自動抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：構(gòu)建多表(電、水、燃氣、熱量等計量儀表)集中統(tǒng)一管理的綜合自動抄表系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約人力資源，節(jié)約管理系統(tǒng)的構(gòu)建費用，更重要的是可以保證查表的準確性、一致性和提高工作效率。

關(guān)鍵詞：AMRS；數(shù)據(jù)采集；集中器；GPRS；MIS

自動抄表(Automatic Meter Reading —AMR ) 是指采用通信和計算機網(wǎng)絡等技術(shù)自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)。在用電管理方面，采用自動抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，更重要的是可提高抄表的準確性，使供用電管理部門能及時準確獲得數(shù)據(jù)信息，并進行負荷預測及控制，以實現(xiàn)電力行業(yè)整體經(jīng)濟效益的提高和管理水平的進步。我國電能（及水、燃氣、熱量等）計量采取“一戶一表”制，這就使得抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點多、數(shù)據(jù)量大，而且采集點極其分散。從技術(shù)和經(jīng)濟的角度而言，采取什么樣的通信方式是首先要思考和解決的問題。隨著單片機、通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，為抄表系統(tǒng)的自動化和智能化提供了更多的技術(shù)支撐，使其實現(xiàn)成為可能。

在通信媒體中，有多種有線及無線通信網(wǎng)絡可供選擇。按通信距離，自動抄表系統(tǒng)AMRS (Automatic Meter Reading System) 的通信方式主要包括近程通信和遠程通信兩類；近程通信主要適合于住戶電表到采集器或采集器到集中器之間的通信，其通信距離一般小于1 公里；遠程通信主要適合于集中器到管理中心，其通信距離一般大于2公里。

在深入研究現(xiàn)有抄表系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的基礎上，分析數(shù)據(jù)在自動抄表系統(tǒng)中的流程，采用相關(guān)計算機技術(shù)及通信技術(shù)，實現(xiàn)抄表流程的信息化管理的主要環(huán)節(jié)為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集中收集、數(shù)據(jù)無線傳輸和抄表信息化管理，具體實施步驟如下：

一、數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集終端是整個系統(tǒng)中最重要的硬件設備之一，其功能主要包括：實現(xiàn)多種表具數(shù)據(jù)的采集和上傳、設置表終端參數(shù)、欠費及故障告警、控制斷路器分合閘等。數(shù)據(jù)采集終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

采集硬件電路設計需求：根據(jù)實際使用的需要，數(shù)據(jù)采集終端主要包括單片機控制單元、通信控制單元、監(jiān)控單元、手持單元和時鐘單元等部分。

采用雙單片機為核心的硬件，兩個單片機均選用AT89C52，二者之間利用一片雙口RAM IDT7134 SA進行并行數(shù)據(jù)傳輸。兩片單片機進行分工協(xié)作，完成控制功能。其中，單片機系統(tǒng)1主要要實現(xiàn)根據(jù)抄表指令或設定的自動抄表時間來采集表具的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)前加入頭標志55H，然后通過P2口將此信息存放在雙口RAM的第一塊區(qū)域。此外，該單片機還連接手持單元，可以接收手持單元的控制命令，完成相應操作。單片機系統(tǒng)2主要要實現(xiàn)接收管理中心的命令，它通過RS232 接口模塊時刻等待接收管理中心的命令，并在抄表指令前加入頭標志55H 后通過P2口將信息存放在雙口RAM 的第二塊區(qū)域，同時，它還能根據(jù)輸入的開關(guān)狀態(tài)量向管理中心或用戶報警。

軟件方面，可以利用C51語言編程。單片機1 的程序主要包括初始化、抄表讀數(shù)模塊、通信模塊和手持單元模塊，單片機2 的程序主要包括初始化、發(fā)送信息模塊、報警模塊和分合閘操作模塊，設計數(shù)據(jù)采集終端相關(guān)軟件，最終可以實現(xiàn)多戶多表數(shù)據(jù)的采集和上傳、設置表終端參數(shù)、欠費及故障告警、控制斷路器分合閘實現(xiàn)抄表的無人化。

