基于单片机的远程抄表系统设计1+1.docx

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基于单片机的远程抄表系统设计1+1

基于单片机的远程抄表系统设计

摘要：

随着网络和通信技术的不断发展以及人们生活水平的提高，人们对各种资源（例如：

水，电，煤气）的消费日益增长，资源消费的计量、管理和收费工作日益复杂，提高管理层次和自动化水平的产品因此应运而生。

而以往人工方式抄收耗能表，既不能保证数据的准确性和实时性，还会造成大量人力、物力及时间的浪费，同时还带来错抄、漏抄、沽抄的现象。

因此传统人工抄表方式已经越来越不能适应今后住宅的发展需求和人们的生活需求，取而代之的将是是户外的远程抄表系统，这样能够统一抄写集中传送居民水、电、煤气二表数据的远程自动抄表系统的设计与实现就提上了日程。

本文总体结构分为五个部分:

第一部分介绍了抄表系统的研究背景和发展趋势;第二部分分析了系统要实现的基本功能，并在此基础上提出了系统的软硬件设计方案;第三部分具体介绍了自动抄表系统的硬件设计，描述了整个系统的硬件实现过程;第四部分为软件设计，包括整体流程设计、编程实现以及操作系统的移植等;第五部分介绍了数据采集终端的软硬件调试，对调试出现的问题给出解决方案。

论文的最后对工作做了简要的总结。

关键词：

智能抄表系统、远程抄表系统、自动抄表系统、AT89C52

BasedonSCMlong-distancemeterreadingsystemdesign

Abstract：

Alongwiththenetworkandcommunicationtechnologyunceasingdevelopmentandtheimprovementofpeople'slivingstandard,peopleofallkindsofresources（suchaswater,electricity,gas）consumptiongrows,theconsumptionofresources,managementandworkmeasurementfeeincreasinglycomplex,improvethemanagementlevelandthelevelofautomationproductssoarisesatthehistoricmoment.Whereasartificialwaycopyenergydissipationtable,bothneithercanguaranteetheaccuracyofthedataandrealtime,stillcancausehugehuman,materialandwasteoftime,butalsobringthewrongcopy,copy,copyofsellleakagephenomenon.Sothetraditionalartificialmeterreadingwayalreadymoreandcannotadapttothedevelopmentofthefuturehousingdemandandpeople'slivingneeds,insteadoftheoutdoorislong-distancemeterreadingsystem,sothatcantransmitresidentsonunifiedcopyofwater,electricity,gastwotabledataremoteautomaticmeterreadingsystemdesignandimplementationwillcarryontheagenda.

Thisessaygenerallystructureisdividedintofiveparts:

thefirstpartintroducesthemeterreadingsystemresearchbackgroundanddevelopingtrend;Thesecondpartofthesystemareanalyzedtoachievethebasicfunctions,andproposedinthisfoundationthesystemhardwareandsoftwaredesignproject;Thesecondpartofthespecificintroducesautomaticmeterreadingsystemhardwaredesign,describedthewholesystemhardwarerealizationprocess;Thefourthpartforsoftwaredesign,includingtheoverallprocessdesign,programmingrealizationoftheoperatingsystemandtransplantation;Thefifthpartintroducesthehardwareandsoftwareofdataacquisitionterminaldebugging,debuggingtotheproblemsofthesolutionsare.Attheendofthepapertomakeabriefsummaryofthework.

Keywords:

intelligentmeterreadingsystem,long-distancemeterreadingsystem,automaticmeterreadingsystem,AT89C52

