定性将大大提高，因此这种调制方式将是低压电力线载波通信的发展方向。3.1.3红外抄表 红外抄表系统是由手持红外抄表器、带红外通信功能的电能表和管理中心组成。手持红外抄表器和电能表均具有红外通信电路。抄表时，由工作人员携带手持红外抄表器到现场抄表，将用户用电量等信息集中记录并保存起来，再由工作人员携带到管理中心后传输给计算机进行处理。红外抄表原理比较简单。此方式是以红外线作为通信载体，通过红外光在空中传播来进行数据传输的。红外通信由红外发射器和红外接收器来完成。在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉
42、冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，变化后的电脉冲信号经译码后恢复出原始数据。红外发射器和接收器简单易用，红外发射管有TSAL6200等，红外接收器有HS0038B等。红外载波频率为38kHz的方波，发送采用脉宽调制PWM方式，通过待发送的二进制数据“0”或“1”控制两个脉冲串之间的时间间隔（即PWM的占空比）。红外载波可以使用单片机内部定时器的PWM功能实现，也可以通过外围硬件电路实现。红外接收时，以HS0038B接收器为例，如果接收到38kHz的载波信号输出低电平，否则输出高电平，从而可以将“时断时续”的红外光信号解调成一定周期的连续的方波信号（根据周期的不
43、同分别代表数据“0”或“1”），通过单片机中断引脚处理此电脉冲信号，即可恢复出原数据信号。红外数据传输作为一种数据传输手段，特别适用于那些无法铺设线路、有线通信无法实现的场合，便携性要求较高的场合，或者腐蚀性地区、强电磁干扰地区。但由于此方式传输距离较短，一般只有310m，适用范围有限，所以作为一种无线自动抄表方式有其局限性，而且需要工作人员携带手持抄表器进行现场抄表，未真正实现抄表的完全无线自动化，无法获得用电量的一些详细信息。3.1.4无线电波抄表利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信，是一种较好的选择。使用无线电波进行抄表大致有两种方式：使用小功率无线发射装置
44、的现场手持无线电抄表和使用小型大功率无线电台的远程无线电抄表。使用小功率无线发射装置的现场手持无线电抄表与红外抄表的方式比较类似，但其通信距离较红外抄表方式远，实用性更强。在进行通信时，抄表器发出呼叫命令，各电能表接收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链路的建立，然后进行数据通信。使用此方式进行抄表，要求电能表和抄表器均内置有无线电收发模块。目前能用于无线电抄表的单片无线电收发芯片较多，如Nordic的nRF401、nRF903，nRF905，Chipcon的CC1000等。无线电抄表的通信距离依赖于无线发射的功率、接收的灵敏度、天线的增益、无线功率损耗等。无线芯片一般最大发
45、射功率为+10dBm，接收灵敏度为.105dBm，通信距离100200m左右。无线电通信可以使用433MHz、868MHz、916MHz的ISM频段，无需申请。但无线电数据传输存在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下信号传输不稳定的问题，同时无线电电能表产品自身也存在功耗问题，因此该模式虽然看好，但真正大面积推广应用在目前还存在问题。无线电波抄表的另一种方式是使用小型大功率无线电台的远程无线电抄表。这种抄表方式使用自己建设的小型无线电电台，在200400MHz的频点上用散射通信方式进行无线电通信。散射通信是利用对流层反射无线电波的远距离通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大（可达几千台），
46、通信距离几十公里，可通过中继站延伸。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰，而且小型无线电电台的通信速率较低，且设备及安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有定的限制，多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。目前我们方案选择RF905,该芯片价格便宜性能稳定，适合短距离传输。3.1.5电话线网抄表 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信是一个有效的方案。利用电话网通信，需数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器，其通信速率可达2.4kbps，9.6kbps甚至56kbps。主机对集中器的呼叫可以通过拨号由交换机无线自动完成，也可以租用专线，但费用较高。租用电话线方式进行数据通信时，线路续接（包括呼叫应答）等待时间较长，通常需几秒到几十秒。这一方面使得管理中心无法对用户实时监控；另一方面当集中器数目较多时，租用电话线路多，其租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。3.1.6以太网抄表 以太网抄表方式是随着网络的飞速发展而推出的一种新型