二、數(shù)據(jù)收集

通過采集終端實現(xiàn)了多戶多表的數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)郊衅魇占经h(huán)節(jié)主要在應用AT89C51單片機的基礎上，設計以AT89C51單片機為主要控制器的集中器，實現(xiàn)抄表信息的收集。

集中器實際上是一個數(shù)據(jù)集中處理器，它向下可以通過電力線與采集器和智能電表通訊，向上則可以通過中國移動GPRS網(wǎng)絡與抄表主站通訊。其主要功能包括定時采集采集器和各種表具的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行存儲；及時根據(jù)指令上傳相關(guān)的數(shù)據(jù)至主站系統(tǒng)；轉(zhuǎn)發(fā)主站對采集器的控制指令。

選用AT89C51單片機為主要部件，可以實現(xiàn)集中器的硬件設計，再對AT89C51單片機進行相關(guān)軟件設計，便可以把多個（以小區(qū)為單位）采集終端信息進行收集。集中器實際上是一個數(shù)據(jù)集中處理器，向下通過通訊網(wǎng)絡與采集終端和智能表具通訊，向上則通過中國移動GPRS網(wǎng)絡與抄表主站通訊。

1．集中器的硬件設計。本系統(tǒng)中的集中器以AT89C51單片機為主要控制器。此集中器主要由電力線Modem、主CPU板、數(shù)據(jù)存儲器E2 PROM、時鐘模塊、電源模塊、看門狗電路和GPRS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊組成。

系統(tǒng)中電力線載波模塊選用232系列嵌入式電力線調(diào)制解調(diào)器PLC101S–12。此模塊的最大特點是可以方便地和具有RS232接口的產(chǎn)品連接，提供雙向半工的通信功能，可以在220/110V，50/60HZ 電力線上實現(xiàn)局域通信。主要用來實現(xiàn)集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)交換。

2．集中器的軟件設計。集中器與采集器之間采用的是串行通訊，實際通訊過程采用查詢方式：集中器定時地向采集器發(fā)出指令，此指令帶有采集器和電（水、燃氣、熱量等）能表的表號(地址)；采集器接收到指令后，設備號相匹配的才會作出應答；若集中器在一段時間沒有收到回應，則報出錯信息；集中器定時地查 詢主站是否發(fā)出有關(guān)指令，判斷之后進行相關(guān)的操作。在串行通訊的軟件程序設計中，為了保證單片機與單片機之間能夠成功通訊，約定如下通信協(xié)議：1)串行通信波特率為1200bps；2)無奇偶校驗位：數(shù)據(jù)通信采用累加和校驗的方法；3)數(shù)據(jù)幀格式：一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位可編程的第九位(發(fā)送或接受的地址/數(shù)據(jù)的標志位)，一位停止位；4)聯(lián)絡方式：當集中器收到命令主動聯(lián)絡各個采集器；5)通信可采用查詢方式和中斷方式。

三、數(shù)據(jù)傳輸

通過集中器收集的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)竭h程服務器端，實現(xiàn)管理信息化，通過設計GPRS的無線傳輸軟件，即可以將集中器收集的信息實現(xiàn)遠程抄表信息的無線傳輸。