目录

第一章引言1

1.1课题研究的相关背景1

1.1.1自动抄表系统的简介1

1.1.2远程自动抄表系统研究的相关背景1

1.1.3传统自动抄表系统2

1.1.4智能远程抄表系统2

1.2国内外研究现状3

1.3选题的目的9

1.4本文的主要研究内容9

第二章系统总体设计10

2.1系统设计原则10

2.2系统总统结构设计10

2.3AT89C52单片机系统性能特点简介13

第三章系统的硬件实现14

3.1系统硬件设计概述16

3.2发讯表的设计19

3.3采集器的设计20

3.4集中器的设计22

3.5数据通信机的设计24

第四章系统的软件实现28

4.1系统软件设计概述29

4.2发讯表的软件设计30

4.3采集器的软件设计32

4.4集中器的软件设计34

4.5数据通信机的软件设计38

第五章系统的运行.50

5.1系统的试验运行50

5.2系统的分析55

第六章总结与展望57

参考文献58

致谢59

附录60

第1章引言

随着网络和通信技术的不断发展以及人们生活水平的提高，人们对各种资源（例如：

水，电，煤气）的消费日益增长，资源消费的计量、管理和收费工作日益复杂，提高管理层次和自动化水平的产品因此应运而生。

而以往人工方式抄收耗能表，既不能保证数据的准确性和实时性，还会造成大量人力、物力及时间的浪费，同时还带来错抄、漏抄、沽抄的现象。

因此传统人工抄表方式已经越来越不能适应今后住宅的发展需求和人们的生活需求，取而代之的将是是户外的远程抄表系统，这样能够统一抄写集中传送居民水、电、煤气二表数据的远程自动抄表系统的设计与实现就提上了日程。

1.1课题研究的相关背景

1.1.1自动抄表系统的简介

现代城市中新建住宅小区中的水、电、煤气等设施通常是统一规划并进行集中管理的，如何高效地进行管理则充分体现了小区智能化程度的高低。

随着水表、电表、暖气表、煤气表（以下简称“三表”）技术的发展，传统的机械式仪表正在被新型电子式仪表取代，在居民住宅小区的建设和改造中得到广泛应用，但是抄表工作依然大部分靠人工上户读取。

根据“三表”统一抄写集中传送的要求，国内外陆续提出了一系列的解决方案，其中就以建立在智能仪表基础上的自动抄表系统特别受人关注。

自动抄表系统，简称AMRS（AutomaticMeterReadingSystem），是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户电表、水表和煤气表的智能化管理系统。

1.1.2远程自动抄表系统研究的相关背景

随着科技的进步、人们生活水平的提升，在智能化小区的管理系统中，三个主要的特征是安全，通信和管理的三个自动化[1]。

耗能表（水表、电表、煤气表）数据的抄收问题是衡量小区管理水平的一个非常重要的问题。

以往耗能表的抄收采用人工上门方式，不能保证数据的准确性和实时性，可能造成估抄、错抄和漏抄的现象，同时也会造成大量的人力、物力及时间上的浪费，给收费人员和住户带来很大的麻烦，甚至是很多没有必要的纷争。

因此远程抄表系统这种既能满足实际要求，又能提高能源管理的自动化水平和现代化水平的设备成为成为了小区“智能化建设”的重要组成部分[2,3,4]。

建设部陆续颁布了《全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则》（试行稿）}[5]和《住宅远传抄表系统》[6]行业标准等一些指导性文件，确立了信息及智能化小区工程建设的总体目标，即:

在先进的计算机技术、通信技术、控制技术及IC卡技术基础上[2，7]，采用系统集成方法，逐步建立一个沟通小区内部住户与住户、住户与小区综合服务中心，住户与外部社会的多媒体综合信息交互网络平台。

鉴于上述情况，建立住宅抄表自动化系统成为当前住宅建筑技术，尤其是智能型建筑中不可缺少的重要组成部分，其具有十分重要的实践意义。

1.1.3传统自动抄表系统

目前，新建住宅小区有的采用了智能卡读表收费系统，它避免了上门抄表，提高了小区安全性。

智能卡表采用先付费再使用的方式，对供水、供电、供气公司而言，解决了上门抄表、帐款回收两大难题:

对用户而言，它改变了目前用了再算的消费观念，起到节约的积极作用。

操作时，用户先将充值卡去小区物业管理处解款，然后再将买水、电、气的储款分别输入智能卡表即可使用。

待表内用量接近用完时，表具有提示功能，但在后期的维护、折旧、服务和运行费用较高，物业管理部门要有专人全天候办理充值业务;对用户而言，先付后用、充值至表内时，需要自己操作，增加了麻烦。

一旦智能卡表内部出现故障或者表内资金用完而用户未注意提示并及时充值，就会关闭表具总阀门，给用户带来极大的不便;对供水、供电、供气公司而言，智能卡表的数据采集是非即时的采集方式，无法及时知道该小区每天的使用量和高低峰时段的变化，不便于及时监控、调度和管理。

