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基于GPRS远程电能数据采集系统的开发与分析.pdf

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realizing scheme,parses the principle and realization about two keytechnologiesDynamic Domain Name and Port Mapping,which are often encounteredwhen connecting the data center server to Internct;1rIlird researches internationalPoint-toPoint ProtocolPPP,exposes its essential and tidy programming-scheme,and also explains how to embed TCP/IPincluding UDP and TCPdatagzam into PPPdatagram to exchange data.Finally,we integrated embedded system and embedded Linux technology together,asoftware and hardware plat has been establish based on ARMTrDMI co埠micro畔髓sorS3C44BOX,describes the way of upw“讹wnward communications in detail,inchdingdi矗hent character of every mode of communication.Introduced the designed module of theGPRS long-distance electric energy system in detail,and GPRS module program flow diagram.After that the used.and embedded system IlCLinux established are also introduced in detail.As apart ofan embedded system,80nle device driver programs and application programs are designed.Key WordsGPRS,dynamic domain name,port mapping,pClinux,MC35i,datacentor Server独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得塑I垦壅些盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名}喃 签字日期w’]年 莎月夕日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塑些塞些盘堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权塑些壅些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名融南签字日期加 7年6月7日学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址导师笔名懈埤.签字日期知呷年∥月夕日电话邮编基T-GPRS远程电能数据采集系统的开发与研究1.1电能采集系统概述1引言随着国家电力系统两网改造工作的逐渐推进,“一户一表,管电到户”政策的贯彻,用电网络急剧膨胀,使得供电企业对用电网络的管理任务日益繁重。如何把庞大且分散的居民用电量及其它数据及时有效而且准确无误地收集、统计与分析,成为供电企业一个迫切需要解决的问题。 。最近几年,电厂的建设和投资模式逐步多样化,大多数新、扩建电厂的产权己不再是国家独有,“厂网分开、竞价上网”是今后发展的趋势。为了对上网电量进行精确计算,必须要有一套计量精确、运行可靠、相对独立的电能量远程采集系统。如果仅凭抄表工人挨家挨户地抄表,不但工作效率低,而且由人工抄表所带来的漏抄、误抄、估抄等问题,也会给供电企业带来不可估量的损失。在这种情况下,电能量远程采集系统在国内外应运而生,而且发展非常迅速。为加强用电管理,提高供电效益,使其适应市场经济需要,供电部门实行电度表自动抄表和用电的监控管理是非常必要的。因此,电能量远程采集系统将是未来电能管理发展的主要方向。居民用电量实现自动抄收,收费实现自动划拨,不仅能够方便广大用户,提高供电企业的服务质量,树立电力企业的良好形象,而且能够实现电力企业的减员增效,降低用电成本,减轻抄表人员的劳动强度,降低人为因素造成的抄表误差,同时对于加强用电管理,防止电力资源的流失等现象都具有积极的意义。