Mobitex无线抄表器的设计.docx
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Mobitex无线抄表器的设计
摘要
针对电力远程抄表系统对数据可靠性和实时性的要求，提出了一种基于Mobitex无线通信技术的电力远程抄表系统。
Mobitex是一种专用无线数据网络。
它以蜂窝技术位基础，尊循MASC（MobitexAsynchronousCommunicationProtocol）协议，使用分组交换来实现最高效率，在窄带无线数据通信领域中处于世界领先地位。
本文详细介绍了该抄表系统的工作原理以及软、硬件结构设计。
该系统采用M3000无线通信模块，通过Mobitex无线数据专用网络实现对数据的实时采集和传输。
具有传输稳定，可靠性高、实时性强等特点，完全能够满足电力远程抄表系统的需求，有着很好的市场应用和推广前景。
关键词：
Mobitex；远程抄表；MASC协议；M3000；系统设计
Abstract
Inviewoftherequestofelectricremotemeterreadingsystemtodatareliabilityandreal-time,anelectricremotemeterreadingsystembasedontheMobitexwirelesscommunicationtechnologyispresented.
Mobitexisaspecialwirelessdatacommunicationnetwork.Itbasesonthehoneycombtechnique,andfollowstheMASC（MobitexAsynchronousCommunicationProtocol）protocol.Itachievesthefirst-rateefficiencybygroupingswitching,andidadvancedinthenarrowbandwirelessdatacommunicationdomainintheword.
Theoperatingprincipleofthesystemandthedesignofsoftwareandhardwarestructureisexplainedindetail.ThissystemadoptstheM3000wirelesscommunicationconsists.Itrealizesthedatareal-timegatheringandthetransmissionbyMobitexwirelessdataspecialnetwork.Ithasthecharacteristicsofsteadytransmission,highreliabilityandstrongreal-time,thusitcansatisfytheneedsofelectricremotemeterreadingsystemcompletely,andthereisaverygoodmarketforeground.
Keywords：
Mobitex;meterreadingsystem;MASC;M3000；meterreadingsoftware；meterreadinghardware
第一章绪论
1.1无线抄表系统的概述
无线抄表系统是当代微电子技术、智能仪器、通信、计算机技术等多项专业范围内先进技术的集成。
是为提高供电部门现代化管理的水平，近年来逐步发展起来的一项新兴技术。
它以全自动的抄表收费方式取代了传统的人工抄表收费方式，实时采集信息，对数据实现统一管理、集中存储，极大地提高了工作效率和计量的准确率；它将计算机网络和营业管理系统有机的结合，对用电状况进行监控和管理，给有关管理部门提供的各种信息进行收费与统计分析，并可以与银行计算机联网，实现银行票据自动划拨，有效地确保企业及用户的合法权益，方便用户，降低企业的经营成本，提高了企业管理的科技水平和经济效益，使管理更科学，更可靠，为有关部门的决策提供依据，它是今后抄表技术的发展方向。
1.2抄表器的几种常用通信技术
1.2.1电力线载波通信
电力线载波通信，是将信息调制为高频信号（一般为50～500kHz）并叠加在电力线路上进行通信的技术。
其优势是利用电力线作为通信信道，不必另外铺设通信信道，大大节省投资，维护工作量少，可灵活实现“即插即用”。
目前，国内10KV以上电压等级的高压电力线载波技术已经较成熟，但低压电力网络上的载波通信还未能达到令人满意的水平，这在一定程度上制约了电能计量自动抄表技术在我国的实际应用。
1.2.2无线扩频通信
