基于单片机的电表自动抄表系统设计.docx
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基于单片机的电表自动抄表系统设计
摘要
语智能抄表系统是利用当代微机技术、数字通讯技术及计量技术完美结合，集能耗计量、数据采集、数据处理于一体，将城市居民能耗信息及综合处理相结合系统。
该系统使公用事业部门及物业管理部门从根本上减轻人工上门抄表繁杂劳动。
准确而便捷收费系统，既可节省人力，又可减少相关事业部门及客户之间纠纷，不但能提高管理部门工作效率，也适应了现代用户对缴费新需求。
本文充分利用了居民住宅现有电表资源和通讯资源，借助RS-485通讯便利，建立了集底层电表层、中层数据集中层以及上层上位机人机界面管理一体智能远程抄表系统。
该系统选用了单片机作为中央处理单元，具有硬件简单、功能强大、可移植性强、安装及维护方便、环境适应能力强、成本较低等特点。
但是，由于条件和测试手段限制，本系统还需要在实用环境进行检验，针对使用过程中出现硬件和软件问题来进行系统升级，最终实现硬件和软件固化，形成比较成熟抄表系统产品。
虽然论文作了大量研究设计工作，但整个远程抄表系统设计是一个相当大系统工程，由于时间和条件限制，论文只作了其中一部分研究工作，仍存在一些问题需要今后去研究解决。
随着技术工作者不断努力，不久就会有更趋完善方案出现。
本文提供了一种基于GPRS网络电表远程自动抄表系统设计原理和实现方案，简要介绍了GPRS技术基本知识，描述了GPRS无线传输应用于电表远程抄表实现方法。
通过实际应用，获得了理想效果。
关键词：
GPRS；DTU；Internet；电表
引言
在电力抄表系统中，很多必须无人值守设备或监测点，不适合搭建有线通讯网络。
若采用光纤或电台方式实现无线通讯，不仅设备投入耗资巨大，而且不适应移动需要。
随着新一代移动通讯业务产生和全面投入，无线移动数据通讯应用也越来越广泛。
安全数据传输和永远在线特点，配合按流量收费资费方式，使GPRS通讯在工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等行业中应用具有无可比拟性价比优势。
采用GPRS无线通讯网络移动IP通讯，既可独立作为数传通道，也可作为已经架设光纤、数传电台等方式辅助手段。
GPRS电表远程抄表系统由电度表、带GPRS通讯终端采集器和服务器组成。
采集器实时采集用户用电数据，通过GPRS网络把数据汇集到服务器。
具有采集数据快速准确，能快速生成用电统计分析,交费单据等特点，及传统人工抄表、电话线抄表相比，极大地提高了效率。
本系统提供丰富接口，可及电业系统MIS系统链接或进行二次开发。
抄表软件系统数据库为ORACLE数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT操作系统，易于使用。
软件所能管理用户数量没有限制。
第一章系统组成
本系统由带系统软件主站、厦门宇能YN2100GPRSDTU传输终端、采集器及电度表组成。
手持终端是本系统补充，在系统出现意外时进行人工抄表。
1.1数据中心主站
运行集中抄表系统计算机（服务器或PC机）称为主站，主站通过宽带网络及终端DTU相连。
中心提供互联网IP地址及互联网出口（端口）。
一、 数据中心主站
运行集中抄表系统计算机（服务器或PC机）称为主站，主站通过宽带网络及终端DTU相连。
中心提供互联网IP地址及互联网出口（端口）。
1.中心条件
首先用一台能上网PC机，条件必须能让外网访问到，如运行中心软件PC机在局域网里面，则要在局域网路由器做端口映射到本机PC，等这些条件具备之后在本机运行一个中心DEMO，开放一个端口，运行软件等待DTU连接。
2.系统软件
抄表系统核心部分是系统软件，它遵循DL/T645部标通讯规约，并有扩展性。
抄表软件系统数据库为ORACLE数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT操作系统，易于使用。
软件所能管理用户数量没有限制。
3.系统功能及特点有：
（一）安全可靠：
安全性由三方面构成：
第一，ORACLE数据库是大型、多用户数据库，它安全性高，允许多用户同时使用同一数据库而不会破坏完整性，用它来做抄表系统数据引擎可以保证数据安全；第二，系统对用户实现分级授权管理功能，通过检查使用者名字和授权密码，赋予使用者相应操作权，借鉴银行系统密码管理模式限制无关人员改变数据库和硬件设置。
第三，防火墙功能及完善数据备份功能，防备系统受到人为恶意攻击，数据备份功能确保在硬件系统故障时，也能随时在新硬件设备上数据无丢失地启动抄表系统。
（二）完善系统日志：
系统日志记录了进入系统，离开系统，收费，设置硬件，改变运行参数操作等及操作者，操作时间，凡是改变数据库操作都被记录下来。
（三）抄表速度快：
抄表快、数据准确，抄表时PC机只读采集器数据，数据传输采用1200波特率，传输速度快，并对每个数据块都有效验码，保证了传输准确性。
（四）广播对时功能：
该功能使得系统中所有电能表时间基准及PC机保持一致，对时成功后，由电池供电电能表内部时钟，不再需要PC机干预。
因此，只要保证在对时时刻，PC机时间是正确，以后在运行过程中，改变PC机时钟并不会影响电能表时间。
（五）自动抄表功能：
按照设置抄表开始时间和抄表间隔，到预定抄表时刻，系统便会依次主动发起去抄采集器或电表内数据。
对于抄不上数据，系统会自动补抄或人工发命令补抄。
（六）电量冻结功能：
可以方便地定义总表，安装和删除总表，给总表分配分表。
通过安装适当总表，结合抄冻结数据功能，就可得某一特定时刻总表读数，各分表读数（由此得到读数和），就可以计算出某部分电路电能损耗，为确定电费提供依据。
（七）电费管理功能：
收电费前，统一抄录一次电费数据。
当确保数据库内数据反映最近电表读数后，利用程序中功能自动计算出当月用电量和电费。
交纳电费时，只需输入用户号，当月用电量和电费由程序填写。
每笔电费都有详细记录，便于对帐。
（八）设备管理功能，如告警：
开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警、倾斜或移动报警等；控制：
对欠费用户进行拉闸等。
并提供停电数据保护功能，在停电48--72小时内仍可抄表和监控。
本系统结合移动公司短信平台，在告警时，可根据具体内容发短信给相关管理人员。
本系统适应范围广泛，单相版软件可用于小区管理，网络版软件可用于供电公司实现一座城市或地区用电管理
第二章产品功能
1.透明数据传输及协议转换；
2.支持虚拟数据专用网APN；
3.可向1～5个中心同时发送数据（固定IP或动态域名地址）；
4.支持点对点、点对多点、多点对多点对等数据传输；
5.短消息数据备用通道；
6.可兼容组态软件；
7.支持多种电力通讯规约；
8.根据用户特殊需求定制；
9.通过串口进行软件升级；
10.支持图形界面远程配置及维护；
11.自诊断及串口告警输出；
12.全隔离RS485接口设计，支持1200～115200通信波特率；
13.EMC抗干扰设计，适合电磁恶劣环境应用；
14适应低温和高温工作环境；
3技术参数
◆所选模块
工业级模块
◆外型尺寸
90x57x22mm（不含接口及天线）
◆重量
300g
工作环境
◆模块工作温度
-30°C～75°C
◆器件工作温度
－40°C～85°C
◆湿度范围
0－95%，非冷凝
◆储存温度
－40°C～85°C
电源
◆电压范围
DC5V～16V
◆标准电源
DC5V/1000mA
◆功耗
通信时平均电流100mA@+5VDC
空闲时35mA@+5VDC
接口
◆天线接口
50Ω/SMA阴头
◆接收灵敏度
-104dbm
◆SIM卡
3V/5V
◆用户数据接口
RS485（工业级3.81mm插座）
DTU在应用之前首先要进行设置，通过光盘配套参数配置软件设置好数据中心IP和端口及其它参数设置，设置好之后串口和采集器串口对接，DTU上电之后根据事先设置好中心IP和端口进行连接，成功连接到中心软件后即可双向透明传输数据。
第三章抄表方法
根据抄表对象不同我们设计以下三种抄表模式
3.1居民用户抄表系统
1、电表：
1.0级单相静止式（电子式）电度表，具有光耦脉冲输出功能。
2、采集器：
：
（1）24个I/O口，可带24户电度表
（2）停电数据保护
（3）带后备电源，停电后仍可抄表
3、抄表内容：
（1）电量
（2）其他
4、抄表形式：
（1）自动抄表
（2）定时上报
（3）实时查询
5、告警内容：
（1）开箱告警
（2）停电告警
1、可增加远程控制拉闸功能，电能表要增加内置继电器。
2、技术指标：
（1）系统容量：
采集器容量：
最多接24块电表；系统容量：
原则上不受限制，实际可根据需要和主站电脑容量确定；
（2）通信距离：
采集器及电表：
采用双芯多股线，对于机械表，距离≤500m；对于电子式电表，距离≤50m。
主站及采集器：
采用GPRS网络作为通信介质，距离不受限制；（3）通信成功率:
主站及采集器之间，采用基于可靠连接TCP/IP协议，通信成功率为100%。
3.2大集团用户抄表系统
1、电表：
A）三相有功无功多功能表，有功0.5级、无功2级，具有RS485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约；
B）三相有功复费率表，有功1级，具有RS-485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约，实现电能量（有功、无功）计量和功率因数、电压、电流、频率等参数测量；
2、采集器：
（1）带一个及终端通讯RS485接口，三个用于报警监测开关量输入口和三个用于远程控制模拟量输出口；
（2）支持部标通信规约；
（3）停电数据保护；
（4）控制输出（用于远程控制拉闸或其他功能）；
（5）带后备电源，停电后仍可抄表；
第四章系统功能
（1）设置电能表参数，读取各种计量和管理数据；
（2）抄表数据统计、查询、备份、报表、图表生成；
（3）厂站管理；
（4）自动抄表、定时上报、实时查询等；
（5）掉电数据保存；
（6）瞬时量数据综合处理；
（7）系统数据备份、存档和向外输出数据；
（8）历史数据事件记录功能；
（9）实时报警；
（10）根据线路上表计关系计算线路损耗；
（11）可提供多路模拟量、开关量输入，实现开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过压告警、过流告警、过载告警、倾斜或移动报警等其他功能；
（12）远程控制断电功能；
（13）采集参数丰富，如：
◆当前、上月、正向有功、反向有功、无功四象限总及尖、峰、平、谷四费率电量；
◆正向、反向、有功、无功最大需量及最大需量发生时间；
◆有功功率、无功功率、三相电压、三相电流、功率因数；
◆感想失压累计次数、失压累计时间、集抄器停电起止时间等；
◆单位时间负荷曲线、三相电流曲线、三相电压曲线、有功功率曲线、无功功率曲线、功率因数曲线；
第五章技术指标
（1）系统容量：
采集器容量：
最多接255块电表；系统容量：
原则上不受限制每表一号，实际可根据需要和主站电脑容量确定；
（2）通信距离：
采集器及电表：
采用RS485接口及屏蔽双绞线，距离≤500m。
主站及采集器：
采用无线网络作为通信介质，距离不受限制；
（3）通信成功率:
主站及YN2100GPRSDTU之间，采用基于可靠连接TCP/IP协议，通信成功率为100%；
（4）完全符合IEC1107标准及国电公司DL/T645《多功能电能表通讯规约》；
（5）工作电源：
交流220V±20%，50Hz；
（6）通信速率：
1200bps～33.6kbps；
（7）采集器功耗：
≤1.5W
（8）工作环境条件：
温度：
-10℃～50℃，相对湿度：
≤90%；
（9）耐压强度：
2KV；绝缘电阻：
2M欧姆；
（10）电表数据抄收率、可靠性和读数准确率达到100%。
第六章变电站抄表系统
1、电表：
三相有功无功多功能表。
2、采集器：
（1）带一个RS485通讯口，三个开关量和三个模拟量；
（2）支持部标通信规约；
（3）停电数据保护；
（4）控制输出；
（5）带后备电源，停电后仍可抄表。
3、抄表内容
（1）电压、电流；
（2）有功正、反向分时电量；无功四象限分时电量；
（3）有功正、反向分时最大需量及发生时间；
（4）无功正、反向分时最大需量及发生时间；
（5）断相时间、次数及断相期间用电量；
（6）负荷曲线。
4、抄表形式
（1）自动抄表；
（2）定时上报；
（3）实时查询。
5、告警内容：
（1）开箱告警；
（2）停电告警；
（3）逆相告警；
（4）超温告警；
（5）过压告警；
（6）过流告警；
（7）过载告警；
（8）倾斜或移动报警等其他功能。
6、技术指标
（1）系统容量：
采集器容量：
最多接255块电表；系统容量：
原则上不受限制每表一号，实际可根据需要和主站电脑容量确定；
（2）通信距离：
采集器及电表：
采用RS-485接口及屏蔽双绞线，距离≤500m。
主站及采集器：
采用GPRS网络作为通信介质，距离不受限制；
（3）通信成功率:
主站及采集器之间，采用基于可靠连接TCP/IP协议，通信成功率为100%。
第七章组网实施
图7.1系统结构
方案一
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务。
此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP。
DTU直接向中心发起连接。
运行可靠稳定，推荐此种方案。
方案二
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务。
客户先及DNS服务商联系开通动态域名，DTU先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。
此种方式可以大大节约公网固定IP费用，但稳定性受制于DNS服务器稳定，所以要寻找可靠DNS服务商。
此种方案适合小规模应用。
方案三
中心采用APN专线，所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2MAPN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN及移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。
为客户分配专用APN，普通用户不得申请该APN。
用于GPRS专网SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户进入。
用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。
只有通过认证用户才允许接入，用以保证用户内部安全。
用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证用户分配用户内部地址。
移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能泄漏。
双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。
此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高应用环境。
在资金允许情况下之最佳组网方式。
业务流程
GPRS专网系统终端上网登录服务器平台流程为：
1）用户发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配专网APN；
2）根据请求中APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到及企业服务器平台连接GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；
3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证；
4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；
5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址确认信息；
6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。
第八章系统安全
在系统安全方面，本公司除了采用大型、多用户ORACLE数据库、系统对用户实现分级授权管理和提供防火墙功能及完善数据备份功能外，对GPRS网络无线数据监控中心还提供了安全技术解决方案，以确保数据安全可靠。
8.1 IP过滤技术
由于监控中心服务于GPRS子网用户，所有访问客户IP必为GPRS子网内IP，即所有用户必须通过VPDN才可能访问该服务器。
因此，我们在系统中采用了IP过滤技术，对所有接受数据包进行过滤，抛弃掉所有非法IP数据报。
这一过程就好像将系统置身于CMNET防火墙保护之下，所有非法用户只有先穿过了VPDN安全防护才有可能访问到本系统，但对于安全措施非常强大VPDN网络来说，这将是非常困难。
8.2身分授权和密码认证体系
采用IP过滤技术尽管可以防止一些非VPDN网段用户侵袭，但由于系统处于GPRS子网以外，IP过滤只能起到简单安全防护，对于那些利用IP伪装技术非法用户则无法识别。
由于该系统是专业化服务系统，访问客户是预先确定，利用这一特点，我们在系统中采用了用户ID和密码验证技术，系统中存储了有所客户端MAC地址以及密码，对通过了IP过滤数据包，再验证其ID号和密码。
对于该系统以外非法用户，获取合法MAC地址和密码将十分困难，所以这一步极大可能地增加了系统安全性。
8.3 数据安全加密通道
系统采用标准SSL数据安全通讯协议在客户端和服务器端建立加密数据通道，保证私有数据传输安全性；系统在应用层植入高可靠性加密算法，使得数据在任何网络出错时都可以得到保证高可靠性；采用MD5算法产生“报文摘要”已实现对所有发送报文数字签名，保证了数据传输过程中完整性，防止数据被篡改。
第九章抄表系统管理软件设计
电表远程抄表系统管理软件是运行在物业管理中心计算机上，对整个系统进行管理软件。
主站是远程抄表系统数据处理中心，处于系统最高层。
在集中器、采集器协助下通过网络接口负责完成设备管理、用户管理、电量抄收以及报表打印等功能。
9．1系统要求及功能结构
1．自动抄表
能够实时、定时自动地抄录前端电表读数，随时了解住户使用情况，便于计算和收费管理。
2．预置参数和通讯测试
能够对某一块电表预先设置参数，如电表读数、状态、编号等，也能够对所有电表预先设置读数值；能够自动测试系统计算机及前端任何一个住户采集器之间通讯是否正常。
3．住户信息管理
能够查询住户信息，并对用户信息进行添加、修改、删除、统计等操作。
4．收费信息管理
能够查询所有住户用电信息，包括住户历史用电量、当月用电量，价格可以统一设定，也可以单独设定。
并对这些信息进行添加、修改、删除等操作。
5．自动报表生成
能够根据住户当月用水情况，自动生成住户当月报表，并打印相关单据。
6．系统用户分级管理
对软件系统用户实行分级管理，分别赋予三种不同权限：
一般用户只有查询信息权限；一般管理员除了查询信息权限外，还有部分抄表管理和通信管理权限；只有系统那个管理员才具有系统管理、信息管理、抄表管理和通信管理等全部权限。
自动抄表管理软件系统逻辑框图如图5．1所示
图5．1系统逻辑框图
9.2Client／Server结构
在管理软件开发中，采用了客户机／服务器系统结构模式，即C／S（Client／Server）结构。
客户／服务器是一个开放体系结构，使得数据库不仅要支持开放性，而且还要开放系统本身，这种开放性包括用户界面、软硬件平台和网络协议【32】。
利用开放性在客户机一侧提供应用程序接口（API）及网络连接，使用户仍可按照他们熟悉流行方式开发客户机应用。
在服务器一侧，对核心RDBMS功能调用，网络接口满足数据完整性、保密性及故障恢复等要求。
有了开放性数据库服务器能支持多种网络协议，运行不同厂商开发工具。
而对于某一个应用开发工具也可以在不同数据库服务器上运行，存取不同数据源中数据，MIS系统开发提供了极大灵活性。
从技术上看，C／S结构是一个逻辑概念，它是指一个计算机应用大任务适当分解成多个任务，由客户和服务器分别执行，体现是“CLIENT请求／SERVER响应”处理模式。
C／S结构作为一种技术方法，有如下特点：
·共享资源：
一个服务器可在同一时刻对多个客户服务
·请求及服务：
客户根据需要向服务器提出请求，服务器根据客户请求完成
必要处理，并把处理结果返回客户
·基于消息交换：
客户和服务器是相对独体系统，只有客户提出请求，两
者才关联。
·不对称协议：
CLIENT／SERVER结构中，CLIENT及SERVER之间存在一种
一对多关系。
一般来说，CLIENT通过请求SERVER主动对话，SERVER则是被动地等待请求。
·服务封装：
一种消息告诉SERVER所请求服务，由SERVER决定如何完成这项作业，只要发布消息接口没有变化，SERVER版本升级对CLIEVT就没有任何影响。
·可扩展性：
CLIENT／SERVER系统可以水平或垂直地扩展。
水平扩展是指添加或移除CLIENT对系统影响；垂直扩展指移植到更大或更快SERVER机器上或多台SERVER上。
·混合及匹配：
理想CLIENT／SERVER软件应独立于硬件或操作系统软件平台，应能够混合和匹配CLIENT和SERVER。
正是由于C／S有上述技术特征和应用优势，所以构造分布式系统时C／S称为一种很好方式，可以根据具体情况制定整个软件系统体系结构。
9.3SOLServer数据库
SQLSo'ver是微软公司推出客户／服务器型（client．server）关系数据库（relationaldatabase）管理系统。
它主要职责是存储数据和提供一套方法来管理这些数据，来应付来自client连接和数据存取需求。
SQLServer除了支持传统关系型数据库对象（如数据库、表）和特性（如表join）外，也支持先进关系型数据库常用对象如存储过程（storedprocedure）、视图（view）等。
此外，它还支持目前关系型数据库必定要支持标准查询语言
SQL（StructuredQueryLanguage）。
SQLServer另外一个重要特点是它支持数据库复制（replication）功能，也就是当你在一个数据库上执行更新时，可以将其更新结果传到远程SQLServer相同数据库上，使两者数据保持同步。
9.4用VisuaIC++开发SOLServer
目前利用VisualC++开发SQLServer数据库应用主要方法有ODBC和DAO。
在设计中，我们采用是ODBC（opIenDataBaseConnectivity）一开放式数据库互联。
SQLServer支持ODBCAPI，应用程序可以通过这些ODBCAPI来实现及SQLServer数据库连接，并向SQLServer数据库提交操作请求，数据库处理请求后将结果返回给客户端应用，从而实现了客户端应用程序同服务器端SQLServer数据库交互。
图5．2是VisualC++开发SQLServer应用示意图。
图5.2数据库
9.5数据库系统设计原则
本文研究小区智能化终端抄表系统是一个面向物业抄表、收费、事务处理等功能、多流程管理性MIS系统。
系统以自动抄表为核心，兼顾物业多项事务管理，故需要符合如下系统数据库设计原则：
1．系统数据库设计考虑应用普遍性，并根据系统运行实际需求建立相关信息管理数据表。
2．应尽可能减小数据冗余、建立合理、方便、全面数据索引，以提高检索查询速度，同时应保证所建立数据库能够降低程序复杂程度。
3．由于各数据表之间关系密切，系统中只建立一个数据库，所有数据表都包含在这个数据库中。
9.6Autometer数据库设计
根据SQLServer数据库系统结构和自动抄表管理软件数据内容，可得到
图5
升级会员 