远程电能采集系统是提高电力营业管理自动化水平的一项重要技术手段。2003年11月,国家质量技术监督局起草了网络电能表国家标准的征求意见稿ICS17.220.30N22。网络电能表标准的出台,也给研究开发网络电能表提供了一致性依据。然而以8/16位处理器为核心的传统的控制系统由于自身软硬件资源的先天性不足,难以胜任复杂的高速控制系统,所以研究基于嵌入式系统的高性能、高可靠性网络电能表,不仅适合国家供用电政策的要求,而且具有较高的技术研究及应用价值[㈨。1.2电能采集常见方法及特点通过不断地研究和探索,人们提出了很多用于电能数据采集的方法,并在电能数据采集自动化中得到了应用。这些方法可以归纳为1无线电通信方式该方式需配备无线电通信设备作为传输手段,而且无线电频率需向国家无线电管理委员会申请批准。由于频率是一种资源,不可能申请到大量频率;另外,从技术上而言,一个地区频率拥挤时,系统会产生干扰,影响系统正常工作。2电话拨号方式该方式是利用用户已有的电话实现电能采集,但用于抄表河北农业大学硕士学位毕业论文的计算机系统频繁的拨号读数形成了对用户的“电话干扰”,况且并不是每个用户都安装有电话,因此,实用中易受到用户抵制而不易推广。3IC卡方式在用户电能表上装有Ic卡插槽,但该方式在防窃电方面存在致命的缺陷,现己被国家电力公司明文取缔。4低压电力线通信方式利用各电力企业现有的220V或380V电力线作为传输媒介,不需要铺设通信电缆或其它设备,从工程上和经济上比较理想,但是电力线通信的质量不好保证,影响电力线载波传输质量主要有两个因素一个是电力网络的阻抗特性及其衰减,另一个是噪声的干扰,要解决这两个问题还有很多难点。5红外手持抄表方式借助红外通信来完成传输电能表采集数据的一种远程抄表方式。红外通信实际是利用数据信息经调制驱动红外发射器件发出带有数据信息的红外光,再经红外接收器件将其接收解调,实现数据的通信。红外手持抄表需抄表部门或用户用掌上抄表器抄取数据,因此降低了自动化程度[6-s]。13国内外电能采集系统研究现状13.1国外电能采集系统研究现状远程电能采集系统自八十年代中叶诞生于美国后,在世界各地得到了迅猛的发展,迅速扩展到电、气、热等各个领域。在美国、加拿大、日本和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用远程电能采集系统代替传统的人工抄表。远程电能采集系统的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展,美国于1986年就建立了自动抄表研究协会AMRAAutomatic MetcrReadingAssociation,每一年半左右开一次国际性年会,每次年会都有专题报道,旨在进一步发展和推广AMRAutomatic MeterReading技术。近年来欧洲自动抄表技术协会EUROAMRA和英国自动抄表技术协会UKAMRA也相继成立。与此同时,lEO的Tcl3和Tc57两大标准化组织在其标准体系中都为AMR系统制定了相关的标准。各种形式的AMR系统,各种新的AMR技术不断推陈出新,推动着整个远程电能量采集系统的发展【9,-01。它们使得AMR系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步,如今AMR系统己达到可以大规模推广的实用性阶段。80年代中期以来,美国在AMR技术的开发和应用上就已取得了长足的进步。在科罗拉多州丹佛市,一家公用事业企业将77万余台电表和67万余台煤气表实现了远程数据采集,成为当时美国推广应用量最大的一家公司;2004年,美国共有971项AMR应用项目,其中约有2200万台电表实现了远程电能采集。表1.1的数据显示了美国远程电能采集系统的发展历史。2基rGPRS远程电能数据采集系统的开发与研究表1美国自动抄表发展百万台Table I The AMR development ofUSmillion1.3.2国内电能采集系统研究现状二十世纪90年代,远程电能采集系统技术被引进到中国,国内许多研究机构和企业纷纷投入对远程电能采集系统的研究。早期的AMR系统主要用于大电网的电能量考核结算,随着国内居民用电一户一表政策的推行和住宅小区智能化的发展,国内一些公司开始了居民自动抄表系统的研发和推广。1993年,广州科立通用电气公司研制出国内第一套居民远程电能量采集系统。到90年代中期,国内已有不少研制成功的自动抄表系统,例如常州的“YH5551型集中自动抄表系统”、太原的“煤气表读数遥测系统”、中科院合肥智能所的“煤气表户外自动抄表装置”和上海市公用事业研究所1997年开发成功的“水、煤气表合抄集中自动抄表系统”。不久前,沈阳汇成电缆厂开发出了DYYVP22型电能表自动抄表系统专用电缆。经过十几年的发展,AMR技术已经在我国得到了广泛的应用,各种AMR技术和系统的研究,已成为各个AMR系统生产企业和科研机构竞相追逐的热点。