扩频技术是一种无线通信方式，把发送的信息转换为数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号，以扩展信号的频谱，通过相关接收，用相同的频码序列解扩，最后经信息解调，恢复出原始信息。
扩频通信距离一般可达几十千米，其最大的优点在于抗干扰能力较强，因此具有较强的安全保密性。
扩频技术在电能计量自动抄表系统的典型应用方式是：
采集器通过电力线载波把数据传至集中器，再由设置在集中器附近的扩频电台把数据发送给中央处理站的接收电台。
1.2.3复合通信
在应用于电能计量自动抄表系统中的所有通信模式中，各种通信模式都有优缺点，任何一种采用单一通信技术的方案均很难完全满足需要。
为解决这类矛盾，提出了复合通信方案。
复合通信方案是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式，组成实现电能自动抄表的复合通信网络。
在数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段（电能表到采集器，采集器到集中器），可以采用如红外、低压电力线载波甚至点对点的通信方式；而在集中器到中央处理站段，则可采用电缆、电话线或无线通信等。
选择什么样的复合方式，需根据实际情况统筹考虑。
混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰，这其中涉及到运筹学、最优规划等方面的研究与设计。
1.3本文主要工作及内容安排
本篇文章主要是在现有的电力抄表系统的基础上，又介绍了新的抄表方式，运用更可靠更廉价的网络系统对分散的电表进行抄表。
第一章简单的介绍了无线抄表系统的形成及实用价值，同时介绍了抄表器的几种常用通信技术。
第二章主要介绍了Mobitex技术原理及应用，技术原理从网络结构、OSI系统模型、MASC协议、MPAK协议几方面进行了介绍，后介绍了Mobitex无线抄表在电力系统中的应用，Mobitex无线抄表系统主要由前端采集子系统、通信子系统和中心处理子系统等三部分组成。
第三章先对Mobitex无线抄表器硬件构成图进行了说明，再进一步介绍了硬件的各主要模块的结构、功能及作用，主要模块有主控模块、通信模块、时钟模块、存储模块、看门狗模块。
第四章介绍了抄表系统软件设计，将无线抄表系统的软件划分为三大模块:
数据采集模块，设置控制模块，数据处理模块；同时介绍了Modem的软件设计，主要研究了通信模块部分的软件设计。
第五章就本文所做的主要工作进行了简单的总结。
第二章Mobitex技术原理及应用
2.1Mobitex技术概述
2.1.1系统概要
Mobitex是由爱立信公司推出的，它频道有12.5KHZ带宽，支持8kb/s传输速率的无线窄带双向数据传输网，它采用分组交换方式的专用无线数据传输系统，频谱利用率高、信息传送安全快捷，已用于医疗急救、火灾抢险、交通疏导、警察执勤、车辆跟踪及各领域的企业运营中，提供无线数据传输服务。
目前全球基于Mobitex的网络已有30个，其专业用户已达120万。
Mobitex是一个开放系统，支持基于IP的移动数据应用，为数据传输提供了高安全性和可靠性环境，它具有很好的灵活性和健壮性，在确保危机时刻通信重要性的意识越来越高的今天，Mobitex网络无干扰的通信，在911恐怖袭击、地震、洪水和其他灾难中，都得到了证明。
2.1.2网络结构
Mobitex为在移动终端之间传输移动无线数据提供了一种安全可靠的方法，它采用分层交换机和基站来路由用户之间的数据包，主要由网络控制中心（NNC）、主交换机（MHX）、区域交换机（MOX）、基站（BSS）和通信终端组成。
如图2-1所示。
网络控制中心（NNC）用于网络的配置、控制、管理、监视和操作，同时它也提供通信量和告警的统计功能；主交换机（MHX）路由区域交换机间的通信量，并且提供网络与网络控制中心的连接；区域交换机（MOX）为连接在其上的无线基站和固定终端提供包交换，并且提供Mobitex和其他网络（如X.25网络）的连接功能；基站（BSS）是移动终端的接入点，它路由在其覆盖范围内的终端流量，实现终端间的通信；通信终端就是各种固定或移动的数据通信设备。
图2-1Mobitex网络结构图
2.2OSI系统模型
目前在全球有30个基于Mobitex的网络，其中一些属于公有网络，即任何人都可以通过当地经营商购买网络服务；而另一些是私有网络，可根据公司自身的需要来拓展网络和开发升级应用，因而具有较好的组网灵活性和较宽广的应用空间，对网络进行配置和管理方便，更能保证数据传输的可靠性和安全性。
Mobitex自身定义了两个协议，MASC协议和MPAK协议，它们分别对应OSI系统模型中链路层和网络层的协议，如图2-2所示。
