华广集中自动抄表系统设计.docx
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华广集中自动抄表系统设计
《电气测试技术》课程作业
华广集中自动抄表系统设计
学院:
电气工程学院
专业班级:
10电气工程及其自动化班
学号:
201039488184
序号:
6
学生姓名:
陈
指导教师:
陈丽丹
提交日期:
2012年6月20日
目录
第一章集中抄表系统的发展历史和趋势·····························1
第二章集中抄表系统的介绍·········································2
2.1系统简介·······························································2
2.2系统整体结构···························································2
2.3集中器的硬件平台·······················································3
2.4电路功能·······························································3
2.5GPRS简介······························································4
2.6自动抄表系统···························································4
2.7系统特点·······························································5
2.8系统设计原理及实现方案·················································5
2.9系统组成·······························································6
第三章华广校园调研················································8
3.1华广概述·······························································8
3.2配电房管理范围·························································9
3.3配表方式······························································10
3.4功能分区······························································10
第四章华广校园集中抄表系统设计···································12
4.1华广集抄系统的设计图··················································12
4.2系统造价估算··························································12
第五章总结·······················································13
第一章集中抄表系统的发展历史和趋势
近年来,随着国家电网改造工程的不断推进,传统的人工抄表不仅费时费力,而且不利于用电波峰波谷的统计,越来越不能满足实现信息化、自动化的先进电力企业管理的需要。
一种基于嵌入式系统的无线通信模块的设计与实现,可广泛应用于电能量远程集中抄表系统中,它可以将电表中采集来的数据通过无线网络的方式发送到数据中心,并接收和执行数据中心发出的指令。
无线通信数字网络的发展,使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。
第二章集中抄表系统的介绍
2.1系统简介
自动抄表系统,是一种利用传感技术、通信技术和计算机技术,对三表(即电表、水表、燃气表)的计量数据进行自动读取并传送到远程信息中心进行数据统计、分析和计算的计算机应用系统。
旱在上世纪六十年代,美国电话电报公司(AT&D便开始了自动抄表系统的实验开发,但是这种基于电话系统的解决方法由于成本高,未能大规模在实际中应用。
随着技术的进步,成本的降低,大规模的使用远程抄表成为可能,特别在那些无法进行人工抄表的场合。
我国从上世纪九十年代开始研发用于远程抄表的智能电子表,现在市场上已经出现了各种技术类型的远程抄表系统。
这些抄表系统一般由以下三个典型的部分构成:
1、表计信息采集模块,负责将表具计量信息数字化并储存和传输。
2、网络通信模块,负责收集采集模块采集到的数据并传送给远程的信息处理中心。
