基于无线通道的燃气自动抄表系统的研究与开发.docx

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基于无线通道的燃气自动抄表系统的研究与开发

摘要4

1绪论5

1.1研究背景和意义5

1.2国内外自动抄表系统发展及应用现状6

1.3现有自动抄表系统解决方案7

1.3.1有线抄表系统7

1.3.2电力载波抄表系统9

1.3.3无线抄表系统10

1.4本文研究内容与章节安排14

2无线抄表系统总体设计16

2.1系统设计总体要求16

2.2系统方案设计17

2.2.1无线方式选择17

2.2.2系统结构设计17

2.2.3计量表具计量方式的选择与设计20

2.2.4无线通讯模块的选择22

2.2.5手持机选择23

2.2.6中心管理信息系统设计27

2.3本章小结28

3无线抄表系统底层硬件平台设计28

3.1基于无线双向燃气表方案的底层硬件设计28

3.2基于采集器方案的底层硬件设计31

3.2.1无线表具设计31

3.2.2无线采集器设计32

3.3本章小结34

4手持机软件系统设计35

4.1手持机介绍35

4.1.1手持机体系结构35

4.1.2手持机软件开发环境36

4.2手持机系统功能分析36

4.3手持机软件操作主流程设计37

4.4手持机主界面设计39

4.5数据通信模块设计40

4.5.1通信协议的制定41

4.5.2软件实现43

4.6抄表功能模块设计44

4.6.1通讯协议的制定45

4.6.2软件实现48

4.7手持机数据结构设计50

4.8其它功能模块设计53

4.10本章小结55

5.中心管理系统设计56

5.1系统总体需求分析56

5.1.1系统需求描述56

5.1.2数据库管理模块功能描述58

5.1.3基本业务模块功能描述59

5.1.4抄表管理模块功能描述59

5.2基于UML的系统模型59

5.2.1UML简介60

5.2.2系统用例图62

5.2.3系统时序图65

5.2.4系统协作图68

5.2.5系统状态图69

5.2.6系统活动图70

5.3数据库设计73

5.4软件开发与实现74

5.5本章小结75

6运行与测试76

6.1系统运行环境构建76

6.4管理软件数据处理79

6.5本章小结80

7总结与展望81

7.1研究总结81

7.2研究展望82

参考文献84

摘要

目前抄表方式以有线方式为主，诸如电力线载波、电话线、RS485或者是上述几种有线方式的混合。

随着城市和智能小区的发展，有线系统先天存在着布线，施工周期长、工程安装成本及维护成本高和系统扩展性差等问题，已经越来越满足不了城市发展的需要，而小功率无线电波通信方式由于其通信方便、组网简单、无需申请频点使用权以及投资少等特点，为国内外越来越多的自动抄表系统所采用。

本文对目前有线燃气自动抄表方式作了深入的研究，在瑞迅公司原有线抄表系统的基础上，采用小功率无线电波通信方式，提出了两种结构型式的小区无线抄表系统方案—基于无线双向燃气表方案和基于无线采集器方案，并对这两种方案的硬件和软件进行了设计和实现。

本文首先针对现有脉冲表具计数不准、需要复杂布线和可靠性差等问题，对于不同无线抄表方案设计了两种新型具有无线远传接口的表具。

其次专门针对基于无线采集器方案设计了一种具有无线接口的数据采集终端，它具有独立存储空间，能完成对无线单向燃气表数据采集，也能响应手持式抄表机指令，完成数据通讯任务。

第三手持式抄表机应用软件设计。

手持式抄表机作为底层无线燃气表具、无线采集器和上层信息管理系统之间信息交换的载体，手持机通过相关通信协议实现与无线表具和无线采集器直接通信，从而实现了包括表具数据的读取存储以及无线表具的设置等功能。

最后通过中心管理信息系统软件设计，实现了抄表机数据导入和抄表任务下载、手持机应用软件更新以及抄表机参数设置等功能并且对上传抄表数据实现了数据智能化处理、收费和票据报表输出的功能。