图2-2Mobitex对应OSI结构示意图
Mobiex包含OSI模型中1～3层，应用开发商完成第4层及其以上各层的服务器端和客户端的任务。
V.24是无线Modem与PC的物理接口，而他们间的通信接口为MASC协议（MobitexAsynchronousCommunication，即Mobitex异步通信），它是链路层协议。
MASC协议本身简单，提供协议的标准功能和控制，进行简单的帧处理，确保主机与无线Modem间的正常通信。
无线Modem与Mobitex网络间的接口为MPAK（MobitexPacket）协议，它是第三层网络层协议，完成Mobitex中的路由选择，将信息从发送者路由到指定的接收者，处理可能发生的各种交互错误。
MASC和MPAK协议的应用使得数据在网络中被处理的过程对高层应用来说是可知的，高层应用可以通过这种可知性对被丢弃的数据采取相应的重传机制，在数据传输的整个过程中保证了数据传输的可靠性。
2.3MASC协议
MASC接口是为PC与无线Modem的连接而设计的，采用异步、串行数据传输，是链路层协议。
在链路层中，对等层之间信息传输是以帧的形式进行，MASC协议包含两种类型的帧：
信息帧和控制帧。
信息帧用作传输命令和其他信息，控制帧用作控制信息帧流量。
MASC规定信息帧必须在前一帧被确认后才能发下一帧。
2.3.1控制帧
控制帧分为以下5种类型：
ACK、NACK、RACK、SENS和SACK。
控制帧结构如图2-3所示：
图2-3控制帧结构
1.ACK帧：
ACK用来确认正确接收了信息帧。
其帧结构如图2-4所示。
当接收的信息帧满足以下条件，接收方将发送ACK帧进行确认：
以^开始；信息中包含冒号（：
）；校验字段和长度字段有正确的值；任何字段或整个帧的最大字符数都没有超过规定长度；以结束字符（CR）结束。
对于每一个发送的帧，sequ字段值应该0和1交替，除非最后一个ACK是应RACK的请求重复的，在这种情况下，将重传最后一个值。
第一次发送ACK时，sequ值为0。
如果在发出一个ACK之前就接收到了一个RACK，sequ字段应包含“－”（减号）。
只有在这种情况下，sequ的值才为“－”（减号）。
图2-4ACK帧结构
2.NACK帧：
NACK用来确认接收到不正确信息帧。
其帧结构如图2-5所示。
当不能发送ACK帧或者接收的信息帧满足以下条件，接收方将发送NACK帧进行确认：
以^开始；信息中有且仅有一个冒号（：
）；总长度大于10；以结束字符（CR）结束。
如果接收到的帧既不满足发送ACK帧的标准，也不满足发送NACK的标准，接收方不给任何回应，该帧将被发送单元中的超时函数复制重发。
图2-5NACK帧结构
3.RACK帧：
RACK帧用来请求重复发送最后一个ACK帧。
其帧结构如图2-6所示。
如果一个信息帧发送后10秒内，没接收到ACK，就会发送RACK。
单元接收到RACK后必须以复制发送最后一个ACK响应。
复制的ACK必须包含最后使用的顺序值。
图2-6RACK帧结构
4.SENS帧：
SENS帧用作链路层控制。
其帧结构如图2-7所示。
当无通信量时，发送SENS帧检查通信链路。
发送方决定何时发送SENS帧。
两个SENS帧之间至少要相隔10秒。
当发送了一个SENS帧后，10秒内将收到一个回复（SACK帧）。
如果10秒内没有收到回复，将发送一个新的SENS帧。
当发送了两个SENS帧后无回复，或者信息帧不能正确传输，则认为通信链路失效了。
必须通过发送INIT帧进行重启。
重启必须通过发送SENS帧的单元进行初始化。
如果未发送SENS但接收到SACK，则忽略SACK。
图2-7SENS帧结构
5.SACK帧：
该帧用于对SENS帧进行确认。
其帧结构如图2-8所示。
图2-8SACK帧结构
2.3.2信息帧格式
信息帧用来在PC和无线Modem之间传送命令和数据。
其帧结构如图2-9所示。
信息帧中的文本字段包含了与帧用途有关的信息，如命令和参数。
在不同Mobitex终端间传输的文本和数据都包含在数据字段中。
信息帧中各个字段及其描述如表2-1所示。
图2-9信息帧结构
字段
描述
start
帧以符号^（0x5E）开始。
在开始字符之前收到的所有字符应该被忽略。
length
帧的大小（字节数）必须用4个字节的数在该字段中指定。
最低有效位为第4个字节。
帧大小包括开始字符和结束字符在内的所有字节。
在长度字段中允许的字符有：
0-9，A-F。
text
文本字段中包含了有效帧的命令和参数。
文本字段中最少包含1个字符，最多包含256个。
数字信息，如命令参数，用相应的0-F间的数表示。
允许在文本字段中出现的字符有：
所有在空格（SP，0x20）和反大括弧（﹜，0x7d）间的字符，除了std（：
