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第一章 绪论
21世纪开始，随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的发展，远程无线数据传输系统在各大领域得到了广泛应用。基于此介绍了远程抄表系统各种实现方案，讨论了有关信号检测、通信介质、差错控制、通信接口等关键技术，并最终给出了系统的实现方案。
随着无线通信数字网络的发展，无线远程自动抄表已成为发展的必然趋势，其应用领域极为广阔。目前基于仪器、仪表分布点多面广，其远程抄表大多仍沿用有线传输方式，线路维护量很大。由于电话线公用，通讯时经常发生冲突，既影响了数据的传输也对电调部门的正常工作造成了干扰，并且此种方式对通讯部门程控交换机正常。稳定的运行也有一定的影响。为保证传输质量，若采用专线方式，投资成本太高；采用中国移动GPRS无线数字网的通讯方式，很好地解决了远程抄表的瓶颈问题。用户上网可以免受断线的痛苦。使用GPRS无线组网方案，数据实现分组发送和接收，用户就可以总是在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。
并且，随着一些新的技术标准的出台，以及新的需求的出现，国内自动化抄表系统以往的技术所基于的软硬件平台已经无法满足们性能要求如集中器要求多大容量数据存储、大屏幕液晶显示、web服务等本文在介绍远程抄表系统总体框架之后，着重讨论了高性能集中器的软、硬件实现集中器硬件采用三星公司S3C2410处理器，简化了图形接口、移动存储、网络接口等硬件没汁；软件采用嵌入式Linux操作系统，引入嵌入式数据库sqlite、嵌入式图形界面miniGUI和嵌入式web服务器GoAhead，分别实现数据管理、人机接口和web服务。
第二章 GPRS简介及远程抄表系统
2.1 GPRS 简介
GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。
GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。
图2-1 GPRS
由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。例如一个进行WWW浏览的用户，大部分时间处于浏览状态，而真正用于数据传送的时间只占很小比例。这种情况下若采用固定占用信道的方式，将会造成较大的资源浪费。
图2-2是基于分组的通信过程示意图。
图2-2 分组通信示意图
在GPRS系统中采用的就是分组通信技术，用户在数据通信过程并不固定占用无线信道，因此对信道资源能够更合理地应用。
在GSM移动通信的发展路标中，GPRS是移动业务和分组业务相结合的第一步，也是采用GSM技术体制的第二代移动通信技术向第三代移动通信技术发展的重要里程碑。
2.2 远程抄表系统
本系统为实现实时可靠地进行三表（电表、水表、燃气表）数据远程抄收而设计。本装置以星型/纵线型/无线电通讯 三重网络结构实现远程抄表任务，通过星形网使n个MDM(DD-862S机械式数字化电表)电表（例：n=32）与一个数据采集 器连接，数据采集器通过纵线网络与电台连接，一个纵线网可连接m个采集器（例m=128），因此，一个子网可将 nm=32×128个电表共享一个电台。这是一种以星型-纵线型-无线型构成的三重网络结构。这种网络结构的组成元素为 电表、水表或气表（以下简称三表）、数据采集器、无线电收发电台。
图2-3 系统图
1、远程抄表。在中控室直接实行远程自动抄表功能，可组成以中控室为中心的地域性抄表网络。
2、通讯可靠。由于采用的是天线定点通讯，按技术要求安装高度完毕后，即可进行24小时的通讯，且不受电网波动的影响。
3、快捷。由于抄表速率高，约每秒一个电表，因此可进行分时段抄表和计费。
4、技术手段先进。通过电子眼识别电表读数，并严格保持电子读数与表头读数一致。
5、周期性读数。根据不同指令，中控室可对网络内的各电表进行每月一次，每日一次或每日数次的指定周期性抄读。
6、可与收费系统联为一体。
2.2.2 系统功能
1、将电表上显示的数值正确识别出来，并将该数值正确传送回去。
2、中控室直接抄读现场用户电表读数，可进行批量或个别选择抄读，自动保存抄读的历史数据。
3、对抄收到的电表数据进行统计、计费、双地址储存，并形成详细的用电档案。
4、可进行现场或远程用电校对。
5、快速进行用电户用电量查询。
6、分时段抄表，实现分时计费，能解决按电网负载的峰谷时段采用的峰谷电价的方式。
第三章 系统设计原理及实现方案
3.1 系统总体结构
系统结构分为3层：采集终端负责采集单个用户电能表电能量信息，并将其处理后通过信道将数据传送到上一级设备集中器。集中器收集各采集终端数据，并进行处事储存，同时和监控站或手持单元进行数据交换监控站通过信道采集集中器中的信息，并进行处理和管理