1.4本文所做的工作鉴于现有电能采集系统中通讯方式的不足,本文提出一种新的通讯方式的远程电能采集系统,即采用GPRSGeneral Packet Radio Service数据业务,充分发挥GPRS网络永久在线和网络传递信息的实时性以及通讯费用是按流量而非按时间计费的特点,来有效解决一些长期困扰远程电能采集系统在应用中遇到的一些问题。将GPRS技术用于远程电能采集系统中能大幅度提高系统的稳定性、可靠性、实时性,同时也能大幅度降低系统的运营费用。通过对近年来发表的学术资料的研究,本文做了以下工作1研究和分析了GPRS技术的诸多国际协议,提出GPRS建立数据业务的技术难点和要求;总结并归纳在GPRS网络上建立PPPPoint-to.Point Protoc01连接的几种实现类型。2研究了基于GPRS的组网方式,提出GPRS网和Internet结合构建电能数据3河北农业人学硕士学位毕业论文采集系统的合理性及其具体实现方案,解决数据中心接入Internet的两个关键技术动态域名和端口映射。3分析了嵌入式系统,以Samsung公司推出的微处理器S3C44BOX为核心构建基于GPRS modem的数据终端的硬件平台,Il CLinux嵌入式实时操作系统作为软件平台,采用结构化程序设计方法开发系统的应用程序。4通过研究国际PPP协议,揭示建立PPP连接的实质,提出精简实现PPP连接的软件设计思路。5分析了GPRS网络和Internet上数据通信的特点以及电能表本身通信接口的特点,提出提高系统运行效能的关键因素及解决方法,设计了基于GPRS网络的远程电能采集系统,使数据的传输更加稳定、可靠。.1.5本文设计的远程电能采集系统的结构原理对于电能采集系统来说,无论是哪种方式,大体结构都是相同的,不同的是采集器和采集终端的信息传递方式,采集终端和数据中心的通讯方式。本课题设计远程电能采集系统终端采用微控制器驱动GPRS模块,类似于移动通信中的MSMultiplex Section,经过GPRS网络与数据中心通讯,工作方式如下数据中心发送指令,GPRS终端完全透明地把指令转发给电能表,电能表返回的数据也能通过GPRs终端完全透明地转发给数据中心。在此工作方式下,GPRS终端实际并不关心发给电能表的指令以及从电能表返回数据的具体内容,它只是起中继作用,它也不需知道接入电能表的具体类型,只要电能表拥有能与之通信的接口,电能表就可以接入该系统,而要做的工作,就是升级数据中心的软件,使之能处理新加入的电能表的指令和数据,并不需要改变GPRS终端的任何程序。采集器和采集终端采用RS-485总线方式,本文对电能表如何采集电能数据暂不考虑,因为现在的电子式电能表提供了RS-485的接口,只要连接到采集终端就能进行电能数据的读取。重点考虑如何从电能表的串口读取数据到采集终端和采集终端如何向远端的数据中心传输数据,远程电能采集系统设计方案如图1所示。4基T GPRS远程电能数据采集系统的开发与研究数据中心心围1远程电能采集系统的设计方案Fig.1 Design ofthe long-distance electric engl gy collecting systfm其中,远程电能采集系统设计中采用GPRS网络上传主站电能数据有以下几个特点1所依赖的网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快;2无线上网、建设成本低、网络速度快;3安装方便、维护方便;4实时性好、数据量大、可靠性高。5河北农业大学硕士学位毕业论文2.1 GPRS技术概述2 GPRS通讯传输技术GPRS是通用分组无线业务的简称,作为第二代移动通信技术GSMG10balSystem for Mobile Communication向第三代移动通信3G的过渡技术,是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的,是GSM Phase21997年规范实现的内容之一,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的m或者X.25连接。GPRS在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络,同时在网络上增加一些硬件设备和软件升级,形成了一个新的网络逻辑实体,提供端到端的、广域的无线口连接和x.25服务。通俗地讲,GPRS是~项高速的数据处理技术,它以分组交换技术为基础,用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务,包括收发E.mail、Internet浏览等。GPRS提供了强大的网络,又能与Intemet进行无缝连接,它的覆盖面广大,基本上所有的城镇以及绝大部分农村都被覆盖。因此完全可以把该方法运用于电能采集场合。GPRS比原有GSM的性能有了很大提高,突破原有一个用户只能占用一个信道的局限,使一个用户可以占用8个信道,通过CS4编码方式每信道理论速率为21.4kb/s 1,理论可达最大传输速率为171.2kb/s。