，0x3a）和start（^，0x5E）字符。
std
数据开始。
文本字段和数据字段由冒号隔开（：
，0x3a）。
即使数据字段为空，也必须使用冒号。
data
数据字段由数据组成。
数据字段用十六进制编码，因此可以进行透明传输。
每个字节被分为两个部分传送，每次传送4个比特。
在数据字段中的每4个比特就用0-F表示。
因此，在数据字段中每个输入字节用两个字符（字节）表示。
数据字段最多包含1120个字符。
数据字段中允许的字符有：
0-9，A-F。
check
通过对包括开始字符和在校验字段之前的所有字符执行布尔型操作or，计算纵向的校验和。
校验字段由两个十六进制数组成，第二字节为最低有效位。
校验字段中能出现的字符有：
0-9，A-F。
end
帧以回车字符（CR，0x0D）结束。
未用结束字符结束的帧被忽略。
type
控制帧的类型用一个字符进行说明。
使用了以下字符：
*（0x2A），？
（0x3F），！
（0x21），＃（0x23），&（0x26）。
sequ
ACK帧的顺序号。
顺序号的值是0（0x30），1（0x31）或－（减号，0x2D）中的一个。
表2-1信息帧的字段及其描述表
2.4MPAK协议
Mobitex网络层采用MPAK（MobitexPacket）协议，存储信息的包叫MPAK包，MPAK包包含在MASC协议的信息帧中。
可能包含MPAKs的信息帧有M，N和R帧。
根据MPAKs里包含信息的用途，可把MPAKs分成PSUBCOM、DTESERV和PSOSCOM3类。
PSUBCOM，用作用户包交换通信；DTESERV，用作数据终端服务通信；PSOSCOM，用作用户和报警通信的电路交换，未用。
MPAK包的帧格式如图2-10所示：
图2-10MPAK包的帧格式
根据不同种类的MPAK包，包的类型种类可分为多种，以下各种MPAK包通用部分的格式及各字段的说明：
字节1～3：
发送者，指信息的源地址，由3个字节给出了发送者的MAN号。
字节4～6：
接受者，接收者是最初指定的目的地址，字节4～6中给出了接收者的MAN号；
字节7：
状态字节，其结构如图2-11所示。
图2-11第7字节的结构
1～4位：
用户标志，用户或移动终端可以在MPAK的通用部分中设置标志，设置“1”为有效。
第1位，MAILBOX_F，若为1，表示信息可被放置在网络邮箱中，当MPAK包由于接收者不能到达，而不能发送给接收者时，它将暂时被存放到邮箱里，等到接收者可达到时，MPAK包从邮箱发送给目的Modem；
第2位，POSACK_F，若为1，表示主动应答方式，每一个被传送的MPAK包都要得到应答确认后才进行下一包的传送；
第3位，SENDLIST_F，若为1，表示MPAK包括地址列表；
第4位，UNKONOWN_F，若为1，表示表示Modem的MAN号和终端的地址列表中的地址不一致，在这种情况下该MPAK包被返回发送端；
第5位：
保留，必须设置为0。
6～8位：
这3位说明了包通信的状态，有7种可能状态，当发送包时，应将通信状态设置为0。
000：
OK，表示在交换时没有出现问题；
001：
FROM_MAIL，表示消息来自网络邮箱；
010：
IN_MAIL，表示接收者此刻无法达到，消息被放入网络邮箱；
011：
NO_TRANSFER，表示信息既不能发送到接收者，也不能放入邮箱中；
100：
ILLEGAL，表示信息不能被网络传送；
101：
CONGEST，表示有线或无线通道拥塞；
110：
ERROR，表示信息由于技术差错无法传送；
字节8：
包类型字节，其结构如图2-12所示。
图2-12第8字节的结构
7～8位指定了包的类型，共有三类：
PSUBCOM类（00）；DTESTRV类（10）；PSOSCOM类，未用。
第6位为外部标志EXTERN_F，如果为1，表示包会被用于外网（Mobitex以外的网络）的传送；
1～5位表示了包的种类，PSUBCOM类中有5种类型的包，分别为TEXT，DATA，STATUS，HPDATA，EXTPAK；DTESTRV类中共有32种类型的包，这里不再赘述。
2.5Mobitex无线抄表器系统
无线自动抄表是不需要人员到达现场就能完成自动抄表，它大大的降低了劳动强度，提高了抄表的准确性和及时性，杜绝了抄表不到位、估抄、误抄、漏抄电表等问题。
典型的无线抄表系统主要由前端采集子系统、通信子系统和中心处理子系统等三部分组成。
基于Mobitex数据通信网的无线抄表系统结构如图2-13所示,其中远端采集器、集中器构成了前端采集子系统，Mobitex数据通信网络就是通信子系统，通信前置机和各类服务器就构成中心处理子系统。
图2-13 无线抄表系统结构示意图
2.5.1前端采集子系统
各种电表构成了电能采集系统的最前端。
它们把用户的用电量传递给上一级数据采集装置即采集器，采集器收集连接在它下面的电表的读数，周期地把这些数据发送到集中器，集中器在控制中心的指令下定期从采集器读取数据，并对这些数据作统计处理，最后将这些数据按选定的协议格式打包后，通过MobitexModem传输到中心站的通信前置机,前置机将收到的数据包进行解包还原成原始数据后再送入数据库。
2.5.2通信子系统
通信子系统负责把抄表数据实时、可靠地传送到控制中心。
Mobitex数据通信网络只传送数据,通过数据交织、置乱、加密和采用专用协议，确保数据传输的安全性;通过网络的存储、转发技术及网络证实功能，确保数据传输的可靠性;通过优先级设置、最低路由等保证传输的实时性。
2.5.3中心处理子系统
中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成，是整个无线抄表系统的最上层，所有用户的用电信息通过信道汇集到通信前置机，前置机进行协议解析后将数据存入数据库，数据库负责实时数据和历史数据的管理维护，安装在控制中心的软件调用数据库中的数据进行汇总和分析，管理人员根据汇总和分析结果做出相应的决策，实现了抄表系统的自动化管理。
在Mobitex网络中，移动终端，通过基站相互发送、接收数据，用户发送的数据可以发到固定终端和其他移动终端，但是端到端的直接通信是不可能的，即使发送者和接收者都在同一基站覆盖范围内，数据也必须经过基站进行转发。
所以如何根据其覆盖范围、用户数量、地理区域选择基站的建设地点是组建Mobitex网络的关键问题。
基站地址选择一方面关系到网络的数据传输效率及实时性问题，另一方面关系到网络建设的投资问题，因此需要一种科学的分析方法来确定基站的建设点，从而既保证数据的正确、实时的传输又实现网络建设的最佳性价比。
第三章Mobitex无线抄表器的硬件
3.1Mobitex无线抄表器硬件构成
利用Mobitex无线数据网络进行数据传输，实时方便，性能可靠，节省费用。
Mobitex无线抄表器硬件构成如图3-1所示，由主控模块、通信模块、时钟模块、存储模块、看门狗模块等。
图3-1Mobitex无线抄表器硬件构成图
图3-1中，电表通过对指定线路的原始信号进行分析处理后，得出相应的电能参数，然后通过串口传输给单片机，在单片机处理后，通过无线Mobitex网络发送到系统中心站。
电表从生产厂家直接选取，为全电子式电能表，电表和单片机之间通过RS485通信，另需提供功率足够的+12V直流电源；单片机选用Intel公司的51系列的8位机（最好带内置存储器），这里可根据通信功能和控制功能采用2片单片机，从而减轻单片机的数据处理量，提高运算速度；单片机提供键盘、显示、存储器扩展、串口扩展等功能；扩展串口中一个接Mobitex的无线Modem，用于无线的数据传输，实现远程配置、在线升级应用程序和监测数据上传，另一个接红外通信接口，通过该接口可当地修改设备参数，实现红外维护、手持红外抄表器抄表和在线升级应用程序功能。
单片机外部加设时钟记录具体时间和设闹钟，另加设看门狗电路，按操作规程使用时，系统可以永不死机，确保高可靠性。
3.2主控模块
无线抄表器的主控模块选用Intel公司的51系列的单片机，其引脚及引脚功能如图3-2所示，它由数据线8位，地址线可为8位或16位，应内置程序存储器。
可根据通信功能和控制功能采用2片单片机，从而减轻单片机的数据处理量，提高运算速度；单片机提供键盘、显示、存储器扩展、串口扩展等功能；扩展串口中一个接Mobitex的无线Modem，用于无线的数据传输，实现远程配置、在线升级应用程序和监测数据上传，另一个接红外通信接口，通过该接口可当地修改设备参数，实现红外维护和在线升级应用程序功能。
图3-2MCS—51系列单片机引脚及总线结构
（a）引脚图；（b）引脚功能分类
MCS—51单片机存储器分类及配置：
MCS—51单片机存储器的分类从物理结构上可分为:
片内、片外程序存储器（8031和8032没有片内程序存储器）与片内、片外数据存储器4个部分;从寻址空间分布可分为:
程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器3大部分;从功能上可分为:
程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器5大部分。
MCS—51系列单片机存储器的配置除如表3-1所示的片内ROM（或EPROM）和RAM外，另外还有128个字节的RAM区作为特殊功
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