1.1.4智能远程抄表系统

智能远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题，不但能够实现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能，还具有通断控制功能（控制中心需取得通断控制的合法权限），同时在系统中增加了各种防护措施，包括防断线、防强磁干扰、防开启等，能够自动检测断线、强磁干扰、非法检修等状态，并由管理中心计算机显示。

此外智能采集器预留多个数字采集端口，可采集住户的若干报警信息并通过软件处理报警信息，为其他系统的集成进入（如安全防护系统）留有接口，具有较强的拓展性。

智能远程抄表系统的优越性在于:

只要有用水、电、气的地方，就需要计费结算，通过集中计费系统，可以在不必进入住户住宅的情况下实现完整、合理的数据采集处理，并降低抄取数据的费用:

由于从读数设备到帐单打印全部采用严密的电子数据传输，避免了人为读数错误，增强用户对计费计算的信任度避免了烦琐的走访式抄表，减少了对用户的干扰。

同时也减少了许多人力成本。

1.2国内外研究现状

近年来，围绕着改善收费管理和提高抄表技术的自动化和智能化水平，人们提出了许多技术方案：

（1）基于AT89C51的远程抄表系统设计远程集中抄表系统主要是由电能表、采集模块、采集终端、集控器、主站（数据处理中心）以及将这些设备连接起来的高效的、可靠的数据传输通信方式组成的系统。

抄表系统分三个层次,最上层为小区中央处理机，用来全面监控;中间层由小区内部局域网（以太网）构成,它构成了数据传送的大通道;最底层为四表数据采集层,由RS485网络构成,完成四表的数据采集,集中并向上位机传送的功能。

本系统中,CPU选用的是AT89C51。

AT89C51根据时钟模块的时间设定,定时向脉冲计数模块发送数据传输命令,收集其电表中的数据,并根据设置好的约定,存储于外部的RAM中,等待上位机的查询,并把没反应过来的上位机的号码记录下来,上传给上位机。

上位机操作中,有定时抄送和随时抄送两种模式:

定时抄送,即上位机根据系统设定的时间,查询各脉冲采集计数模块中的数据;随时抄送,指在某种特殊的情况下,需要单独的对某个用户进行复查等。

在两种模式下,对没有反应的PC机做备份,并发出警告信息。

单片机每隔一定时间通过发送电路依次发出指令至所有采集器,由于每个采集器有唯一的地址码,所以一次只有一个采集器通过比较集控器发送的地址码是否与自己的地址码相符,即一次只有一个采集器发送数据至集控器。

而集控器则负责将所有采集器的数据集中存储至存储器中,并负责将数据通过网络传送至监控中心的计算机,具体是通过单片机实现的。

这样,集控器通过依次发送地址码即可通过接收电路接收所有采集器的数据。

集控器单片机还不断检测中断接收电路中的远端拨号标志信号,若检测到远端拨号标志信号,就把存储器内的数据取出通过网络发送至远端计算机[8]。

（2）基于Proteus的远程抄表系统设计与仿真该远程抄表系统主要是由PC上位机、集控器和采集器三部分组成。

和基于AT89C51的远程抄表系统相类似，本系统的优势在于能使四表数据通过小区内局域网传输。

该系统克服了传统有线抄表方式的弊端，传输数据量大、准确性高、通信费用低。

其基于Proteus技术，组网灵活、易于扩展，使设计与施工的难度和成本得以降低，具有良好的开放性、可靠性和可扩充性[9]。

（3）基于单片机的远程抄表系统的设计该系统的结构由五部分组成：

电能表、采集器、集中器、通信模块和主站计算机。

电能表输出的电信号送入采集器进行电能的计算、累加和存储。

采集器。

用于同时采集多个用户电能表的电量信息，通过电力载波通信将数据传送给集中器。

集中器，能够按照设定的抄表时间，每天自动采集各用户电能表的累计电量，回送主站计算机，及时响应主站计算机的各种通信命令。

通信模块。

通信模块用来实现主站计算机与集中器之间的通信。

通信模块可以是公用电话网、GSM网、GPRS、扩频通信系统和专线等各种方式，选用公用电话网。

主站计算机。

主要是接收集中器传送过来的用户用电量数据，并生成收费表。

可设置电表的各种初始化数据参数，通过主站计算机，管理人员可以随时获取所需要的各种数据和信息，它是系统的人机界面。

这里采集器使用主要器件是AT89C52，是一种带8kbytes的可反复擦写Flash只读存储器的低电压、高性能CMOS8位单片机，具有体积小，成本低，可靠性高的特点。