系统运行测试表明系统性能达到了预定的目标，系统满足了实际的需求，具有较高的实际运用价值。

关键字:

自动抄表系统、无线通信协议、无线模块、手持机、串口通信

1绪论

本章分析目前抄表行业面临的问题，讨论了自动抄表技术的发展现状，分析了目前有线自动抄表技术、无线抄表技术和电力载波技术的优缺点，指出了无线抄表方式将逐渐成水、电、气抄读的首选，最后给出本文的研究目标、内容和全文章节安排。

1.1研究背景和意义

随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机通信技术的发展和城市智能化住宅小区建设的迅速发展，水、电、气自动抄表系统被列为住宅智能化建设必要项目之一，与监控报警系统、家居安防系统等都将是楼宇智能化系统不可缺少的一部分。

建设部公布小康住宅的十大标准第六条规定:

“对现代化住宅使用的水表、电表、煤气表等各种计量器具要求信息出户”[1]。

在2003年公布的《物业管理条例》第四十五条中明确规定:

“物业管理区域内，供水、供电、供气、供热、通讯、有线电视等单位应当向最终用户收取有关费用。

物业管理企业接受委托代收前款费用的，不得向业主收取手续费等额外费用”[2]。

今后，水电气行业的直管用户将逐步过渡到终端服务即行业公司直接抄表收费的模式。

同时近年来随着城市建设速度的加快和城市范围的不断扩展，人工抄表所需的人力与经费均相当可观，为提高经营绩效和节省开支，水、电、气公司都需要以自动抄表系统来取代人工抄表方式。

因此水、电、气公司可以将自动抄表系统作为一个增值的免打扰服务来提供给用户，必将受到广大居民住户的欢迎[3]。

另一方面，水、电、气公司出于提高自身服务水平和降低运营费用的目的，也急需准确了解用户的每月耗能数据。

如果采用传统手工抄表方式，就意味着需要增加大量抄表人员，其结果势必提高水、电、气公司的运营成本。

因此，采用自动抄表系统也是水、电、气公司提高企业自身经济效益和服务质量的需要。

本文研究是基于南京某公司现有抄表系统进行改进和创新，该公司现有抄表系统采用RS485总线作为通信线路，采用分布式结构。

通过近几年的市场推广和运行，发现存在着通信线路布线困难、施工周期长、工程安装成本及维护成本高等问题，同时外界的干扰也是主要问题，比如空间电磁场干扰，由于有线系统的主要线路布置于弱电井中，某些高频干扰信号可产生强大的电场和磁场，这些干扰可不经接触直接进入系统。

此外由于在该系统中采用电力线供电，还存在着电网干扰，由于电力线上往往会存在着过压、欠压、浪涌、跌落和瞬间脉冲等异常情况，这些干扰通过电源直接影响到抄表系统的稳定性，因此研制一种适合的自动抄表系统具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。

1.2国内外自动抄表系统发展及应用现状

自动抄表（AMRAutomatedMeterReading）主要由数字式水表、电表、气表等计量表具、住户数据采集器、传输系统和管理计算机等设备组成，如图1.2.1所示。