GPRS (General Packet Radio Service通用無線分組業(yè)務)是一種基于GMS系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的，廣域的無線IP 連接，GPRS 網(wǎng)絡的技術(shù)核心是在GMS網(wǎng)絡中傳送分組數(shù)據(jù)業(yè)務，它的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：即實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡資源的最佳結(jié)合；實現(xiàn)了IP協(xié)議的透明傳送；與原有的GMS比較，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢。通過多個GMS時隙的復用支持數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾矢摺＠碚摲逯颠_171kbit/s。不同的網(wǎng)絡用戶共享同一組GPRS信道，但只有當某一個用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才會占用信道資源。 這樣，通過多用戶的業(yè)務復用，更有效地利用了無線網(wǎng)絡的信道資源，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸，更好地適應數(shù)據(jù)業(yè)務的突發(fā)性特點；GPRS計費方式更加靈活，支持按數(shù)據(jù)流量來進行計費，與無線應用協(xié)議（WAP）技術(shù)不同，GPRS能夠隨時為用戶提供透明的IP通道，可直接訪問Internet中的所有站點和資源(WAP用戶自己能訪問特定的WAP服務器);采用信道復用技術(shù)，每一個GPRS 用戶都能夠?qū)崿F(xiàn)永遠在線，另外，GPRS還支持在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進行語音通話等。

GPRS數(shù)據(jù)終端主要包括以下基本功能：(1)系統(tǒng)初始化，即W77E58本身的資源初始化和通信波特率的設置等;(2)啟動本機SIM100模塊的UDP/IP的SERVER功能設置，即SIM100的GPRS工作方式，設定UDP端口號，激活場景并獲取自身IP建立臨時的UDP連接;(3)等待接收來自管理微機的數(shù)據(jù)(對應GPRS集中器的手機號碼或抄表命令);(4)通過短信向GPRS集中器發(fā)送自身IP并獲取對方IP，與GPRS集中器建立UDP 連接;(5)向GPRS集中器發(fā)送抄表命令，并等待接收抄表數(shù)據(jù)，之后上傳管理微機。

四、數(shù)據(jù)信息化管理

抄表數(shù)據(jù)到達服務器端中央主控機房后，需要對數(shù)據(jù)進行信息化管理，對自動抄表管理信息系統(tǒng)進行需求分析，并根據(jù)需求分析進行系統(tǒng)設計，實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)功能模塊。中央主控機房是利用公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，將所得電表數(shù)據(jù)抄回并進行處理的計算機系統(tǒng)。

管理信息系統(tǒng)（MIS）主要有這幾部分組成：一是主站管理機上的主站程序，主要要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的抄收，發(fā)送有關(guān)的控制信息并下發(fā)有關(guān)參數(shù)表，能對抄收數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計等個類處理，并需要對其他各相關(guān)部件提供接口，此部分可以選用VC++或者VB來開發(fā)；二是數(shù)據(jù)庫管理，數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的重要組成部分，要實現(xiàn)采集參數(shù)收集、設備檔案管理、分析參數(shù)收集、原始數(shù)據(jù)及其派生數(shù)據(jù)管理，操作記錄及歷史資料收集等一系列工作，所以本系統(tǒng)可選用Microsoft SQL Server 或 Oracle 等中大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，在設計過程中必須注意數(shù)據(jù)庫定義和操作的規(guī)范性、統(tǒng)一性；三是在Web服務器上實現(xiàn)Web發(fā)布，同時要能實現(xiàn)用戶管理和http請求等功能，本系統(tǒng)考慮使用ASP.NET框架來實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫作為抄表系統(tǒng)的重要組成部分，是我們開發(fā)設計過程中的重點之一，數(shù)據(jù)庫質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的功能和性能。數(shù)據(jù)庫的設計與我們的軟件設計既有共同解決和處理的問題，同時也有自己特有的問題和解決方法。為規(guī)范數(shù)據(jù)庫設計，我們在數(shù)據(jù)庫設計過程中充分考慮各方面的需求，經(jīng)過以下6個階段進行設計：需求分析；概念結(jié)構(gòu)設計；邏輯結(jié)構(gòu)設計；物理結(jié)構(gòu)設計；數(shù)據(jù)庫實施；數(shù)據(jù)庫運行與維護。

本文通過對多種用戶表具自動抄表的數(shù)據(jù)采集、收集、傳輸、信息化管理的數(shù)據(jù)流程分析研究，實現(xiàn)了滿足多種用戶表具抄表自動化需求的自動抄表系統(tǒng)。

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