本系统中，监控站和集中器之间采用以太网或GPRS通讯、集中器和采集终端之间采用4线485总线通讯采集终端和用户电表之间通讯方式视电表而定，如果是脉冲电表，直接连接；如果是485电表，则通过485总线连接。
系统的总体结构如图3-1所示。
图3-1 系统的总体结构
3.2硬件结构
（1）需具有远程通讯功能，可将所采集的数据信息通过通讯网（宽带网络、GPRS、CDMA）送回监控站。
（2）采用电子硬盘保存资料，即电源长时间断电资料也能长时间保存而不丢失。资料保存的时间为：3200只电能表60min l点的资料不少于90天。
（3）具有大屏幕液晶显示和按键，可方便地查看装置及电表的设置参数、实时随机抄读计示值、电表分时电量、费率、峰谷平电量。
集中器新的技术标准反映了技术发展的趋势以及新的需求方向。针对这些需求，本系统中器采用ARM9微处理器平台，满足系统要求的前提下，减少了外围电路的扩展，提高系统整体效能。硬件结构框图如图3-2所示。
图3-2硬件结构框图
人机接口采用240x320液晶屏和触摸屏接口。为兼顾用户习惯，留用了4个操作按键。
与远程监控站之间通过以太网进行通讯。对于没有以太网的小区，可以选用GPRS或者CDMA模块进行通讯。
串口的扩展采用MAX3232。485通讯采用芯片MAXl482。以太网芯片采用比较常用的10M／l00M自适应以太网接口芯片DM9000。
由于对电能数据存储点数要求较大，本系统采用了128M的SD卡进行存储。
可以估算集中器对数据存储容量的要求。标准要求采集存储3200只电表60min 1点的资料不少于90天。每点资料至少要保存用户编号、用户电能值、抄表时间等信息。如果每信息以16字节计，那么需要存储容量为3200× 24×90×16=111M。
处理器采用三星公司S3C2410微处理器，其内部集成了SD卡电路、LCD和触摸屏电路、USB主从接口，所以外扩芯片少，简化了电路设计，增加了系统的可靠性。
3.3 软件结构
嵌入式Linux操作系统源代码开放、可以定制、内核小、软件和多数Unix系统兼容、良好的可移植性等众多优点。本集中器采用了比较成熟的Linux2．4内核，所有的功能模块构建于嵌入式Linux之上。为实现集中器功能，将软件划分为3个模块，分别负责与远程监控站通讯、与采集终端通讯、处理人机交互。模块如表1所示。
其中与监控站通讯需要实现应用层协议。与采集器之间通讯需要实现485通讯协议层。人机接口模块引入嵌入式图形接口miniGUI。需要对miniGUI进行移植，包括驱动程序编写，和miniGUI输入接口层移植，以及用户界面和界面功能的实现。
另外，与监控站通讯模块和与采集终端通讯模块实现通讯的同时，还要负责数据的存储等工作。人机接口模块需要负责数据的检索等工作。模块用线程实现，一个模块对应一个线程。线程之间通过互斥锁和全局变量来共享数据，对于用户电能数据则通过文件
进行共享。
数据库文件存放在SD卡里面，其他文件存放在JFFS2格式的flash中，而用户程序存放在Ramdisk格式的flash里面。
3.4 同类方案对比
3.4.1电力线载波抄表
以电力线作为传输信道，将数据信号调制为高频信号叠加在电力线上进行通信。此方式无需另外布线、易施工、成本低、与电网建设同步。目前国内10kV以上电压等级的高压电力线载波技术已较成熟，但低压电力线载波还未能达到令人满意的水平，制约了电力线载波抄表在我国的应用。原因在于电力载波信号存在着脉冲干扰，传输距离越远，信号衰减越大。低压电器电磁兼容性的控制尚不十分严格，低压电力线上存在的电磁污染严重，干扰大，影响载波通信的质量；另外，用户负载千变万化造成网络传输特性复杂多变，难以用准确的数学模型加以表征。因此，抗干扰是低压电力线载波技术必须克服的问题。
3.4.2 总线抄表
总线通信是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式，其数据传输速度较快，可靠，稳定，通信质量高。目前使用的总线通信方式有RS-232，RS-485，LonWorks等。但这种方式布线工作量大，通信信道易遭外界因素破坏，信道后续维护工作量大。
3.4.3 GPRS抄表
GPRS抄表系统通过GPRS网连接至Intemet网与主站计算机进行通信。用户的数据经过GPRS模块处理、协议封装后发送出去，由GPRS接收模块接收经Intemet网络传送至主站，实现用户耗能数据和主站的实时在线连接。GPRS以GSM网络为基础，采用分组交换的高效率传输方式，克服了GSM电路变换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的GSM网络资源。它的传输速率高，接入时间短，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本，特别适合突发性小流量数据传输。
第四章 系统方案论证
4.1 监控站通信模块
传统的C/S模式下，与监控站通讯模块需自定义应用层协议。协议的实现需考虑移植、传输效率，以及是否方便传输不同类型数据等因素。
为了方便管理员查询电量信息，系统同时提供基于浏览器B/S模式的浏览方式。此种方式下，一般有两种做法：其一，直接在集中器上移植嵌入式web服务器，管理员访问集中器上的数据库；其二，将数据保存到监控站，在监控站上建立web服务器，用户通过浏览器访问监控站上的数据库。如果是对于普通居民用户需要通过浏览器访问电量信息，计费信息时，宜采用第二种方法。而对于管理员，作为传统C/S模式的一个替换，利用因特网便捷查询数据，则需采用第一种方式。
本系统移植了嵌入式web服务器GoAhead作为工作在集中器上的web服务器。这样管理员即便不在监控中心，也可以通过浏览器方便地浏览电能信息了。GoAhead被称为针尖上的web服务器，功能强大，支持ASP，．JSP，CGI。笔者移植的GoAhead大小仅128k。
4.2 数据存储管理
用户电能在用户比较多的情况下，数据量很大。如果通过文件来管理这些存储的电量信息，有一定难度。如需要分成多文件存储，而且查询不便，需要编写掉电保护机制等。本集中器采用了嵌入式数据库sqlite。
嵌入式数据库sqlite具有如下优点：
（1）如事务操作是原子、一致、孤立，并且持久的（ACcID），即使在系统崩溃和电源故障之后。
（2）实现了绝大多数SQIL92标准。
（3）整个数据库存储在一个单一的文件中。数据库文件可以在不同字节序的机器之间自由地共享。支持最大可达2T的数据库。
（4）小的代码：完整配置的少于250kB，忽略一些可选特性的少于150kB。在大多数常见操作上比流行的客户/服务器数据库引擎更快。
（5）而且源代码位于公共域。可用于任何用途。
笔者移植的sqlite库文件的大小为413k，工作性能稳定。集中器数据处理主要是操作用户信息和电能信息，实现如下函数作为数据库的操作接口。
penDataBase（const char*filename，Bqlite3**ppDb）打开数据库；
CloseDataBase（sqlite3*db）关闭数据库；
ExeSql（sqlite3*db，char*sqlMsg）执行sql语句；
RubbishDataBase（const char*filename）清除历史数据。最多存储90天的数据。每过90天，删除前45天的数据。
InsertSyslog（const char*msg）插入系统日志信息。此函数内部通过调用ExeSql来实现。其他一些数据库相关操作都可以有两种实现选择：调用ExeSql函数；将调用ExeSql函数前后一些工作一起封装成一个新的接口函数。
4.3 人机接口模块
人机接口采用了嵌入式图形接口miniGUI，与其它针对嵌入式产品的图形系统相比，MiniGUI具有如下技术优势：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、可配置、可伸缩性强。MiniGUI是一个非常适合于嵌入式产品的高效、可靠、可定制、小巧灵活的图形用户界面支持系统。
人机接口开发的难点在于ICD、触摸屏驱动开发和miniGUI输入接口层的移植。可以参考一些成熟范例，然后根据项目需要进行改写。用户窗口主要工作分为界面初始化和消息响应。每个窗口都有自己的消息处理循环。
4.4 与采集终端通信模块
在与采集终端485通信中，采用了4线制485。485通讯需要实现地址设置，抄表和较时等功能。
电表地址设置通常有以下几种方式。
（1）直接使用便携机到现场给集中器和采集终端输入设置地址。
（2）通过监控站传输地址配置信息给集中器，然后集中器再转发给采集终端。
（3）安装时用便携机输入地址信息，运行中通过命令使能或更改电表地址。本集中器采用第3种方案。
电能数据存储必需有对应的正确时间值，这就需要监控站对集中器进行较时和集中器对采集终端进行较时。本系统采用广播方式，每天在固定时间发送广播命令，确保时间误差不超过5s。
集中器每隔一个小时需进行一次抄表。发出抄表命令后，等待回应，如果超时没有得到回应，集中器将重复发送抄表命令。如果超过最大发送次数，系统返回错误，认为信道出现故障。
4.5 方案优点
GPRS无线电力远程抄表系统具备如下特点：
1、建设周期短，成本低：
GPRS无线网络可为电力系统提供了简单高效的通信传输手段。中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接。
2、实时性强：
由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理所有数据采集点的数据。可很好的满足系统对数据采集。
3、可对电表设备进行远程控制：
通过GPRS双向通讯还可实现对电表进行远程控制，进行参数调整、开关等控制作用。
4、集抄范围广：
GPRS覆盖范围广，在无线GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区，乡镇和跨地区的接入需求。