平均的实际应用速率跟普通电话线modem差不多,大约在20kb/s到40kb/s之间,这样的速度已足以满足仪表的数据采集fll】【13】。GPRS是基于现有的GSM网络实现的,构成GPRS系统的方法需要在现有的GSM网络中增加一些接点GGSNGateway GPRS Supporting Node--GPRS网关支持节点、SGSNServingGPRS SupportingNodO--GPRS业务支持接点和PCUPacketControl Unit分组控制单元,SGSN、GGSN有时又合成为GSN。GGSN在GPRS网络和公用数据网之间起关口站的作用,它可以和多种不同的数据网络连接,如ISDN和LAN等。SGSN记录移动台的当前位置信息,并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收,为服务区所有用户提供双向的分组路由。系统公用GSM基站,但基站要进行软件更新,并采用新的GPRS移动刽17,18,221。GPRS非常突出的优点是引入了分组交换能力。利用GPRS进行数据传输具有以下优点1接入范围广GPRS是在现有的GSM网上升级,可充分利用全国范围的电信网络,可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署;2高速传输传输速率高,数据传输速度最高理论值可达171.2kbps,是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍,下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384kbps,完全可以满足用户应用需求;6基丁GPRS远程电能数据采集系统的开发与研究3快捷登陆GPRS接入等待时间短,可快速建立连接,平均耗时为两秒;4永远在线提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系,即使没有数据传送终端也一直与网络保持联系,这将使访问服务变得非常简单、快速;5按流量计费用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源,计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量,没有数据流量传递时,用户即使挂在网上也不收取费用;6切换自如 .用户在进行数据传送时,不影响语音信号的接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动两种方式,具体形式依据不同终端而定。GPRS技术在人们日常生活和娱乐方面得到了广泛应用,GPRS手机随处可见,用GPRS手机可进行高质量的通话、收发短信和彩信、进行QQ聊天、还可拨号上网浏览网页;基于GPRS的Modem还可无线拨入Intcrnet,大大方便了人们的生活和办公。在人们的不懈努力下,GPRS技术在工业应用中也有出色的表现,在各种导航定位系统【怫、物资调度、远程视频传输系统1201、城市水资源检测‘2”、配电自动化㈤和工业监型231等许多大型工程项目中都得到了广泛应用,甚至有人还把它用在电梯远程监控系统中。2.2 GPRS数据传输的网络结构GPRS网络是现有GSM网络中增加了网关GPRS支持节点GGSN和服务GPRS支持节点sGsN来实现的,使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据,其系统结构如图2所示。图中,笔记本电脑通过串行或无线方式连接到GPR蜂窝电话上;GPRS蜂窝电话与GSM基站通信,但与电路交换式数据呼叫不同,GPRS分组是从基站发送到服务GPRS支持节点SGSN,SGSN是GSM网络结构中的一个节点,它通过帧中继与基站接收发信机相连,是GsM网络结构与移动台之问的接口,GGSN对分组数据进行相应的处理,通过基于口协议的GPRS骨干网连接到SGSN,再发送到网络,如因特网或X.25网络。7河北农业大学硕十学位毕业论文■围2 GPRS网络结构图Fi.2 GPRS network structureSGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息,并且在移动台Ms和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。网关GGSN主要是起网关作用,是连接GSM网络和外部分组交换网如因特网和局域网的网关,也可将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或x.25分组进行封装,实现两者之间的数据传输【15】。GPRS体系结构中的接口及参考点如图3所示。8图3 GPRS体系结构中的接口及参考点Fig.3 The interface and reference point ofGPRS system network●-厦T●●●J
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