具有数据或脉冲数据的表具作为系统前端计量仪表，对用户的用水量、用气量、用电量和用热量进行计量。

住户采集器对前端的数据进行采集，并对采集结果进行长期保存。

物业系统管理主机发出读表指令，住户采集器立即向管理系统发送计量数据。

住户采集器和物业管理主机通过双方约定的通信协议进行通信，确保传输过程数据的正确性。

管理系统负责计量数据的采集、计费、统计、查询和打印等，以及根据需要将收费结果发送到相应部门的管理计算机中[4][5][6]。

图1.2.1自动抄表系统组成

在国外，各种表具的自动抄表系统已经开始广泛使用[7]。

例如，1999年6月美国威斯康辛公用服务公司将它们第一期自动抄表系统的合同授予了美国配电控制系统公司。

该自动抄表系统为双向自动通信抄表系统，以实现居民和商业用户的电能表与煤气表的自动化。

采用自动抄表系统来改造威斯康辛公用服务公司中原机电式和半导体式电能表，以及各类煤气表。

该系统的运作是高透明度的，可提供实时用电数据及最高负荷、分时用电数据和间隔读表数据。

又由于该系统是一种多功能系统，因此威斯康辛公司还将采用其双向负荷控制转发器来替换现有的加热器控制装置，以便用户根据其实际情况来选择分时电价[4]。

我国从90年代初期开始有厂商研发自动抄表系统，目前从事自动抄表系统研发的厂家近300家，全国实施自动抄表系统的小区有上千个[6]。

1.3现有自动抄表系统解决方案

自动抄表系统中要解决的关键问题是数据通讯和数据采集的问题，因而根据自动抄表通讯介质的不同，总体上把它们分为有线抄表、无线抄表系统和电力载波抄表系统。

1.3.1有线抄表系统

有线抄表系统充分利用电话网络、闭路电视网、RS485总线网等[4]，基于有线的抄表系统不是本文的侧重点，本文下面对各个有线方案只作简单介绍。

1）RS485总线

RS485总线由电子工业协会EIA制订并发布的工业标准以保证不同厂家产品之间的兼容。

RS485允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，用户还可以建立自己的高层通信协议。

正因为RS485的远距离、多节点、可以自行定义协议以及传输线成本低等特性，使得RS485成为工业应用中数据传输的首选标准，因此在自动抄表领域也被广泛采用[8][9][10][11]。

2）电话线网络

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也是一个经济有效的方案。

利用电话通信，只需在数据采集器和管理中心主机各加装调制解调器（Modem）即可，其通信速率可达2.4kbps、9.6kbps甚至56kbps，完全满足远程自动抄表数据流量要求。

但是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）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；另一方面由于采用公网传输其可靠性和安全性也比较差[12]。

3）光纤通信网

光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、通信稳定可靠、传输距离远以及高抗干扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。

但是施工成本投入大、扩展性差、设备维护方面不方便，很少应用于小区自动抄表系统中[13]。

4）Internet网

将Internet网作为传输的介质，现场数据采集器将数据通过Internet网络传输到终端管理计算机，这种通信的方式称为Internet网通信。

这种通信方式的优点是传输速率高、传输距离远，但是由于Internet网络的保密性比较差和数据包在传输的过程中容易丢失，同时由于智能终端设备成本比较高，这种通讯的方式很少被采用[13]。

5）M-BUS仪表总线

M-BUS是一种欧洲标准的2线总线，专门为消耗测量仪器和计数器传送信息的数据总线而设计的，它的信息传送量是专门满足其应用而限定好的，它具有使用价格低廉的电缆而能够长距离传送的特点，所以M-BUS总线在集中抄表领域正在被越来越广泛的采用[l4][15][16]。

总的来说有线抄表方式的优点主要体现在:

1）可实现实时抄表、实时监测和实时控制，可检测出设备破坏和非法使用等；

2）抄表速度快，人员少，抄表准确性较高；

3）可实现预付费功能，用户充值后，数据通过网络远程读取，可避免用户直接接触表具，提高设备使用寿命；

4）对于外界干扰，有线系统的抗干扰能力比较强。

但是也存在以下一些问题:

1）设备安装时涉及布管和穿线问题，故需要预先设计；

2）施工周期长、工程安装成本及维护成本高；

3）系统的扩展升级和与其它网络的兼容等问题。

1.3.2电力载波抄表系统

电力载波（PLC，PowerLineCarrier）的基本原理是把水、电、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线路传送，在接收端解调还原成数据信号[17]。