采用I2C接口串行E2PROMAT24LC04作为非易失性存储器，具有体积小，接口简单，使用寿命长的特点。

与集中器之间采用现有的电力线进行通讯，不用额外布线。

选用ST7537作为电力载波器件，ST7537是CMOS异步半双工电力线调制解调器集成电路，具有接收和发送数据的全部功能，在采集器中它把信息发送到电力线上。

ST7537除了具有数据接收和发送功能外，还具有载波侦听功能，其目的也是为了保证数据准确可靠地传送。

集中器也以AT89C52为核心，通过ST7537接收采集器发送到电力线上的数据，累加存储到RAM，本系统的RAM芯片选用Dalas公司的DS1225Y，该芯片是一种容量为8K×8的SRAM，具有掉电保护功能，能防止意外而导致的数据丢失。

采用了基于电力载波的数据通信技术，实现了远程自动抄表系统的设计。

由于采用电力线作为通信信道，不必另外架设通信电缆，节省了投资。

提高了用电管理水平。

虽然此种方式有明显的优点，但并没有在我国得到广泛地使用，主要是因为关键技术不能解决。

目前我国住宅小区使用的是低压电力网，低压电力网由于频率低，通道特性不具备一般性。

即不同线路的特性差异很大或线路信道具有时变性，而且线路噪声功率较其它线路大，所以在这样的通道上实现常规的窄带传输比较困难。

其缺点主要表现为:

l）电网在传输数据过程中，经常受到无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错码、丢码。

2）家用电器启动时瞬间电压极大，产生许多脉冲信号，这些干扰信号叠加在电网上，造成数据与原表的误差。

3）传输距离有限。

由于配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，电力载波信号只能在一个配电变压区域范围内传递，数据传输距离受到限制[10,16]。

（4）小区智能抄表系统设计系统的基本工作原理是利用电子技术和网络技术，对传统电表、水表、燃气表加以改进，使其成为可以组网的网络型仪表，通过数据采集器与上位机组网实现智能抄表。

本系统共包括4个组成部分:

现场采集仪表、数据采集器、红外抄表、信息管理器〔即上位机部分）。

1.现场采集仪表:

采集水、电、煤气的实际用量。

2.数据采集显示器:

数据采集器是以单片微机为核心的数据采集装置，用于采集前端仪表输出数据、实时数据存储、与上位机通讯，一般一台数据采集器可以挂20台以上的水电表，一般情况下数据采集器安装在每个楼洞的入口出，方便用户实时查看。

为保障系统的安全性及可靠性，数据采集器应具有数据存储功能。

3.红外无线抄表:

当网络系统故障或者其它原因导致数据无法实时上传的时候，可以用红外抄表仪对数据采集器进行抄表。

此是一备用功能，平时不用。

4.上位机:

使用之前，要首先在上位机上安装相关的软件，上位机就是整个系统的信息管理站，它安装在物业管理中心处。

通过软件，管理人员可根据系统密码的权限随时查询小区各个住户的水、电、煤气实时及历史使用情况，也可通过门牌号、用户姓名等多种方式查询某个指定用户的能源使用费用。

在必要的时候可以利用小区智能布线，连接煤气泄漏报替系统同时工作，一旦有泄漏情况，立即报替，同时采取紧急措施，在监控中心找出泄漏点，并及时请维修人员进行维修[11]。

（5）远程电力抄表系统-数据采集部分主要是用多功能电能表负责完成累计电量、定时采集存储电量、接收集中器的下发命令并予以响应、上传相关数据给集中器等工作，在整个远程电力抄表系统中，对数据的要求主要是:

计量准确、存储稳定、传输正确。

采用电能计量集成电路ADE7755，ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求，ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性[12]。

（6）远程电力抄表系统--集中器的设计与研制.集中器接受后台管理系统的控制指令，然后将用户载波电度表采集的信息保存并传送到集中器，再由各集中器上传数据到后台管理系统的活动，集中器主要由以下几大功能模块组成:

时钟模块;大型存储单元;电力线载波通讯;电话通讯;RS485通讯;RS232通讯;主控单元。

时钟模块采用硬时钟和超级电容供电，使系统的时间误差<15/天，连续停电一周，时钟系统依旧正常工作。

大型存储单元可以存储多达1024个用户，三个月结算电量和1周的日冻结电量。

关键

参数存储在铁电芯片中，数据永不丢失。

电力线载波通讯采用高科技技术，通过电力线载波传输数据，三相独立、互不干扰，实现远程通讯的功能。

电话通讯:

内置Modem向用户提供最廉价的远程通讯方式，实现远方的数据采集和控制。

RS485通讯:

实现多个集中器的统一运行和管理，确保多台变压器在其可以独立运行又可以并联运行时的集中器的管理。

同时也可以实现多个集中器共享一个电话线与后台通讯的功能。

RS232通讯:

用于施工时的现场调试工作，也可以供用户采用其他通讯方式时的接口。

确保系统通讯的灵活性。

要实现集中器的综合控制，就必须要有装置能够对前面的各个基本部件所获得的信号进行汇总和分析，协调各装置之间的工作，保证集中器安全、可靠、精确的运行。

另外，还要实现信息、数据的收集和上报，便于管理与决策[13]。

（7）远程无线抄表系统设计远程无线自动抄表方式采用无线通信技术和计算机网络技术等自动获取、处理用户用电信息。

其具备有线抄表的优点，另外还能降低组网成本和网络维护难度，提高抄表的准确性和实时性，使管理部门能及时准确地获得用户数据。

随着无线通信技术的不断发展，市场上出现了许多面向抄表系统的无线解决方案。

目前比较流行的几种是:

基于点对点无线数传模块、基于GPRs/cDMA数字蜂窝网络、基于无线局域网技术或者是其中几种方式的组合。

远程无线自动抄表方式主要有以下优点：

1）工作效率高，远程抄表系统以精确的构思，解决了管理部门与用户之间的矛盾。

2）系统维护方便、升级容易。

若需要更换网络中设备，只要在更换后通过微机重新设置有关参数即可，无需变动现场其它硬件及参数，整个操作仅需几分钟。

3）可实现实时采集数据。

管理中心计算机实时调用或定时将分散于各地的集中器数据采集并汇总绘制成图表，从而实现远程自动抄表。

4）可为居民提供公平、透明的消费平台，5）可实现远程管理控制。

可以随时监测用户表具运行状况，能及时发现表具故障。

然而，远程无线自动抄表方式也存在一些不足，使它没有大范围的推广开来，比如:

l）采用点对点无线数传模块的远程抄表系统组网规模有限，网络结构单一，对中心节点的依赖程度太高。

一旦中心节点出现故障，会造成整个网络的瘫痪。

2）采用GPRS/CDMA数字蜂窝网络的远程抄表系统组网成本太高，并且网络运行过程中会产生高昂的数据通信费用[14]。

（8）远程自动抄表系统设计采用了嵌入式系统[15]、以太网通讯技术和RS485总线技术相结合的方式，构建了远程自动抄表系统。

系统主要包括数据采集终端和集中控制器两部分，通过RS485总线把两者构建成为一个分布式控制系统，来实现数据的采集传输和系统控制。

其中以单片机为核心的数据采集终端负责水、电、煤气三表数据的采集、存储、显示；以ARM为核心的集中控制器通过RS485总线抄收各数据采集终端的数据，并且通过以太网将集中后的数据上报给物业公司的计算机以便进行统计结算[16]。

以太网以其高度灵活、易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建网技术。

RS485是一种串行总线接口标准，RS485总线的传输介质采用双绞线，可以高速地进行远距离传输。

它是以差分平衡方式传输信号，所以具有很强的抗共模干扰能力，总线收发器灵敏度很高。

在MCU之间中长距离通信的诸多方案中，RS485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、小区监控等领域。

（9）智能远程抄表系统的设计与开发系统由五部分组成:

发讯燃气表、数据采集器、数据集中器、数据通信机和管理中心计算机。

其中管理中心计算机属于上位机，其余设备属于下位机。

系统各部分之间的通信信道主要包括管理中心计算机与数据通信机的通信信道、数据通信机与数据集中器的通信信道和数据集中器与大数据采集器的通信信道，即所谓的分布式体系结构。

这种体系结构分上下两层:

上层（管理中心计算机与数据通信机之间）数据的通信采用星型结构;底层（数据通信机与数据集中器、数据集中器与数据采集器之间）数据的采集采用总线型结构。

一般的远程抄表系统没