5、系统的传输容量大：
数据中心要和每一个电表数据采集点保持实时连接。由于电表数据采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
6、数据传送速率高：
7、通信费用低：采用包月计费方式，运营成本低。
8、系统易于扩展和维护。
由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，因此监测中心计算机需要一个固定的IP地址或固定的域名，各个电表数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该主机，从而进行数据通信。
4.6 系统组成
电表数据采集点位于居民小区的信息中心，居民用户的用电数据由复费率电表首先通过RS485接口通过双绞线连接到位于小区信息中心的电表集中器，电表集中器再通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端相连。通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS网络，通过GPRS网络传送至电力公司数据中心电力远程抄表系统，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。电表集中器通过RS485接口直接连接到电表上，既可支持单个电表，也可以同时支持多个电表，实现对电表参数的采集，存储，预处理或并将采集到的电表数据实时传送到配电中心；同时，电表集中器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表控制模块，对电表进行控制操作。
1、 公网接入方案
服务器采用公网方式接入Internet，如ADSL拨号宽带上网，申请公网固定IP地址；可以实现中小容量的电表数据采集应用。
2、 专网接入方案
服务器采用省移动通信公司提供的DDN专线, 申请配置固定IP地址，与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽，当电表数据采集点数量增加，中心不用扩容即可满足需求，可实现大容量数据采集应用。
监控中心服务器接受到GPRS网络传来的数据后先进行AAA认证，后传送到监控中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示，并进行数据处理，这样进一步增强了系统数据通信安全性能。
配电中心计算机主机可进行业务管理和计费管理，对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等，可对异常情况进行告警，同时对用户使用情况实时监控，保证电力局的合法收益。电表集中器采集的数据经GPRS网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到监控中心IP地址。各电表使用GPRS透明数据传输终端，通过移动的GPRS网络与配电中心相连。电表使用GPRS普通数据卡或APN专用数据卡，同时监控中心对各点GPRS终端编号进行登记, 并与采集点信息进行关联，以便识别和维护处理。采集中心运行数据采集中心系统软件，实时采集电表数据。
第五章 心得体会
本文给出了远程抄表系统总体构架。采用S3C4lOARM9硬件平台在显著提高系统性能的同时使系统小型化，基于485总线的通讯提高了通讯的速率和可靠性。在嵌入式Linux上移植和使用嵌入式数据库sqlite和嵌入式web服务器，简化了软件设计并提高了系统的性能，实现了人机接口、电能数据处理以及远程数据访问等功能，为新一代低压远程抄表系统集中器提供了一种高性能的解决方案。
看似简单但却不那么容易，经过自己的一番理解及老师和同学们的指导，通过上网查找资料终于把最后一次课程设计的内容圆满完成了，我觉得一定要对所学的知识有一个大致的掌握，否则论文对于我们来说真的不简单，它所涉及的知识面远远超出我们所学习的书本知识，一定要理论联系实际才能构思出好的论文，为时将近两周的课设内容终于结束了，无论成绩如何我们毕竟学到了很多，我们学会了自己独立做事，独立思考，学会了独立自己完成一项任务，一个课题，我们应该经常练习，毕竟我们还需要学习，学习我们不会做以及我们做的还不是很熟悉的事，虽然此次课设我也没付出什么，也是上网一顿搜索，可是有谁不是呢，还有些不愿去找的呢，我认为这就是进步，这就是胜利，还有我要由衷的感谢我的两位课程设计的老师，范珩和刘云秀老师，可以说没有他们的细心指导就不会有我们这块的完成任务，也希望今后能多学学怎样做一份像样的课程设计论文，也洗我做完了只知道个题目，但我也是有收获的，因为我在做论文的时候学会了很多东西，我想这就是最大的收获吧。虽然做论文很难，但我终于克服了，这也是我所受益的。
参考文献
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