3、信息处理中心,负责对抄表数据进行统计,分析和计算,以及提供用户查询等功能。
实用案例:
ApplicationCase网络通信模块的主要载体是集中器,其硬件平台大部分还是单片机,软件平台大多采用单流程的循环控制系统或者带有简单的操作系统,他们的优点是开发成本低,能够满足一些基本的功能要求,但主要存在以下不足;
1、硬件平台依赖性强,不具通用性,不利于软件的开发,升级和移植;
2、单流程的循环控制系统,其响应命令的平均时间较长,使用不方便;
3、硬件平台简单导致了它只能使用简单的嵌入式操作系统,这使得软件的开发难度加大,缺乏广泛的应用接口支持,难以适应长期的发展需要。
采用ARM9内核的$3C2440处理器和嵌入式Linux操作系统设计的高性能集中器可以很好地解决上述问题。
整个抄表系统分为三个部分:
信息中心服务器(一般为供能公司,如电力公司等),集中器,网络表。
2.2系统整体结构
计算机系统应用该系统的表具都是智能表,集成了通信和数字化计量模块,能够响应集中器的控制命令,我们称之为远传表。
他们和集中器的通信方式有两种,一种是基于RS485总线。
这种情况下,如果不加485中继器,普通485总线只能挂32块表具。
一种基于CCl100模块的短距离自组网络无线通信模式,这种情况下,中继器可以连接的表具数目受现场条件对无线信号的影响程度不同而不同。
无论是哪种通信方式,对集中器来说,他们都是串口通信。
采用远传表的好处是不需要专门配置采集模块,使得整个系统集成度更高。
集中器通过网络接口接入小区以太网,可以响应来自移动工作站以及远程信息中心的控制命令,并且可以主动向远程信息中心报告表具异常信息。
移动工作站用于管理小区范围的用户抄表,并向远程信息中心提供抄表数据。
远程信息中心也可以直接和集中器通信,实时抄收、监控表具的运行情况。
可以看出,集中器是整个远程抄表系统的通信中枢,对系统的稳定性起到关键的作用。
2.3集中器的硬件平台
根据集中器的现实需求和扩展需求,我们采用基于ARM9内核$3C2440处理器的mini2440开发板搭建硬件开发平台。
$3C2440是一款专门针对功耗和成本敏感的应用系统而设计,它基于ARM920T内核,标准0.13斗rnCMOS工艺,核心电压1.3v,外围设备电压最高3.3v,带外扩SDRAM控制器,3路串口控制器,2个USB主机控制器,1个USB设备控制器,触摸屏接口等丰富的接口控制器。
本系统中的手持配置工具和GPRS模块和集中器都是通过串口进行通信的,需要注意的是,$3C2440不具备完整RS232串口控制,它的UART0和UARTl只有TxD,RxD,RTS和CTS四个功能引脚,UART2只有TxD和RxD两个功能引脚。
但是一般的GPRS模块都需要载波检测引脚DCD来判断GPRS是否在线,以及DTR来控制GPRS模块的状态,如启动和关闭GPRS模块。
GR47模块便需要DCD和DTR引脚才能正常操作,解决办法是,从$3C2440中挑选两个空闲的I/O口来充当DCD和DTR,然后把这两个引脚和UART控制器的其他现有引脚一块接到MA×3232串口扩展模块上,然后再把GPRS模块接在这个扩展模块上即可。
程序中可以写一个针对这两个引脚的驱动程序来操作GPRS模块。
集中器的硬件接I=I模块组成连接表具和集中器的485网络芯片采用半双工的SP485芯片,成本低,数据传输速率高达SMbps,完全可以满足表具计量数据规模的通信量。
如果表具采用无线方式,则使用CCl100无线收发模块,这是一款为自动抄表系统设计的具有极低功率的UHF无线收发器,可以工作在315/433/868/91SMHz的ISM/SRD波段,根据中国的ISM频率划分,我们这里选择433MHz这个中心频率。
手持配置工具完成表具条码扫描输入,配置集中器所管辖的表具信息。
它与集中器通过串口进行通信。
预留的按键,可以用于通知集中器手持设备的接入和取出以及系统复位等功能。
NorFlash主要用于开发阶段的调试,开发完成后可以不用NorFlash。
NandFlash主要用于操作系统和程序的存储,相当于PC机上的硬盘。
触摸屏是为将来把集中器设计为可视化操作而预留的。
2.4电路功能
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。
2.5GPRS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2.1GPRS分组交换
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。
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。
2.6自动抄表系统
图2.2远程抄表系统模型
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。
2.7系统特点
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。
2.8系统设计原理及实现方案