由于电力线遍布各处，从发电厂到各个居民小区无所不至，利用现有的电力网络作为信道，不需要重新布线，系统后续运行维护比较少，可以适用于不同场合，特别是布线比较困难的场合，由于电力线路既是信号传输通道又是电力传输载体，其设计时不可能兼顾高频通信的技术要求，因此本文把电力载波单独列为一种自动抄表方式。

电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期。

它以电力线路为传输通道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等优点。

70年代美国出现能源危机之后，在引进西欧音频电力负荷控制系统的基础上开发出载波电力负荷监控及抄表系统。

但是电力线通信信道存在间歇性噪声大、阻抗随负载变化大、信号衰减大等缺点，严重制约了它的有效利用。

由于电力线载波通信中存在的这些问题，采用常规载波技术（包括振幅调制、频率调制等常规调制技术）不能满足实际的需求，必须采用高抗干扰能力的载波调制技术，如扩频载波调制技术[11][12]。

国外在扩频载波技术方面起步较早，且有成熟的产品，如美国的Intellon公司和Echelon公司、以色列的Unique公司、加拿大的Stanford公司、法国和意大利的ST公司。

其产品的共同特点是：

通用的电力线载波扩频通信芯片；按照纯扩展频谱原理，硬件电路实现信号的调扩与解扩。

应用方式面向家庭内部自动化控制，针对北美和欧洲地区的电网特性和结构而设计[17][18]。

由于我国许多地区低压电网配电线路在规范性、清洁度、阻抗特性、周波和电压等方面难以达到标准，使得国外产品的应用在通信能力、稳定性、可靠性和抗干扰能力等方面大打折扣。

同时电力线载波由于其固有的弱点，通道干扰大，信息量小，再加上有时设备管理维护等方面造成的稳定性差、故障率高等不足，已显得不能适应现代电网对通信多方面、多功能的要求[18]。

1.3.3无线抄表系统

如上所述，采用通讯线路作为信息上传的通道存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试和维护困难重重。

基于上述原因，设计一种稳定可靠、安装维护方便，可以抄读表具数据而且可以监控表具运行状态的自动抄表系统，己经成为目前抄表行业亟待解决的问题，而以无线方式作为传输表具数据的抄表技术正好弥补了现有有线系统的缺点，逐渐成抄读方式的首选[4][19]。

无线通讯的解决方案主要有以下几种:

1）红外传输

红外线是波长介于红光与微波只见的电磁波，波长0.77~3µm为近红外区；3~-30µm为中红外区；30~1000µm为远红外区。

红外线有较强的穿透能力，并且易于产生，因而被人们广泛应用于数据通信方面。

红外通信就是把红外线作为传递数字信号的媒体，利用红外线来传递信息的一种通讯方式。

红外传输的原理简而言之就是将电信号通过放大驱动红外发射管转变为光信号，从而实现了电信号的传输。

但是由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输[11][20][21][22][23]。

目前市场上的红外收发方式主要有以下两类:

应用于短距离数据通讯的红外数据协会（IrDAInfraredDataAssociation）方式和遥控器方式。

其中IrDA方式是使用红外线为媒介进行点对点通信的短距离无线传输标准，该方式传输速率快，最高可达4Mbps，但传输距离短，一般不超过1m；遥控器方式传输距离较远，但数据量较小，一般仅为几个至十几个字节的控制码，不能适应数据通讯时的数据传输量大、速率高等特点，因此在无线抄表中一般选用前者作为数据传输的方式。

2）无线射频传输

无线射频（RFRadioFrequency）方式抄表运用在抄表行业大体上分为两种:

一是使用小功率无线发射装置的现场手持无线抄表；二是使用大功率无线电台的远程无线抄表两种方式[12][19][24]。

（1）大功率无线方式

该方式使用自己建设的无线电台，在200~400MHz的频点上通过散射通信的方式进行无线电通信。

其特点是传输频带较宽，通信容量较大（可达几千台），实时性较好，覆盖范围较广，可以通过中继延伸，但是通讯需要申请频段使用权，且设备安装维护费用较高，因而对使用场合有一定的限制，故实际中多用于大用户电力负荷的无线监控以及用电管理系统中，在小区抄表中很少应用[19]。

