基于嵌入式系统的远程抄表课程设计.docx

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基于嵌入式系统的远程抄表课程设计

目录

第一章绪论1

第二章GPRS简介及远程抄表系统2

2.1GPRS简介2

2.2远程抄表系统3

第三章系统设计原理及实现方案5

3.1系统总体结构5

3.2硬件结构5

3.3软件结构6

3.4同类方案对比7

第四章系统方案论证8

4.1监控站通信模块8

4.2数据存储管理8

4.3人机接口模块9

4.4与采集终端通信模块9

4.5方案优点9

4.6系统组成10

第五章心得体会11

附录12

参考文献12

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

2.1GPRS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

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

2.2.1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。

2.2.2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60minl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60min1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。

3.4.3GPRS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