全国各供电企业基本建立了无线电电力负荷控制系统,虽然其主要建设目的是控制负荷,但也逐渐用于大用户的电能表抄表。
1989年全国第一套跨省网的电量计费系统在华北电网投入运行,北京供电局的电话抄表系统在90年代开始投入运行。
2004年现场用电管理终端作为负控和抄表需求的融合产品产生,并陆续在浙江电网和广东电网大量推广使用。
2005年国家电网公司颁布《关于加强电力营销现代化的建设意见》的406号文后,中国迎来了远程抄表发展的黄金时期。
2005年N2007年各电力公司基本实现了发电侧、从供电侧及终端侧315kVA及以上大用户的电能自动抄表,全国估计有几十万个采集终端投入应用,成为目前世界发展最快的市场。
2007年部分省市电力公司又重新启动居民用户集中抄表系统工程,中国将至少具有十年的发展黄金时期。
近年来,随着我国住宅产业的高速发展,能源消费计量和管理的需要,以及广大居民生活水平的提高,对建筑智能化水平的要求越来越高,远程抄表系统得到了迅猛发展。
这既是提高能源管理水平的需要,也是电子技术、通信技术和计算机技术迅速发展的必然。
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。
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。
2.9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。
结构方案如图所示:
图2.3结构方案图
第三章华广校园调研
3.1华广概述
华工广州学院校园的平面图如下图所示,图中红色数字标注为学校的配电房位置。
图4华广校园配电房位置图
3.2配电房管理范围
(1)#1号配电房
地点:
B8一楼靠东面
配电范围:
B6行政楼(汽车工程系、机电工程系、电气工程系与电信工程系);
B7、B8:
(汽车工程系实验室、机电工程系实验室、电气工程系实验室与电信工程系实验室)。
(2)#2号配电房
地点:
A1大走廊南楼梯间
配电范围:
B1行政楼(教务处办公室,财务部办公室,院办公室,人事处,珠宝系办公室,经贸与管理工程系系办公室,外语系办公室,华汽星空学生创新中心,学生就业指导中心,招生办公室,后勤管理处,收发室,人事处办公室,学生处,学院电视台,院领导办公室,学院接待室,校园网编辑部,基础部办公室等等);
A1:
所有教室;
B2:
物理实验中心,珠宝加工厂,电工电子实验等等。
(3)#3号配电房
地点:
A2一层;
配电范围:
A2、A3、A4所有教室。
(4)#4号配电房
地点:
A5-109
配电范围:
B4(金工实习地点);
B5(网络及教育技术中心,计算机工程系办公室,广播站,计算机基础实验室,计算机软件实验室,计算机硬件实验室,计算机网络实验室等);
A5所有教室。
(5)#5号配电房
地点:
图书馆地下室。
配电范围:
图书馆
(6)#6号配电房
地点:
C2一层。
配电范围:
第一、二饭堂,C1、C2、C3、C4学生宿舍
(7)#7号配电房
地点:
C5一层。
配电范围:
C5、C6、宾馆、医务室、商铺。
(8)#8号配电房
地点:
第三饭堂背面。
配电范围:
C7、C8、C9、C10,体育中心,第三饭堂。
(9)#9号配电房
地点:
C13平台下。
配电范围:
C11、C12、C13、C14、C15。
(10)#10号配电房
地点:
活动中心。
配电范围:
活动中心。
(11)#11号配电房
地点:
教师公寓D3对面。
配电范围:
教职员工宿舍区D1-D7。
(12)#12号配电房
地点:
C16、C17处
配电范围:
学生宿舍C16、C17,及4饭堂。
(13)#13号配电房
地点:
A6
配电范围:
A6-A10
3.3配表方式
考虑到收费的要求,以及收费明确等方面考虑,使用“一房一表”的配表方式,从而达到一表管一户,不多收也不漏收。
3.4功能分区
根据上面的概况和自己在校园了解,做了以下我认为比较合理的分区。
A区主要为实验室和老师行政楼,B区主要为教室和实验室,C区主要为教室公寓和文科教学楼,D、E、F区主要为学生公寓。
图5系统安装分
第四章华广校园集中抄表系统设计
4.1华广集抄系统的设计图
图4.1系统设计图
4.2系统造价估算
第五章总结
此次课程设计的内容就是GPRS和嵌入式相结合来制作一个远程抄表系统,看似简单但却不那么容易,经过自己在课堂上听陈老师的讲解留下的印象和通过上网查找资料终于把这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,为时将近两周的课程设计内容终于完成了。
我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老师——陈丽丹老师,可以说没有他的细心指导就不会有我的完成任务,也希望今后能多学学怎样做一份像样的课程设计论文,也许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。
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