远程自动抄表系统设计 肖 8.docx

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远程自动抄表系统设计肖8

远程自动抄表系统设计

摘要

自动抄表是指采用计算机技术和通信技术自动读取和处理表具数据的一种手段，是

提高能耗管理部门自动化水平的需要，也是计算机技术和通信技术迅速发展的必然。

它

不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表差错，而且具有抄收速度

快，抄表实时性好等优点。

本课题通过方案对比以及系统的需求和功能分析，选择了在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务——通用分组无线业务（GPRS）。

本文构成的自动抄表系统采用点对多点的结构形式，设计了GPRS带功能的数据采集终端，该终端向下通过RS485方式与智能电表连接，

向上通过接入Internet，利用GPRS通信方式与监测中心服务器通信。

重点介绍了电子式电能表和数据采集终端的软硬件结构，以他们为依托构建整个系

统，并以此实现多功能的远程抄表系统。

通过查阅相关资料和近几年的研究成果，此系统基本上可以实现远程自动抄表系统

对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。

关键词：

自动抄表；硬件；软件；数据采集终端

摘要…………………………………………………………………………………….…….I

第一章绪论……………………………………………………………….…………………..1

1.1自动抄表系统概述……………………………………………………………………….1

1.2自动抄表系统的研究背景及意义…………………………………….…………1

1.2.1研究背景…………………………………………………………………….2

1.2.2研究意义…………………………………………………………………….2

第二章电能远程自动抄表系统整体构建………………………………………………......3

2.1系统方案的选择……………………………………………………………………3

2.1.1自动抄表系统构建…………………………………………………………..3

2.1.2数据传输形式的选择……………………….………………………………..4

2.1.3组网方式的选择…………………………………………………………….5

2.1.4GPRS系统原理……………………………………………………...…..…5

2.2系统整体方案的设计………………………………….…………………………….6

2.3系统的功能和特点………………………………………………….……………….7

2.4本章小结…………………………………………………………………………….8

第3章电能远程自动抄表系统的硬件设计…………………………………..…………….9

3.1电能表的概述…………………………………….………………………………….9

3.1.1电能表的选择……………………………….…………………………..……9

3.1.2电子式电能表的简介…………………………………………..………….10

3.1.3电子式电能表的硬件设计……………………….…………………………10

3.2RS485总线…………………………………………………………………….11

3.2.1什么是RS—485…………………………….………….…………………12

3.2.2RS-485串行接口标准……………………………….………………………12

3.3终端主控制器与外围电路的设计…………………………..……………………...13

3.3.1AT89C51芯片基本结构和特点.......................................................................13

3.3.2微控制器外围电路的设计..........................................................................15

3.4终端通信模块硬件设计...........................................................................................16

3.4.1通信模块的比较选择....................................................................................16

3.4.2SIM100简介...................................................................................................17

3.4.3GPRS模块SIM100与外围电路设计...........................................................18

3.5本章小结...................................................................................................................20

第四章电能远程自动抄表系统的软件设计........................................................................21

4.1主程序设计…………………………………………………………………..……..21

4.2系统软件特点………………………………………………….…………...……22

4.3子程序设计................................................................................................23

4.3.1电能表的软件设计........................................................................................23

4.3.2RS485串行通信子程序.................................................................................24

4.3.3串口通信子程序.....................................................................................26

4.4本章小结...................................................................................................................27

第5章总结与展望................................................................................................................28

5.1总结........................................................................................................................28

5.2展望...........................................................................................................................28

参考文献........................................................................................................29

致谢..............................................................................................................................30

第一章绪论

1.1自动抄表系统概述

远程自动抄表系统一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统。

作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电管理的自动化带来了方便。

在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。

电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。

低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。

自动抄表是信息时代发展的总趋势，自动信息交换为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息传递提高了现代数据管理的科学性、先进性。

1.2自动抄表系统的研究背景及意义

1.2.1研究背景

在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。

我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。

随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，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，

主要表现在：

1.查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；

2.错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象；

3.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，扰乱了供用电秩序。

以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。

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，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。

1.2.2研究意义

随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。

远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。

采用远程自动抄表系统可以缓解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等。

它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。

采用远程自动抄表系统有如下优势：

1.采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实

现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。

2.随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。

采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。

3.远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败等都有积极的意义。

4.采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，

使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。

5.电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。

第二章电能远程自动抄表系统整体构建

远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，从宏观的角度，它分为硬件平台和系统软件两部分。

作为电力配电自动化系统的一个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。

本课题的远程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的GPRS技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。

2.1系统方案的选择

2.1.1自动抄表系统构建

“一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点：

系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。

目前存在的抄表方式各有其适用场合：

红外抄表适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS-485总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。

电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式。

本文构建的自动抄表系统整体由四部分组成：

监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。

系统组成框图如图2.1所示。

自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。

底层数据采集采用RS-485总线型通信方式。

上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。

鉴于GSM/GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GSM/GPRS网络作为上层通信方式。

监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。

底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。

采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有RS-485接口的智能型仪表；采集器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。

集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。

本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。

集中器利用RS-485总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GSM/GPRS网络把数据传送给上位供电部门管理中心。

在本文中集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。

下面两章将对数据采集终端的软硬件设计做详细介绍。

2.1.2数据传输形式的选择

GSM/GPRS网络被选为上层通信方案的通信基础。

基于GSM/GPRS网络的数据传输通常有四种方式，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于Data方式（种以电路交换为基础的传输方式）的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后就是通过IP（InternetProtocol）方式的数据传输。

下面对四种基于GSM/GPRS网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍。

基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用AT指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。

目标机接收到短消息后，利用AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。

基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低（0.1元/条），组网使用方便，但实时性较差，数据容量较低（<140字节）。

短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。

基于Data方式的数据传输是利用GSM的Data（与传真同）传输方式，通过AT指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将ASCII码数据送入通信模块即可。

通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收ASCII码信息。

基于Data的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。

通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。

该方案还可以通过语音通道传输双音多频DTMF（DoubleToneMultipleFrequency）编码进行数据传输，通信方式与语音方式一样。

该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好（电路交换方式），但由于GSM系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。

该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。

基于IP的数据传输方式是GPRS系统独有的，因为GPRS是在GSM网络基础之上新增两个节点（SGSN和GGSN）而形成的移动分组数据网络。

由于GPRS数据传输的基础是TCP/IP协议，因此基于IP的数据传输方式核心的内容是TCP/IP协议的转换。

基于IP的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是GPRS终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。

鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把GPRS作为上层通信信道进行无线数据传输。

同时GPRS又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。

数据采集终端的通信模块也将相应的选择GPRS模块。

2.1.3组网方式的选择

GPRS是目前较好的无线传输方式，利用单片机实现GPRS的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是GPRS终端如何自动附着到GPRS网络上，对于这个问题，实际上也就是选择GPRS远程通信系统的组网方式。

利用GPRS通信方式组网有三种方式，下面分别进行介绍。

1.专线接入方式，从移动公司到用户的远程监控中心的服务器端接一条DDN专线，通过数据专线将数据由GPRS网关服务器GGSN传送到监控中心，移动公司在GGSN上为用户配一个专门的APN节点，从而在GPRS终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网（VPN）通道。

2.GPRS接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请APN服务，获得GPRS内部网固定IP，所有的GPRS终端在拨号上网后将获得的动态IP向监控中心的监控软件进行注册，以便监控中心至终端的下行通信。

3.Internet接入方式，用户的远程监控中心采用ADSL等与Internet建立连接，申请一个公网IP地址，通过Internet将数据由GPRS网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式：

远程监控中心在连接Internet时向域名服务器注册动态IP地址，而GPRS终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态IP地址。

比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高，但成本也高。

第二种方式的数据传输全部在GPRS网内进行，安全性高，远程的GPRS接口终端通过GPRS方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内IP，而该类IP很难申请到。

第三种方式要求远程监控中心用有一台连接Internet的服务器和公网IP地址，用户通过Internet，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。

这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。

本系统正是采用第三种组网方案，通过GPRS接入Internet实现数据的传输。

2.1.4GPRS系统原理

MS与GSM基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。

SGSN与GGSN进行通信GGSN对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。

来自Internet标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到MS。

SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络与MS之间的接口。

SGSN的主要作用是记录MS的当前位置信息，并在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收）。

GGSN通过基于EP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，将GSM网络中的GPRS分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网。

GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网（Internet和Intranet）的网关。

其原理图结构如图2.2所示：

2.2系统整体方案的设计

系统主要是由电度表、带GPRS模块的采集终端、带系统软件的主站组成。

1.监控中心服务器

GPRS通讯模块是以浮动IP地址的方式连接到Internet的,其IP地址每次连接时都不一样。

监控中心的服务器本身必须绑定了一个固定的IP地址,并且以此IP地址接入Internet,便于GPRS模块与服务器连接。

这样监控中心服务器就可以从绑定的IP地址上接收每个GPRS通讯模块发送来的数据。

接收到电能表数据后,监控中心软件对电力数后按照与监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理,利用短消息的方式发送到监控服务器。

3.智能电能表监控用户的用电情况，

智能电能表的功能是计量用电量的大小，监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485的方式传送给数据采集终端。

可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。

主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。

系统数据传输的工作原理如下：

终端通过RS232/485接口接收用户电表的数据，然后将数据打包成IP协议包，通过GPRS模块内置的SIM卡搜索GPRS网络后接入，处理后以GPRS分组的形式发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，发送到GPRSIP骨干网，然后将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部Internet网络，再通过GPRS服务器，将数据发送到数据监控中心。

其数据传输流程图如图2.3所示：

2.3系统的功能和特点

由于系统中采用GPRS作为传输方式，并采用智能电能表，因此该系统具有以下功能：

1.定时抄表功能：

对系统所有电能表进行定时抄表，抄表时间及抄表次数可设置，如：

存储两个抄表周期电量（月末或抄表日零点数据）

正向电量：

有功—总、尖、峰、谷、平、需量；

无功—感性无功（I）、容性无功（IV）。

反向电量：

有功—总、尖、峰、谷、平、需量；

无功—感性无功（III）、容性无功（II）。

2.实时抄表功能：

实时抄收任一时间数据及状态，如：

正向电量：

有功—总、尖、峰、谷、平、需量；

无功—感性无功（I）、容性无功（IV）。

反向电量：

有功—总、尖、峰、谷、平、需量；

无功—感性无功（III）、容性无功（II）。

其它数据：

电压（Ua、Ub、Uc）电流（Ia、Ib、Ic）、费率、时段等，抄表数据可以任意打包

3.预付费控制功能：

当用户发生欠费