（2）小功率无线发射方式

该方式是指采用近距离无线通信技术和计算机技术自动读取和处理表具数据，与红外抄表方式相类似。

但是与红外抄表方式相比它的通信距离更远，实用性更强，因此广泛运用于抄表。

在进行通信时，抄表器发送指令，各表接收到命令后进行地址对比，如果正确则发出应答信号，完成数据链路建立，然后进行数据通信。

目前主流的小功率无线抄表技术主要有以下几种:

①蓝牙技术

蓝牙技术于1998年出现，是一种采用2.4GHzISM（IndustrialScientificandMedical）频谱的短程无线技术。

作为一种开放性的标准，蓝牙可以提供短距离的数据语音和数据传输。

蓝牙技术可以提供最高720Kbps速率的数据传输，可以让距离1Om以内的电子设备共享信息，如果功率足够，这个范围可以扩大到1OOm。

蓝牙技术不像红外传输协议那样要求进行传输的设备之间必须对准，它使用全方位的无线微波进行传输，可以穿透墙壁和其它非金属的障碍[25]。

蓝牙技术具有以下几个特点:

工作于2.4GHz的ISM频段，在世界范围内运行在这个频段的通信设备无需向各个国家申请使用执照。

蓝牙技术工作频率稳定可靠，采用低发射功率、接受灵敏度高的设计，满足无线管制的要求；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码（（FEC）技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小，便于携带或移动，成本低廉。

基于蓝牙技术的无线自动抄表是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线抄表网络。

②ZigBee无线接入技术

2000年12月IEEE（美国电气与电子工程师学会）成立802.14.4工作组，致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速无线连接技术—ZigBee技术。

ZigeBee是一种低速率、低功耗、短距离无线接入技术，与其它无线技术相比，ZigBee实现了低复杂度、减缩的资源要求，并且提供了一个组织标准的规范。

它提供了三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全性能，是为低速控制网络设计的标准无线网络协议。

ZigBee的一些应用包括建筑自动化网络、建筑安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设等。

这种低成本、商业型的应用技术，其无线装置减少了传统电气工程施工费用，解决了现场安装困难的问题，消除了传统无线接入技术的不可靠性及其它技术问题，将ZigBee应用于无线抄表将是将来的一个趋势[26][27]。

③Wavenis技术

Wavenis是法国的无线技术公司CoronisSystems首创开发的专门针对远程自动抄表系统的无线抄表技术[28]。

Wavenis无线技术的特点是耗电量极低，作用距离大，对蓝牙设备是一种很好的补充。

Wavenis技术可以集成在所有需要在ISM无线频带当中无线接入的自主型设备，更准确地说这种技术在868MHz（欧洲），915MHz（美国）和433MHz（亚洲）频段内操作，不用向无线电委员会申请专用频率。

Wavenis技术提供完善的接口和中间件，有很强的灵活性，支持无线网络技术，能够提供建立一个无线网络所需要的所有功能，以点对点、广播、选择呼叫和中继的方式操作。

采用Wavenis技术，即使是在最为不利的应用当中，一个电池的自主时间最长也可以达到十五年。

同时在强电磁干扰环境下（室内电动机、开关、手机、调制解调器等）正常运行，而且不会对其它无线设施的运行产生干扰。

综上所述Wavenis无线技术非常适合于在自动抄表中应用[28]。

目前全球领先的几大表具制造商和建筑商选择了Wavenis技术方案，英国ELSTER、法国最大的水表厂之一WATEAU、欧洲的最大的智能建筑承建商CIS等都采用Wavenis技术推出抄表方案。

3）移动电话网络（GPRS/CDMA/GSM网络）

中国移动、中国联通推行的GPRS（GeneralPacketRadioService）网络、GSMtGlobalSystemforMobileCommunications）网络、CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）网络已覆盖大量的区域，通过无线网络实现数据传输成为可能[29][30]。

GSM采用短信方方式，该方式适用于中低数据交换量的无线传输网络，但它的实时性不如GPRS和CDMA的无线抄表方式[11][25]。

GPRS、CDMA方式采用无线Modem，通过中国移动的GPRS、中国联通的CDMA网络进行数据传输，并通过TCP/IP协议进行数据封包，可灵活地实现多种设备接入，工程安装简单，在工业现场数据传输的应用中，能很好的解决偏远无网络无电话线路地区的数据传输的难题。

同传统的无线电台比较，具有简便性、灵活性、易操作性，同时还降低了成本[19][27]。

GPRS/CDMA用于燃气系统远程抄表具有多方面的优势:

（1）接入范围广，可充分利用全国范围的电信网络，不受地域和位置限制；

（2）传输速率高，GPRS的网络数据传输速率最高可达171kbit/s，CDMA理论带宽可达171.2Kbit/s，而且通过不同的编码方式，支持不同速率的传输，能满足远程抄表的应用需求；

（3）提供实时在线服务，能够提供快速即时的连接，保证通信的实时性；

（4）按流量计费，特别适用于远程抄表这种间断的、频繁的、少量的数据传输；

（5）支持TCP/IP协议和X.25协议，可与Internet互通；

（6）GPRS/CDMA网络系统提供可靠的数据安全性。

随着通信技术的发展，原有的自动抄表系统采用的通信方式诸如电话线、现场总线等己不能满足客户的需要，因此从实际的角度出发，以GPRS/CDMA方式作为数据传输系统网络支撑平台已成为构建远程抄表系统是较佳的选择。

4）卫星抄表

卫星通信技术的迅猛发展使卫星通信的成本与价格不断下降，例如移动卫星手机轻便小巧，性能先进，便宜的只有数百元到数千元，很可能在未来10年内取代目前的蜂窝手机。

卫星通信具有覆盖面广、不受地形地貌影响、误码率低、保密性好等优点。

同地面无线抄表相比，卫星抄表相当于把抄表车搬到了天上，用同步卫星的数据转发器来取代抄表车，所以抄表的全过程无需出动任何人员和车辆，实现了彻底的自动化[19][31]。

使用卫星抄表可以实现远距离异地联网，可以抄读难以抄收的计量仪表数据信息，随着人类进入太空时代，使得利用卫星进行抄表将变得可行，此种方式在国内尚处于探讨阶段，在国外ITRON公司已经开发出此种抄表系统[32]。

总的说来，无线抄表系统具有的共同优势如下:

1）无需架设电缆，节省了人力物力，投资是相当节省的；

2）无线的方式可迅速建起通信链路，工程周期大大缩短；

3）相比有线系统有更好的扩展性；

4）出现故障时，只需维护无线数据模块，能快速找出原因，恢复系统正常运行。

无线抄表系统较之有线抄表系统和电力载波方式，以其技术先进、易于实现、传输速率高、可靠性高和易于普及等优点，将成为抄表行业未来发展的必然趋势。

1.4本文研究内容与章节安排

本文主要工作是在南京某公司现有有线抄表系统的平台上，吸收国内外同类型产品的优点，利用当代微机技术、无线通讯技术与燃气表计量技术的结合，集计量、数据采集、处理于一体，开发出一套具有本公司特色，适应不同用户要求的无线抄表系统，使得燃气公司和安装公司减少安装维护费用，彻底杜绝有线系统的弊端，达到准确而便捷的收费，减少燃气部门与客户之间的纠纷，在提高管理部门的工作效率的同时提高燃气公司的服务水平。

本文共有七章，各章组织结构安排如下: