电能远程自动抄表系统设计

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1、? I本科生毕业设计说明书（毕业论文） 电能远程自动抄表系统设计电能远程自动抄表系统设计电能远程自动抄表系统设计电能远程自动抄表系统设计 摘摘摘摘 要要要要 自动抄表是指采用计算机技术和通信技术自动读取和处理表具数据的一种手段，是提高能耗管理部门自动化水平的需要，也是计算机技术和通信技术迅速发展的必然。它不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表差错，而且具有抄收速度快，抄表实时性好等优点。 本课题通过方案对比以及系统的需求和功能分析，选择了在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务通用分组无线业务(GPRS)。本文构成的自动抄表系统采用点对多点的结构形式，设计了带 GPRS

2、 功能的数据采集终端，该终端向下通过 RS485 方式与智能电表连接，向上通过接入 Internet，利用 GPRS 通信方式与监测中心服务器通信。 系统通过实际制作，实验室调试，基本上实现了远程自动抄表系统对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。 关键词关键词关键词关键词：自动抄表；通用分组无线业务；数据采集终端 II The Implementation of Remote Automatic Reading Meter Abstract Automatic meter reading is one method reading and processing data antom

3、iatically with computer and communication. It is the need of improving the automatic level of energy consumption and the necessity of rapid development of computer and communication technology too. It not only may relieve reading persons labor intensity, reduce the reading mistake, but also has the

4、advantage of high speed and good real-time. This design chosed one kind of new bearer service - general packet radio service (GPRS) which develops from the existing GSM system, after comparing scheme , analysising requirement and fuction, This automatic meter reading system used the structure of spo

5、t to multi-spots，designed a data acquisition terminal which have GPRS function, this terminal lower layer is adopt RS-485 bus topology, upper layer utilizes direct connection between GPRS and Internet turning on function, using GPRS mailing address and monitor center server correspondence. Through a

6、ctual manufacture and laboratory debugging, the acquisition, record and real-time detect of remote data from distribution can be realized automatically. Key words: automation meter reading; general packet radio service; data acquisition terminal III目 录 摘 要 . I Abstract .II 第一章 引 言 . 1 1.1 自动抄表系统概述 .

7、 1 1.2 自动抄表系统的研究背景及意义 . 1 1.2.1 研究背景 . 1 1.2.2 研究意义 . 2 1.3 国内外远程自动抄表系统的发展及现状 . 3 1.4 主要内容及安排 . 3 第二章 GPRS 网络技术概述 . 5 2.1 GPRS 技术及优点 . 5 2.2 GPRS 系统介绍 . 6 2.2.1 GPRS 网络结构 . 6 2.2.2 GPRS 网络传输协议平台 . 8 2.2.3 GPRS 的数据传输 . 9 2.2.4 GPRS 系统原理 . 10 2.3 GPRS 的应用 . 11 2.4 本章小结 . 12 第三章 电能远程自动抄表系统整体构建 . 13 3.1

8、 系统方案的选择 . 13 3.1.1 自动抄表系统构建 . 13 !#$%&()*+$%,-. IV3.1.2 数据传输形式的选择 . 15 3.1.3 组网方式的选择 . 16 3.2 系统整体方案的设计 . 17 3.3 系统的功能和特点 . 19 3.4 本章小结 . 20 第四章 电能远程自动抄表系统的硬件设计 . 21 4.1 电能表的概述 . 22 4.1.1 电能表的选择 . 22 4.1.2 IC 卡电能表的简介 . 23 4.1.3 IC 卡电能表的工作原理 . 24 4.2 RS485 总线 . 24 4.3 主控制器与外围电路的设计 . 25 4.3.1 AT89C51

9、 芯片基本结构和特点 . 26 4.3.2 微控制器外围电路的设计 . 29 4.4 通信模块硬件设计 . 31 4.4.1 通信模块的比较选择 . 31 4.4.2 SIM100 简介 . 33 4.4.3 GPRS 模块 SIM100 与外围电路设计 . 35 4.4.4 GPRS 模块 SIM100 的调试 . 38 4.5 本章小结 . 39 第五章 电能远程自动抄表系统的软件设计 . 40 5.1 AT 指令集 . 40 5.1.1 AT 指令简介 . 40 !#$%&()*+$%,-. V 5.1.2 本系统用到的全部 AT 指令 . 41 5.2 主程序设计 . 42 5.3 子

10、程序设计 . 43 5.3.1 电能表的软件设计 . 43 5.3.2 RS485 串行通信子程序 . 45 5.3.3 串口通信子程序 . 47 5.4 本章小结 . 49 第六章 总结与展望 . 50 6.1 总结 . 50 6.2 展望 . 50 参考文献 . 52 附录 A C51 源程序 . 54 附录 B 远程自动抄表系统硬件图. 65 致谢 . 66 /0123456789:;? 1第一章第一章第一章第一章 引引引引 言言言言 1.1 自动抄表系统概述自动抄表系统概述自动抄表系统概述自动抄表系统概述 远程自动抄表系统( AMR，Automation Meter Reading )

11、：一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统1。作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的自动化带来了方便。 在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。低压客户自动抄表系统主要是面向

12、大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。自动抄表是信息时代发展的总趋势，自动信息交换为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息传递提高了现代数据管理的科学性、先进性。 1.2 自动抄表系统的研究背景及意义自动抄表系统的研究背景及意义自动抄表系统的研究背景及意义自动抄表系统的研究背景及意义 1.2.1 研究背景研究背景研究背景研究背景 在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着我

13、国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄ABCDEFGHIJKLMNOHIPQR 2表模式的弊病越来越突出，主要表现在： 1. 查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大； 2. 错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象； 3. 窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了供用电秩序。 以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。国家如何把庞大且分散的用电

14、量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。 1.2.2 研究意义研究意义研究意义研究意义 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。采用远程自动抄表系统

15、有如下优势： 1. 采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。 2. 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。 3. 采用远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败现象等都有积极的意义。 STUVWXYZ_aZbcd 34. 采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。 5. 电力的发展，需要从用户处尽快获取

16、更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。 1.3 国内外远程自动抄表系统的发展及现状国内外远程自动抄表系统的发展及现状国内外远程自动抄表系统的发展及现状国内外远程自动抄表系统的发展及现状 目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展历史。抄表技术的快速发展得益于 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，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了

17、可以大规模推广的实用性阶段。 我国国内所采用的抄表方式大致可以分为三种：一是传统的人工抄表方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理；二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、IC 卡等，按购买额提供用量，完成收费工作；三是远程抄表方式，监控中心通过远程通信系统(例如公用电话网、电力线载波、数据网等)自动获取远程仪表数据的方式。当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。 1.4 主要内容及安排主要内容及安排主要内容及安排主要内容及安排 本文以远程自动抄表系统的设计为研究内容，对国内外抄表系统的现状进

18、行详细了解后，结合自己所学知识，以 AT89C51 为控制芯片，搭建了一个远程抄表系统，实现电能数据的远程采集，传送等功能；对硬件电路、软件流程的设计做了详细的阐述。本文efghijklmnopqrslmtuv 4主要分以下章节： 第一章 引言部分提出了自动抄表系统的概念，阐述了系统的研究背景及研究意义，介绍了国内外自动抄表系统的研究动态。 第二章 详细地介绍了本设计中远程抄表系统的关键技术GPRS，及其网络结构和传输协议等方面的内容。 第三章 对基于 GRRS 的远程自动抄表系统进行了整体构建，确定了系统的整体设计方案。 第四章 详细地阐述了远程抄表系统的硬件电路实现方案， 并通过对比选择了

19、适合本方案的微控制器和通信模块，并对其功能和特点做了详细说明。 第五章 给出远程抄表系统的软件流程图，并说明了各过程的实现方法。 第六章 总结了电能远程自动抄表系统的设计过程所完成的任务， 并对抄表系统的发展趋势做了展望。 wxyz| 5第二章第二章第二章第二章 GPRS 网络技术概述网络技术概述网络技术概述网络技术概述 GPRS( General Packet Radio Service )是通用分组无线业务的简称， 它是第 2.5 代移动通信系统， 是全球移动通讯系统 GSM( Global System for Mobile communication )向 3G 过渡的一个桥梁。 GP

20、RS是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统2。 2.1 GPRS 技术及优点技术及优点技术及优点技术及优点 GPRS 是在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及 TDMA 帧结构， 这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的 GPRS 覆盖。GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GP

21、RS 特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 GPRS 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线 IP，可以用于 Internet 连接、数据传输等应用。GPRS 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多用户共享，资源被有效的利用。使用 GPRS 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线并且数据按流量计费，迅速降低了服务成本。 GPRS 与GSM电路交换相比， 其非常重要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几方面的优点2。 1. 接入范围广 GPR

22、S 是在现有的 GSM 网上升级， 可充分利用全国范围的电信网络， 可以使用户数据终端方便、快速、低成本的远程接入网络； 62. 高速传输速率 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； 3. 快捷登陆 接入时间短，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，数据采集终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快

23、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费； 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两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 2.2 GPRS 系统介绍系统介绍系统介绍系统介绍 2.2.1 GPRS 网络结构网络结构网络结构网络结构 GPRS 在现有的 GSM 网络基础上叠加了一个新的网络， 通过增加一些硬件设备并对原有网络升级， 形成了一个新的网络逻辑实体， 提供端到端、 广域的无线 IP 连接。 GPRS的网络结构如图 2.

24、1 所示。 7 2.1 GPRS 从网络侧看，新增 SGSN(GPRS 服务支持节点)和 GGSN(GPRS 网关支持节点)这两种网络实体以及 Gb、Gn/Gp、Gi、Gr、Gf、Gd、Gs、Gc 等接口而形成的移动分组数据网络。因此，GPRS 的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。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 纪录移动台当前位置信息，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。 2.1 GPRS R ISDN 8

25、Gb SGSNBSS Gc GGSNHLR Gd SMS-GMSCSMS-IWMSCSGSN Gi GPRS Gn GSMGSN Gp GSMGSN Gr SGSNHLR Gs SGSNMSC/VLR Gf SGSNEIR Um MSGPRS 2.2.2 GPRS 网络传输协议平台网络传输协议平台网络传输协议平台网络传输协议平台 GPRS 网络传输平台由分层的协议结构组成，它能提供用户信息的传递，采用信息传递的控制过程，如流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。传输平台独立于网络子系统平台。在 GPRS 中使用图 2.2 所示的分层协议传输平台。 2.2 GPRS MS，BSS，SGSN，G

26、GSN 的协议栈实现用户信息及有关信令信息的传送控制过程。 Um 接口是 GSM 的空中接口。Um 接口上的通信协议有 5 层，自下而上依次为物理 9层、 MAC( Medium Access Control )层、 LLC( Logical Link Control )层、 SNDC( Subnetwork Dependant Convergence )层和网络层。Um 接口的物理层为射频接口部分( GSM RF )，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。 GSM 空中接口的载频带宽为 200kHz，一个载频分为 8 个物理信道。如果 8 个物理信道都分配为传送 GPRS 数据，则原

27、始数据速率可达 200kbps。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达 164kbps2。 数据包从 TE 传到 MS 要经过四个接口：Gi，Gn，Gb 和 Um。在实际应用设计中，最关键的接口是 Um 接口、Gi 参考点( reference point )以及 R 参考点，如图 2.3 所示。Um 是 MT 和 GPRS 网络进行无线连接的空中接口。 Gi 是 GPRS 网与外部数据网(指分组数据网 PDN，如 Internet 和其它网络如 X.25，X.75 等)的数据通信接口。R 参考点则把TE 和 MT 结合为 MS，即是硬件设计要着重考虑的部分。 2.3 GPRS 2.2.3

28、 GPRS 的数据传输的数据传输的数据传输的数据传输 移动台和外部数据网络之间传输的数据为 PDP 协议数据单元(PDU)， PDP PDU 在移动台和 GGSN 之间传输时，是以 N-PDU 的形式传输的，每个 N-PDU 最大为 1500 字节。如果比 1500 字节小，可以正常传输，如果比 1500 字节长，则传输时必须将其分段，如果不支持分段功能，就只能将其丢弃。GGSN 和 SGSN 之间，PDP PDU 将其封装后，利用隧道协议传输，GTP PDU 头中有 GSN 的地址，便于寻址。GTP PDU 的头部还包括隧? 10道标示，用于唯一的标示一个 PDP 上下文。SGSN 之间，P

29、DP PDU 利用 SDNCP 协议传输，在这里 PDP 上下文通过临时逻辑链路标示( TLLI )和网络层接入点标示( NASPI )来唯一标示，如图 2.4 所示。 2.4 GPRS-? 由上图可以看出，GPRS 支持外部网络与移动台之间的透明传输，在数据传输时，在移动台、 SGSN、 GGSN 中把数据包封装起来， 根据移动台、 SGSN、 GGSN 中的 PDP(分组数据协议)Context 选择路由传输数据包。GPRS 骨干网利用 GPRS 隧道协议 GTP 对 IP或 X.25 分组进行封装，然后将 GTP 协议数据单元插入 TCP PDU 或者 UDP PDU 中，而TCP PD

30、U 或 UDP PDU 又是封装在 IP PDU 中进行传输。在 IP 和 GTP PDU 头部分别包含地址的隧道端点标识符(TID)，用它们来唯一确定地址和 PDP Context，从而正确地将数据包传输到目的地。 2.2.4 GPRS 系统原理系统原理系统原理系统原理 MS 与 GSM 基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，GPRS 分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN 与 GGSN 进行通信? 11 GGSN 对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自 Internet 标识有移动台地址的IP 包，由 GGSN 接收，再转发到 SGSN，

31、继而传送到 MS。SGSN 通过帧中继与 BTS 相连，是 GSM 网络与 MS 之间的接口。SGSN 的主要作用是记录 MS 的当前位置信息，并在 MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收)。 GGSN通过基于 EP 协议的GPRS骨干网连接到 SGSN， 将 GSM 网络中的 GPRS 分组数据包进行转换， 并传送到远端的外部分组交换网。GGSN 是连接 GSM 网络和外部分组交换网( Internet 和 Intranet )的网关。其原理图结构如图 2.5 所示： 2.5 GPRSE 2.3 GPRS 的应用的应用的应用的应用 GSM 系统是目前最流行的移动通信系统，它的主要应用

32、是语音通信。虽然 GSM 系统也有数据通信功能，但是传输速率只有 9.6kbps，每次传输之前都要拨号上网。GPRS网络的出现就是为了克服 GSM 网络在数据应用方面的缺点。 GPRS 是欧洲电信标准化协会(ETSI)制定的技术标准， 其目的是为了增强现有 GSM 网络对数据业务的支撑能力， 从而延长 GSM 技术的生命力，保护 GSM 网络投资。GPRS 是在现 GSM900/1800 双频系统上开发的 PDP(个人数据传输协议，目前主要是 IP)数据传输应用系统。全双工、间隙收发， 可以同时多路应用而不互相干涉。 具有永远在线的特点： 数据传输设备接入 GPRS网络，只要设备不挂断通讯，则

33、无论设备是否收发数据，将一直保持在线，甚至可以一直保持零通讯量一旦有其它设备呼叫，它能够立即响应进行数据传输。支持一对多和多 !#$%&()*+,./(012 12对多数据传输应用，通过 GPRS 设备连接互联网，就如同使用调制解调器上网一样方便快捷，是比较理想的无线数传方式。 目前 GPRS 技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型数据。块(包)数据典型的应用为电能计量和抄表等系统，其应用环境通常是配电网，分布的面很广，单独为其建立通信网成本很高，维护困难。由于此种数据类型应用一般为非实时传送，因此就更加适合 GPRS 网络的特性，在实际使用中也反映出 GPRS 网络能非常

34、好的支持这类应用。 2.4 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章系统的介绍了 GPRS 无线通信技术的有关知识。从 GPRS 系统的总体结构、传输协议结构、网络特性等方面详细介绍了 GPRS 系统，为安全、稳定的将 GPRS 技术应用于远程自动抄表系统、解决组网及接入等问题提供了技术上的支持。 3456789:;?A:;BCD 13第三章第三章第三章第三章 电能远程自动抄表系统整体构建电能远程自动抄表系统整体构建电能远程自动抄表系统整体构建电能远程自动抄表系统整体构建 远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，从宏观的角度，它分为硬件平台和系统软件两部分。作为电力配电自动化系统的一

35、个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。本课题的远程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的 GPRS 技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。 3.1 系统方案的选择系统方案的选择系统方案的选择系统方案的选择 3.1.1 自动抄表系统构建自动抄表系统构建自动抄表系统构建自动抄表系统构建 “一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点：系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的

36、通信网络。目前存在的抄表方式各有其适用场合：红外抄表只适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS-485 总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS 通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式3。在实际应用中，可以将多种自动抄表方式结合起来，构成一种复合式自动抄表方式。 本文构建的复合式自动抄表系统整体采用分布式体系结构，该系统由四部分组成：监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图 3.1 所示。自动抄

37、表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采集采用 RS-485 总线型通信方式。这种方式是以一条串行总线连接各FGHIJKLMNOPQRSTMNUVW 14分散的采集器，实现各节点的互连。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，形成 1 对 N 的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于GSM/GPRS 网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用 GSM/GPRS 网络作为上层通信方式。

38、X3.1 YZ_abcX 监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有 RS-485 接口的智能型仪表；采集器通过 RS-485 串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用 RS-485 总线把比较接近的采集器的数据汇总过来， 对它们进行分时存储， 并利用通信模块通过 GSM/GPRS 网络把数据传送给上位供电部门管理中心。因此，为了实现数据汇总和转发，集中器必须具有两部分通信功能：一是与采

39、集器之间的短距离有线通信，这部分通信主要由 RS-485 通信来完成；二是控制器和通信模块之间的 RS-232 串行通信，通过 RS-232 串行接口微控制器可以发送 AT 指令来控制通信模块以实现集中器和上位计算机之间的远距离无线通信。在本文中集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。下面两章将对数FGHIJKLMNOPQRSTMNUVW 15据采集终端的软硬件设计做详细介绍。 3.1.2 数据传输形式的选择数据传输形式的选择数据传输形式的选择数据传输形式的选择 GSM/GPRS 网络被选为上层通信方案的通信基础。基于 GSM/GPRS 网络的数据传输通常有四种方式

40、，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于 Data 方式(一种以电路交换为基础的传输方式)的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后就是通过 IP( Internet Protocol )方式的数据传输。 下面对四种基于 GSM/GPRS 网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍4。 基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用 AT 指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息后，利用 AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低(0.1 元/条)，组网使用方便，但实时性较差，

41、数据容量较低(140字节)。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。 基于 Data 方式的数据传输是利用 GSM 的 Data(与传真同)传输方式，通过 AT 指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将 ASCII 码数据送入通信模块即可。通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收 ASCII 码信息。 基于 Data 的数据传输方式数据传输安全、 实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。 通过语音方式进行数据传输， 主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数

42、据解调出来。该方案还可以通过语音通道传输双音多频 DTMF( Double Tone Multiple Frequency )编码进行数据传输， 通信方式与语音方式一样。 该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好(电路交换方式)，但由于 GSM 系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。 defghijklmnopqrklstu 16基于 IP 的数据传输方式是 GPRS 系统独有的，因为 GPRS 是在 GSM 网络基础之上新增两个节点( SGSN 和 GGSN )而形成的移动分组数据网络。由于 GPR

43、S 数据传输的基础是 TCP/IP 协议，因此基于 IP 的数据传输方式核心的内容是 TCP/IP 协议的转换。基于IP 的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是 GPRS 终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。 鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把GPRS 作为上层通信信道进行无线数据传输。同时 GPRS 又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。数据采集终端的通信模块也将相应的选择 GPRS 模块。 3.1.3 组网方式的选择组网方式的选择组网方式的选择组网方式的选择 GP

44、RS 是目前较好的无线传输方式，它在仪器的远程通信方面具有较高的性价比，它可以提供远程控制、在线监控、实时采集、实时发布等功能。因此，我们采用 GPRS作为电力抄表的上层通信方式来设计仪器的通信接口。同时根据现场环境的智能仪器仪表小型化、操作简单和成本低等要求，采用单片机为控制单元来构建整个应用系统。 利用单片机实现 GPRS 的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是 GPRS终端如何自动附着到 GPRS 网络上，对于这个问题，实际上也就是选择 GPRS 远程通信系统的组网方式。利用 GPRS 通信方式组网有三种方式，下面分别进行介绍4。 1. 专线接入方式， 从移动公司到用户的远程监控

45、中心的服务器端接一条 DDN 专线，通过数据专线将数据由 GPRS 网关服务器 GGSN 传送到监控中心， 移动公司在 GGSN 上为用户配一个专门的 APN 节点，从而在 GPRS 终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网(VPN)通道。 2. GPRS 接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请 APN 服务，获得 GPRS 内部网固定 IP，所有的 GPRS 终端在拨号上网后将获得的动态 IP 向监控中心的监控软件vwxyz| 17进行注册，以便监控中心至终端的下行通信。 3. Internet 接入方式，用户的远程监控中心采用 ADSL 等与 Internet 建立连接，申请一个公网 I

46、P 地址，通过 Internet 将数据由 GPRS 网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式：远程监控中心在连接 Internet 时向域名服务器注册动态 IP 地址，而 GPRS 终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态 IP 地址。 比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高， 但成本也高。 第二种方式的数据传输全部在 GPRS 网内进行， 安全性高， 远程的 GPRS接口终端通过 GPRS 方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内 IP，而该类 IP 很难申请到。第三种方式要求远程监控中心用有一台连接 Internet 的服务器和

47、公网 IP 地址，用户通过 Internet，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。本系统正是采用第三种组网方案，通过 GPRS接入 Internet 实现数据的传输。 3.2 系统整体方案的设计系统整体方案的设计系统整体方案的设计系统整体方案的设计 系统主要是由电度表、带 GPRS 模块的采集终端、带系统软件的主站组成。 1. 监控中心服务器 GPRS 通讯模块是以浮动 IP 地址的方式连接到 Internet 的,其 IP 地址每次连接时都不一样。监控中心的服务器本身必须绑定了

48、一个固定的 IP 地址,并且以此 IP 地址接入Internet,便于 GPRS 模块与服务器连接。这样监控中心服务器就可以从绑定的 IP 地址上接收每个 GPRS 通讯模块发送来的数据。接收到电能表数据后,监控中心软件对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,并对异常情况进行报警,同时对用户使用情况实现实时监控。 182. 电能表数据采集终端 GPRS 模块是嵌入到数据采集终端中的,与采集终端 MCU 的串行口连接,进行RS232 通讯。 采集终端通过 RS485 采集智能电能表的数据， 对数据进行简单的分类存储,然后按照与监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理, 利用短消息的方式发送

49、到监控服务器。 3. 智能电能表 智能电能表的功能是计量用电量的大小,监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485 的方式传送给数据采集终端。 用电时， 智能电能表需要先读取 IC 卡中的交费情况，再进行供电。 这样智能电能表除了计量用电量的功能外， 还需要具有读、 写 IC 卡的功能。 系统数据传输的工作原理如下：终端通过 RS232/485 接口接收用户电表的数据，然后将数据打包成 IP 协议包，通过 GPRS 模块内置的 SIM 卡搜索 GPRS 网络后接入，处理后以 GPRS 分组的形式发送到 GSM 基站， 分组数据经 SGSN 封装后， 发送到 GPRS IP骨干网，然后将分组数据

50、包经 GGSN 进行协议转换后，发送到外部 Internet 网络，再通过 GPRS 服务器，将数据发送到数据监控中心。其数据传输流程图如图 3.2 所示： RS485GPRS 3.2 193.3 系统的功能和特点系统的功能和特点系统的功能和特点系统的功能和特点 由于系统中采用 GPRS 作为传输方式，并在电表中安装了 IC 卡，因此该系统具有以下功能： 1. 定时抄表功能：对系统所有电能表进行定时抄表，抄表时间及抄表次数可设置，并保留末次抄表数据。 2. 实时抄表功能：实时抄收任一时间数据及状态。 3. 预付费控制功能：当用户发生欠费或违章用电时可切断电源。 4. 电能表监测功能：当电能表或

51、脉冲线发生故障时，系统能自动提示。 5. 系统管理功能：对通信、费率等参数进行设置，对回收数据进行统计、分析、查询、备份、报表等。 基于 GPRS 的无线网络的抄表系统结构简单，控制容易，不需要重新组网，可方便的推广到不同地域使用。GPRS 网络技术，由于引入分组概念，为设备无线接入 Internet提供了一种先进的有效的手段。使用 GPRS 的电能远程抄表系统具有以下特点： 1. 方便抄表工作：远程自动抄表提供了电能表数据抄录的计算机管理，抄表人员足不出户就可以对电能表的数据及时准确地进行抄录，极大地方便了抄表工作。 2. 系统运行稳定可靠、采集数据迅速准确。监控中心服务器能随时对电能表的数

52、据进行采集，对采集到的数据进行统计分析，可随时对计量装置的运行情况进行监测，及时发现异常情况，及时处理。 3. 原始数据的唯一性：抄表系统在设计上，严格遵循电能量数据唯一性、安全性以及不可修改性的原则。 4. 实时性强：由于 GPRS 具有实时在线特性，系统无时延可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。 5. 可对电能表设备进行远程控制： 通过 GPRS 双向控制还可实现对电能表设备进行 20远程控制。 3.4 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章通过对比自动抄表系统的实现方案，构建了一种底层通信基于 RS-485 总线，上层通信基于移动通信系统的复合式自动抄表系统。 分析了基于 GS

53、M/GPRS 的四种数据传输方式，基于短消息的数据传输方式适用于本系统。分析了 GPRS 通信的三种组网方式，Internet 接入方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。从而在系统构建数据传输和组网方式上完成了复合式自动抄表系统的构建。本系统中最关键的部分是抄表集中器即 GPRS 无线数据采集终端的设计实现，这将是下面两章的主要内容。 ? 21第四章第四章第四章第四章 电能远程自动抄电能远程自动抄电能远程自动抄电能远程自动抄表系统的硬件设计表系统的硬件设计表系统的硬件设计表系统的硬件设计 任何一个系统功能的实现都离不开硬件的支持，它是系统功能实现的物质基础。硬件的设计要

54、根据功能的要求和系统的工作原理来进行。上一章介绍了基于 GPRS 的自动抄表方案的整体系统构建，对于该系统来说，最关键的部分是集中器即数据采集终端的实现，它连接上位监控中心服务器与下端抄表采集器。本章将主要介绍数据采集终端的硬件系统设计。图 4.1 所示为系统硬件结构框图： 4.1 K? 数据采集终端的一方连接着 GPRS 网络，另一方连接着采集器或电能表，起着管理和协调 GPRS 网络和仪表数据通信的作用。由于无线传输是基于 GPRS 的，所以抄表数据采集终端也可以称为 GPRS 终端。它的设计要求和难度都比较高，一般要完成硬件和软件的设计。抄表终端的硬件设计一般厂商都会选用世界知名厂商生产

55、的 GPRS 模块作为抄表终端同 GPRS 网络连接的中间件，实现同基站空中接口的连接，选用高速微处理器连接仪表和 GPRS 模块，处理两者数据通信问题。 22数据采集终端的总体结构示意图如图4.2所示， 由微控制器MCU为核心， 通过RS232接口控制 GPRS 模块建立同移动基站的链接， 以及提供同采集器或电能表通信的 RS-485接口。 4.2 - !#$?%& 4.1 电能表的概述电能表的概述电能表的概述电能表的概述 电能表(也称电度表)是记录电能累积值的专用仪表，是所有电气测量仪表中使用量最多的仪表。在发电、供电、用电过程中，其发电量、供电量、用电量的多少离不开电能表的计量。电能表的

56、种类型号很多，但它们的基本结构大同小异。由驱动元件、转动元件、制动元件、积算机构(记度器)、调整装置及辅助部分组成5。 4.1.1 电能表的选择电能表的选择电能表的选择电能表的选择 目前我国的电能表按其用途可分为以下几类： 1. 单相电能表：单相电能表广泛应用于计量居民、机关、商店等的照明、家电等用电量，这是应用最多的一种电能表。 2. 三相有功电能表：三相有功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的有功电量，这是最重要的一种电能表。 3. 三相无功电能表：三相无功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的无功电量，加装后可用来反应用电户使用的无功电量，间接地

57、促使用户提高功率因素。 ()*+,./0123456/0789 234. 最大需量表：最大需量表应用于计量工厂企业使用有功电量，同时还能指示出在指定时间间隔内平均最大功率的电能表。 5. 复费率电能表：复费率电能表又叫分时计费电能表，它是将昼夜里指定几个时段进行累计每个时段的用电量。 6. 损耗电能表:损耗电能表一般有变压器损耗电能表和线路损耗电能表两种。 根据系统的设计需求，本设计选用属于复费率电能表一类的具有预付费功能的 IC卡电能表，它能够很好的实现自动抄表系统所需要的各种功能。IC 卡电能表的注成框图如下图 4.3 所示： : ; ? ABCD EF GHI JDLM NDOPDQRI

58、CSTUVW X4.3 ICYZ_X 4.1.2 IC 卡电能表的简介卡电能表的简介卡电能表的简介卡电能表的简介 IC 卡式表主要由电能采集单元、微控制器和存储器构成。机电一体式 IC 卡电能表的电能采集单元通常由光电传感器将感应表转盘所转圈数转化为脉冲数，供微控制器采集；全电子式 IC 卡电能表由光电隔离器将用电脉冲传给微控制器。微控制器(俗称单片机)则完成计算、读写卡、逻辑判断、加密运算、控制等各种复杂有序的工作，从而实现有功分时计电、有功分时段和电量段计价、无功分时计电、有功和无功最大需量计量、功率因数测量、功率限制、时钟自动校准、自动编程、反馈一年数据、报警和跳合闸等abcdefghi

59、jklmnohipqr 24一系列功能。 4.1.3 IC 卡电能表的工作原理卡电能表的工作原理卡电能表的工作原理卡电能表的工作原理 每一 IC 卡电能表都有一个编码和用于插入 IC 卡的插槽，每一用户有一张与电能表配合使用的 IC 卡。IC 卡的编码与电能表的编码相同，它是用来在供电部门与用户之间传递用电量的装置。为防止别人伪造，IC 卡密码经常互换。由于不同的 IC 卡密码互不相同，用户之间不可相互借用。IC 卡可反复多次使用。供电部门将用户预先购买的用电量写入用户的 IC 卡， 并将卡置为有效。 当用户将有效的 IC 卡插入电能表的 IC 卡插槽中，电能表将 IC 卡的购电量读进， 与以

60、前的剩余电量相加后， 经电能表面板上的显示器显示出来，同时将 IC 卡置为无效此时 IC 卡即可拔走。当将一无效的 IC 卡插入时，电能表会自动识别，不产生允许用电动作。IC 卡电能表采用倒计数的方法进行计量，显示器显示出的是用户可用的剩余电量，当剩余电量少到一定数量时，发出报警，提醒用户及时购电；购电量用完前某一时刻起，连续报警。提醒用户做好断电前的准备，然后电能表自动切断电源。电能表内的备用电池可在停电情况下使电能表所记数据信息保存几个月而不丢失6。 4.2 RS485 总线总线总线总线 RS485 的接口是 TLA/EIA-485 所描述的接口。 RS-485 收发器采用平衡发送和差分接

61、收，即在发送端，发送器将 TTL 电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成 TTL 电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达 200mV 的电压，故数据传输可达千米以外。485 最大传输速率可达 10Mbps，当波特率为 1200bps 时，最大传输距离理论上可达 15 千米。RS-485 接一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线就能完成双向通信，很方便地构成一点对多点通信。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接 128 个节点。RS-485 总线抄stuvwxyz|z 25表系统结构如图 4.4 所示。 RS-485 总线抄

62、表系统采用主从式结构， 其中集中器作为主机，各个电能表作从机。集中器与 RS-485 总线连接端设置有偏置电阻和终端匹配电阻，电能表 N 的 RS-485 总线末端设置端匹配电阻。RS-485 总线抄表一般使用双绞线作为网络总线， 对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、 抗雷电及抗静电放电冲击的收发器，直接使用 RS-485 驱动芯片即可构成通信网络。RS-485 总线抄表方式技术简单、成熟，易于实现，且总线传输速率高，可靠性好。 4.4 485 4.3 主控制器与外围电路的设计主控制器与外围电路的设计主控制器与外围电路的设计主控制器与外围电路的设计 用单片机作为智能系统的核心部件，是目前作

63、为智能仪表设计的一般方法，目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有 8 位机、16 位机、32 位机，其中 32 位单片机在语音处理、图象数字处理等数字信号处理运用的范围这几年得到广泛的运用，但在工业测控现场，占主导地位的还是 8 位机和 16 位机，对本课题涉及的带有 GPRS 模块功能的数据采集终端的设计，运用单片机的主要目的是构成一个既能与 GPRS 模块进行交换数据，又能与电能表交换数据的计算机系统，它所处理的信息量和复杂程度用 8 位机己经足够了， 对单片机主要的要求是带有串行通信功能即可满足要求， 目前， 无论Intel、philips、Microchip、Motorola、A

64、tmel 等著名的半导体企业，还是市场份额较小的半导体厂商，其生产的单片机都能满足本课题的要求。本课题选用 Atmel 公司的 AT89C51 芯片主控制器，其结构特点介绍如下。 264.3.1 AT89C51 芯片基本结构和特点芯片基本结构和特点芯片基本结构和特点芯片基本结构和特点 本设计中选用的单片机芯片 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片

65、内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域， 主要性能参数如下7： 1. 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容 2. 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 3. 1000 次擦写周期 4. 全静态操作：0HZ-24MHZ 5. 三级加密程序存储器 6. 288 字节内部 RAM 7. 32 个可编程 I/O 口线 8. 2 个 16 位定时/计数器 9. 6 个中断源 10. 可编程串行 UART 通道 11. 低功耗空闲和掉电模式 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 F

66、lash 闪速存储器，128 字节内部 RAM， 32个 I/O 线，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其 27它所有部件工作直到下一个硬件复位。其芯片引脚如图 4.5 所示： P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD

67、)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14VC C40P0.0(AD0)39P0.1(AD1)38P0.2(AD2)37P0.3(AD3)36P0.4(AD4)35P0.5(AD5)34P0.6(AD6)33P0.7(AD7)32EA/VPP31ALE/(PR OG)30PSEN29P2.7(A15)28P2.6(A14)27P3.5(T1)15P3.6(WR )16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20P2.5(A13)26P2.4(A12)25P2.3(A11)24P2.2(A10)23P2.1(A9)22P2.0(A8)21AT89C5

68、1 4.5 AT89C51 设计中用到的部分引脚功能说明： VCC：电源电压 GND：地 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑电阻。 对端口写 “1” ， 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 Flash 编程和程序校验期间，P 1 接收低 8 位地址。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，

69、它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部电阻拉低的 P3 口将会输出一个电流。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，其第二功能引 28脚定义如下表 4.1 所示： 4.1 P3 P3.0 RXD() P3.1 TXD() P3.2 INT0(0) P3.3 INT1(1) P3.4 T0(/0) P3.5 T1(/1) P3.6 WR() P3.7 RD() P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入，当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 XTAL 1：振荡器反相

70、放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 时钟振荡器： AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器， 引脚XTALl和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图 4.6 外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容 C1， C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 C1，C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用 30pFl0pF，而如使用陶瓷

71、谐振器建议选择 40pF10F。 29也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图 4.7 所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTALl 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。 C130PFC230PFY111.0592M HZXTAL2XTAL1GND NCTextTextText 图 4.6 自激振荡电路 图 4.7 外部时钟电路 51 单片机内部的基本功能模块如图 4.8 所示，它可以划分为 CPU、存储器(RAM 和ROM)、并行口、串行口、定时器/计数器和中断系统等部分。 4.8 51 4.3.2 微控制器外围电路的设计微控制器外围电路的设计微控制器外围电路的设计微控制器

72、外围电路的设计 通信接口电路由两部分组成，一个通过 MAX485 和有 RS-485 总线标准的采集器相 30连接，负责采集采集器的数据，并根据相关协议，发出相应的命令，使采集器上传相应的数据。另外一个通过 MAX232 和留有 RS232 标准接口的 GPRS 模块相连接，从而实现对 GPRS 模块的控制，并把采集所得的数据通过 GPRS 模块传送到 Internet 网络，实现与用电管理中心的通信。下面对两部分电路进行具体的介绍。 RS-485 接口部分示意图如 4.9 所示： ABVC C8B7A6GND5RO1RE2DE3DI4U1MAX485R2120R320KR120KVC CC1

73、0.01uFP1.0RXDTXD 4.9 RS-485 本接口部分通过 RS-485 总线实现控制器和采集器的连接，每一个主控制器通过RS-485 总线可以最多挂接多达 128 个采集器， 可以实现一片控制器对多个点数据量的测量与传输。通信网络各节点均带有 RS-485 串行通信接口。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当(120 欧)。网络接口均采用 MAXIM 公司的半双工 485 总线收发器MAX485。其控制十分简单，RE 为接收控制端，DE 为发送控制端。用 AT89C51 的一个串行口与两个控制端相连，平

74、时置 P1.0 为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使 P1.0 为高。 GPRS 控制接口电路为 RS-232 标准接口，如图 4.10 所示。 31C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2out7R2in8R2out9T2in10T1in11R1out12R1in13T1out14GND15VC C16U5MAX232VC CC91uFC71uFC81uFC101uFRXDTXDP3.0P3.1GPRS 4.10 RS-232 通过标准 RS-232 接口可以把相应的设置命令，以及需要传递的标准数据发送给GPRS 模块， 从而使 GPRS 模块完成相应的动作。 网络接口采

75、用了 Maxim 公司的 MAX232总线接口芯片，该芯片可以把一侧的 TTL 电平转换为另一侧的 RS-232 电平，也可以把RS-232 电平信号转换为 TTL 电平的信号，从而实现 GPRS 模块和单片控制器的通信。 4.4 通信模块硬件设计通信模块硬件设计通信模块硬件设计通信模块硬件设计 4.4.1 通信模块的比较选择通信模块的比较选择通信模块的比较选择通信模块的比较选择 通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分，它通过 AT 指令实现对短信收发模块的控制，把电能数据以短消息的形式送至管理端，并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。 目前， 用于工业系统的 GPRS 数据传输模块

76、比较多， 主要有西门子公司的 MC 系列、摩托罗拉的 G18 和 G20、Wavecom 公司的产品以及 SIMCOM 公司的 SIM 系列等。下面对这些产品进行一下对比8： ? 321. 西门子 MC35i MC35i 是新一代 GSM/GPRS 双模模块，它采用紧凑型设计，完全兼容于上一代的MC35 产品，为用户提供了简单、内嵌式的无线 GPRS 连接。MC35i 的 GPRS 永久在线功能提供了最快的数传速率。体积小巧，功耗低，能提供数据、语音、短信、传真功能，可广泛用于遥感测量记录传输、远程信息处理、电话。 2. 摩托罗拉 G18 和 G20 两个模块主要差别在于 G20 集成了 TC

77、P/IP 协议，但价格较高，Motorola 的 GPRS通信模块 G18，性能优越，适用性强，从根本上解决了 GPRS 无线通信和数据传输终端的协议瓶颈和成本问题，广泛应用于短信中心、GPRS 无线上网、GPS/GSM 卫星导航、监控系统、等 GPRS 无线通信及数据传输的产品。 3. Wavecom 公司的 Q2406 Wavecom GSM 调制解调器是Wavecom 公司研制的通信产品， 是一种可以进行话音、短消息、数据及传真传送功能的 Phase2+ GSM 调制解调器。它拥有双频功能(900/l800MHZ)、支持 WAP，GPRS 通信技术使其可以在多层面上使用。它体积小，功耗低

78、，温度条件高于 GSM 标准，工作温度为-2050，存贮温度为-2570。Q2406是 WSIMO Quik 型号中的全新产品，再次显示了 Wavecom 在整合及协调无线通讯模块的领导地位。 4. SIMCOM 公司的 SIM100 SIM100 是 SIMCOM 推出的 GSM/GPRS 双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM100 集成了完整的射频电路和 GSM 的基带处理器，适合于开发一些 GSM/GPRS 的无线应用产品，如移动电话、PDA、PCMCIA 无线 MODEM 卡、USB 无线 MODEM、无线 POS 机、无线抄表、无线数据传输业务，无线公用电话

79、、无线商务电话、监控、调度、车载、遥控、远程测量、定位、导航等系统和产品，应用范? 33围十分广泛。SIM100 模块为用户提供了功能完备的系统接口，用户只需投入少量的研发费用，在较短的研发周期内，就可集成自己的应用系统。用户的主要工作集中在控制系统和人机界面方面。 4.2 u MC35i T( 4TCP/IP G20 Q( !(#$%& T)*! Q2406 (*+ 4TCP/IP SIM100 TCP/IP?ABCDEFGHIJKLEFMNO 34 7. 电源电压范围：3.3V 到 4.6V 直流，待机电流：4mA； 8. 外部 SIM 卡，外部天线； 9. 60 针外部系统连接器； 10

80、. 工作温度：-35+75。 SIM100 管脚封装如图 4.11 所示。 PWR1PWR3PWR5PWR7GND9GND11GND13GND/VRTC*15VDD_EXT/VEXT*17SIM _VDD19SIM _I/O21SIM _CLK23SIM _RST25KB C0/GPO227KB C1/GPO329KB C2/GPO431KB C3/GPO533KB C4/GPO635KB R0/GPI737KB R1/GPI839KB R2/GPI941KB R3/GPI1043KB R4/GPI1145DB GRX47DB GTX49AGND51MIC1P53MIC1N55MIC2P57P

81、WR2PWR4PWR6PWR8GND10GND12GND14GND/VANA*16SPI_DATA 18SPI_CLK20SPI_CS22SPI_D/C24SPI_RST26DC D/GPIO028LED/GPIO130Buz zer/GPIO1232ON/OFF34RESET36DTR38RXD40TXD42RTS44CTS46RI48AGND50ADC052SPK1P54SPK1N56SPK2P58SPK2N60MIC2N59SIM 100 P4.11 SIM100RP SIM100 模块共有 60 个引脚，这 60 个引脚分为 5 类，即电源、数据输入和输出、音频接口、控制接口。第 1-

82、17 脚为电源部分，其中 1-8 脚均为电源电压输入端，9-14 脚接地，16 脚 VANA 为模拟电压输出，17 脚为数字电压输出。19-25 脚为 SIM 卡引脚，27-46 脚中奇数脚为键盘输入引脚，偶数脚为接 RS-232 输入输出引脚，53-60 脚为音频接口，即麦克风和受话器输入脚，20 脚为 SPI 时钟。34 脚为模块启动开关，36 脚为模块复位信号。 ?ABCDEFGHIJKLEFMNO 354.4.3 GPRS 模块模块模块模块 SIM100 与外围电路设计与外围电路设计与外围电路设计与外围电路设计 1. 电源电路： SIM100工作时共有三组电源，一是SIM100模块使用

83、电源PWR，其范围3.3V-4.6V，电源应该具有至少2A的峰值电流输出能力； 二是用于保证模块与外部数字接口的电平匹配的电压VDD_EXT，其范围2.7V-3.5V，该电源具有50mA的输出能力；三是用于给音频电路提供电源VANA，其电压为2.5V，且该电源具有50mA的输出能力。显然对于我们只传输数字信号的系统，用于模拟信号系统的VANA电压是不再需要的。本设计根据相关资料提供的参考电路设计了如图4.12所示的电源变换电路。 IN1OUT3GND2MIC29300-BT3.3IN2EN1OUT4ADJ5GND3MIC29302BT+5VGNDE2100uFR18100KR20470E310

84、0uFR1943KE44.7uF S4.12XUVWXYS 图中的MIC29302BT、MIC29300-BT3.3均为低电压失稳器件，其峰值电流都能达到3A， 大于GPRS模块SIM100的1.7A的要求， 其失稳电压约为300-370mV， 其中MIC29302BT为5端器件，MIC29300为3端器件，5端的MIC29302BT具有关断的功能(1脚为控制端)，关断的漏电流为0，MIC29300的为固定输出电压为3.3V，MIC29302BT的输出电压为可调整(5脚为调整端)的， 其输出为1.24(1+R21/R22)，在我们的设计中，R21为100K， R22为43K，故设计的电压输出为

85、4.12V，而SIM100要求的电压范围为3.3V4.6V。我们的直流原始输入为5V，MIC29302BT的输出作为MIC29300的输入均符合失稳电压的要求。 2. 工作状态电路的设计 工作状态电路包括通信时的网络指示灯和蜂鸣器的声音这两种声光信息。 Z_abcdefghijcdklm 36SIM100 的 30 脚提供网络状态指示灯输出信号。网络状态指示灯电路设计如图 4.13所示。 R132.2KR15100KR14300Q1NPND3LED/GPIO1PWR S4.13 nopqrXYS 根据 SIM100 的文档说明，可以从网络指示灯上的亮熄信息来判断 SIM100 的工作情况。状态

86、指示灯的亮熄情况与工作状态关系见表 4.3。 s4.3tpqrvwxyzt|s LEDt yzt OFF 64ms ON/ 1s OFF no 64ms ON/ 3s OFF no 64msON/ 300ms OFF GPRS 64ms ON/ 1500s OFF (PDP context) 蜂鸣器由 SIM100 模块 32 脚输出数字信号控制。当有电话呼入或信息收到时，蜂鸣器将发出音乐声以提示来电。声音的大小可以用命令 AT+CRSL=Value(value 的范围为0-100)来改变铃声大小。蜂鸣器电路见图 4.14 所示。 Z_abcdefghijcdklm 37Q2NPNR17100

87、KR162.2KD4PWRBuz zer S4.14 XYS 3. 卡座电路的设计 SIM卡是GPRS模块工作不可缺少的一个部分，它是连接GSM网络和GPRS模块电路的一个桥梁。由于SIM100模块支持外部SIM卡，可以直接与3.0V SIM卡或者1.8V SIM卡连接。SIM100模块能自动监测和适应SIM卡类型。设计的卡座部分的电路如图4.15所示。 R1022R922D1D3D2D4R12 10KC6220nFR1122VC C6RESET5CLK4GND1VPP2I/O3U4X202SIM _VDDSIM _I/OSIM _CLKSIM _RST S4.15 efXYS 图中R9-R1

88、1是限流电阻，其值较小，主要起保护作用，在SIM卡座各引脚的位置放置瞬变电压抑制二极管(TVS管)是为了防止静电损坏。 Z_abcdefghijcdklm 384. 复位电路 在应用设计中只要将/RESET 脚连接到一个接地的4.7uF 电容即可实现电路的复位作用。 在实际应用中，RESET 和ON/OFF 可由MCU 控制，MCU 通过对ON/OFF 和RESET 的控制可以实现模块的关机，具体程序为：MCU 先发命令( AT+CFUN=0，1)，模块开始注销网络登记，然后使ON/OFF 信号为反向有效(0FF 有效)，再使RESET 有效(低电平维持100ms 以上)，这样就可以关掉模块。

89、模块关机后的电流为50uA。 关机的时序如图4.16所示： S4.16 S 4.4.4 GPRS 模块模块模块模块 SIM100 的调试的调试的调试的调试 1. 对模块进行简单短消息发送测试 使用数据线连接GPRS模块和计算机串口，将SIM卡插入SIM卡座内，接上模块电源线，检查无误后加电。打开开始菜单超级终端，输入连接名称GPRS。选择串口COM1，这是根据准备工作中模块连接的串口选择的。对端口进行设置：波特率：9600，数据位：8，奇偶校验：无，停止位：1，数据流控制：硬件。超级终端中输入：AT，返回OK，说明模块处于正常工作状态。然后可以通过AT命令实现短消息的发送。 2. SIM100

90、实现GPRS无线上网业务调试 使用该模块通过GPRS上网首先要求SIM卡开通GPRS服务，来进行信道检验。实现 39GPRS无线上网，要把模块速率调为115200bps，建立新的网络连接，建立连接过程中ISP号码为移动公司提供的无线上网号码，用户名和密码可以忽略不填，这也是PPP协商中选择PAP认证的理由，最后单击拨号，使GPRS成功登录到Internet上。通过对GPRS模块的控制，可以打通复合式自动抄表系统上层通信链路，这是抄表系统实现的通信基础。 4.5 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章系统构建了自动抄表数据采集终端的硬件平台，通过性能分析选择了适合本系统的 IC 卡电能表，并介绍

91、了 IC 卡电能表的组成及工作原理；分析了目前市场上的无线GPRS 通信模块，选择了一款性价比较高的 SIM100 模块，微控制器采用 8 位的单片机芯片 AT89C51，并对单片机和通信模块做了简要介绍，包括 AT89C51 的外围接口电路设计、与 GPRS 模块 SIM100 的串口接口电路和 GPRS 模块的外围电路设计硬件设计；对 GPRS 模块进行了简单实验，打通了上层通信网络；在硬件设备上基本实现了远程自动抄表系统的功能。 40第五章第五章第五章第五章 电能远程自动抄表系统的软件设计电能远程自动抄表系统的软件设计电能远程自动抄表系统的软件设计电能远程自动抄表系统的软件设计 5.1

92、AT 指令集指令集指令集指令集 5.1.1 AT 指令简介指令简介指令简介指令简介 AT指令AT即Attention， AT指令集是从终端设备( Terminal Equipment， TE )或数据终端设备( Data Terminal Equipment，DTE )向终端适配器( Terminal Adapter，TA )或数据电路终端设备( Data Circuit Terminal Equipment，DCE )发送的。通过AT，TE发送AT指令来控制移动台( Mobbile Station，MS )的功能，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务

93、、传真等方面的控制。90年代初，AT指令仅被用于Modem操作，没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫SMS Block Mode的协议，通过终端设备(TE)或电脑来完全控制SMS；几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP共同为GSM研制了一整套AT指令，其中就包括对SMS的控制；AT指令在此基础上演化并被加入GSM07.05标准以及现在的GSM07.07标准，完全标准化和比较健全的标准。GSM模块与计算机之间的通信协议是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，回车字符结束的字符串，指令中的字符串根据不同的命令有不同特定的字符串。每个指令执行成功与否都有相应的返回。其

94、他的一些非预期的信息（如错误的指令、如在没返回前再发指令等），模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理10。 常用的AT指令集包含一般命令、呼叫控制命令、网络服务相关命令、电话本命令、短消息命令、GPRS命令等。AT指令是短信收发模块与外部控制设备之间的接口。为了实现短消息的收发和系统的控制与管理，可通过设定特征字符的方法实现通讯控制模块和短信收发模块之间的数据传输。通信控制模块通过串行口与GPRS模块进行数据传输。此模块工作时，如接收到GPRS模块传送的数据，便进入串口中断服务程序。在中断服 41务程序中，对接收到的数据进行检测，如果检测到某一特征字符便调用相应的子程序。 5.1.2

95、 本系统用到的全部本系统用到的全部本系统用到的全部本系统用到的全部 AT 指令指令指令指令 在整个软件设计中AT指令是连接系统工作的主要部分，它也是无线模块SIM100工作的支柱。因此AT指令的正确运用与否直接关系系统的工作效率和功能的实现，现将主要的AT指令介绍如下： 1. ATEO：关模块回显输入指令，返回“OK”表示设置成功； 2. AT+CMGF=1：设置消息内容为文本模式，返回“OK”表示设置成功； 3. AT+CNMI=2,1,0,0,0：设置接收格式，返回“OK”表示设置成功； 4. AT+CMGL=“ALL”：读取所有短信，通过这条指令可获取短信号； 5. AT+CMGD=(短

96、信号)：删除某条短信，返回“OK”表示删除成功； 6. AT+CMGS=“手机号码”：发送短消息，等返回“”后，可写发送短信内容，用组合键“Ctrl+Z”(ASCII码为1AH)发送，发送成功后+CMGS短信号，通过这条指令发送本地IP和端口号； 7. AT+CMGR=短信号：读取短信内容，该短信号为SIM卡中预读取短信的号码，短信号可从接收短信指令中获取，即“+CMTI：(空格)“M”，(空格)短信号”指令中的“短信号”； 8. AT+CIPCSGP=1，“cmnet”：设置GPRS方式，返回“OK”表示设置成功； 9. AT+CLPORT=UDP，“0000”：设置UDP端口号，返回“OK

97、”表示设置成功； 10. AT+CSTT：启动TCP任务，返回“OK”表示设置成功； 11. AT+CIICR：激活场景，返回“OK”表示设置成功； 12. AT+CIPFSR：获得SEVRER的IP地址，通过这条指令可获取设置UDP之后的IP地址； 13. AT+CIPSTART=“UDP”，“REMOTE IP ADDR”，“REMOTE PORT”：注 42册UDP连接，其中“REMOTE IP ADDR”和“REMOTE POTR”可以随便设置一个，成功设置后返回“CONNECT OK”。 14. AT+CIPCLOSE：注销当前UDP连接； 15. AT+CIPSEND：向SEVRE

98、R发送数据，等返回“”后，可写发送短信内容，用组合键“Ctrl+Z”(ASCII码为1AH)发送，实现无线抄表命令的发送及数据的抄送。 从上述指令不难看到，其中第一条用于关闭系统的回显，是初始化的一部分；第二条到的七条(共六条)起到短信的设置、读写、发送等作用；第八条到第十四条(共七条)是GPRS及UDP/IP的设置、连接等方面的指令；而第十五条则是通过GPRS的SERVER功能来发送抄表命令及抄表数据的。有了这些AT指令，就可以使用SIM100的短信息和数据传输业务功能，进而完成本系统的抄表功能。 5.2 主程序设计主程序设计主程序设计主程序设计 软件部分主要由监测点数据采集和远程数据通信两

99、个模块组成。监测点数据采集模块实现集中器通过RS-485 总线抄收各监测点数据的功能。远程数据通信模块实现集中器通过GPRS 方式与监控中心通信的功能。 AT89C51 的主程序大部分是调用相应的子程序来实现电能数据的采集和通信功能，它是整个电表的设计主线。 上电复位后进入主程序， 除了初始化程序和模块启动程序外，其他部分是一个无限的循环过程，电表的所有功能都在这个循环里面执行，除非系统掉电或者程序的干扰而跑飞，执行的过程是不会跳出这个循环的。远程自动抄表系统的整个程序流程如图 5.1 所示： 从主程序流程图里面，可以清楚的见到，整个系统的畅通运行，对每个子程序的要求是很高的， 不仅仅在性能上

100、要能够达到要求， 而且在子程序的嵌入上也要十分的注意。 ? 43 5.1 ? 5.3 子程序设计子程序设计子程序设计子程序设计 5.3.1 电能表的软件设计电能表的软件设计电能表的软件设计电能表的软件设计 IC卡电能表是预付费电能表的一种，属于智能电表，单片机是智能仪表的核心，其主要功能是接收用电量信息，对其进行相应处理，然后显示处理结果。IC卡电能表的软件流程图如图5.2所示： 44 5.2 ICW !#$%& IC卡电能表软件流程图主要包括以下几部分的操作： 1. 对IC卡的操作 主要是实现对IC卡的读写操作，当IC卡插入插槽时，向CPU发出一中断请求信号，CPU响应中断后，即对IC卡进行

101、读写操作。首先读入IC卡的购电卡标志，判断有效后在读入IC卡的主机号、用户号，并与内卡中读出的主机号及用户号进行比较，若结果一致，随即读出IC卡的本次购电量，并将其与内卡中的余额进行累加，把新的余额保留在内卡内，然后把IC卡中本次购电余额设置为零，改写IC卡的购电卡标志为用户标志，并把用 45电总量、 本月用电量等信息写入IC卡， 以便下次购电时售电机能直接读取这些用户信息。 2. 电能的计量 主要是完成对用户用电量的多功能计量，如分时计量、最大需量计量、有功及无功计量等，并采用倒计度的方式，每次从用户购电的剩余电量中减去用电量，余额即为新的用电量。 3. 报警、断电控制 对新的剩余电量进行判

102、断，若发现新的剩余电量已小于某一余额值，则驱动蜂鸣器蜂鸣或报警灯闪烁数秒报警，提醒用户及时到购电部门购电，若判断剩余电量已小于1KWh，则控制切断继电器，停止对用户供电，直至用户再次购得电量为止。 4. 其他控制功能 控制实现各种用电信息，如显示时间、剩余电量、当前电价、本月电量等，防窃电控制、通电复位判断等。 5.3.2 RS485 串行通信子程序串行通信子程序串行通信子程序串行通信子程序 采集监测点数据的接口符合的RS-485总线接口标准，集中器只需按照定义好的协议通过串口接收数据。集中器与各监测点之间采用主从通信方式，集中器做主机，监测点作从机。监测点响应主机的数据通讯请求上传数据。在系

103、统中给每个监测点分配一个唯一的地址号，此地址号唯一区别各监测点。集中器抄收监测点数据时，主动呼叫监测点，发送控制指令读取数据，指令中包含有监测点的地址码，只有当监测点接到的地址码与本机地址码相符时，监测点采集器才响应指令，发送数据，集中器接收数据。 5.1 R()*+,-./0123 START ADDRESS FUNCTION DATA LRC END 1Byte 2 Byte 1 Byte 3 Byte 1 Byte 2 Byte 456789:;?AB;CDE 46说明：START为起始标志，占1个字节，用来表示通讯头；ADDRESS占2个字节，表示各监测点的地址；FUNCTION为命令

104、号，包括11H和12H，其中11H表示采集监测点数据，12H表示集中器向监测点发送指令；DATA为数据段，根据FUNCTION的不同而变化，11H时为采集到的监测点数据，12H时表示集中器下发的指令；LRC为校验码，采用CRC校验；END为结束码，表示命令的格式。集中器通过RS485总线与监测点串行通信流程如图5.3所示： F5.3 RS485aG/0HIJ 由于RS-485 总线是异步半双工的通信总线，在任意时刻，与总线连接的监测点只能有一个处于发送状态，若有多于一个监测点同时发送数据，就会发生总线冲突，使整个系统通信瘫痪。同时，半双工的通信方式在数据的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序

105、上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统瘫痪，无法正常工作，因此集中器发送给各监测点控制信号在时序上要完全隔开。 456789:;?AB;CDE 475.3.3 串口通信子程序串口通信子程序串口通信子程序串口通信子程序 1. 工作原理 串行通信中， 发送时CPU向SBUF写入数据就启动了发送过程， 在发送控制器的控制下按设定波特率的速率由低位到高位一位一位发送，当一帧数据发送完毕，置位发送中断标志T1(SCON.l)，该位可作为查询标志，如果设置为允许中断，将引起中断，CPU再发送下一帧数据。接收时，需预先置位REN(SCON.4)即允许接收，接收方按设定的波特率将对方发来的数据由低位到高位顺

106、序进入移位寄存器， 当一帧数据到齐接收缓冲器满，置位接收中断标志RI(SCON.0)，该位可作为查询标志，如果设置为允许中断，将引起接收中断，通过读SBUF，CPU即可将这帧数据读入。 2. 波特率的设定 在串行通信中，收发双方对发送和接收数据的速率(即波特率)要有一定的约定，51的波特率发生器的时钟来源有两种，一是来自系统时钟的分频值，由于系统时钟的频率是固定的，所以此种方式的波特率是固定的，另一种是由定时器1提供，波特率由Tl的溢出率控制，T1的计数初值是可以软件改写的，因此是一种可变的波特率方式，此时T1工作于定时方式2。波特率是否提高一位由PCON的SM0值确定，SMOD=l时波特率加

107、倍。 3. 串口的工作方式 串行口的工作方式有四种：由SCON中的SM0、SM1定义，编码及功能如表5.1所示： K5.1 LMNOPQST SM0 SM1 U ST 0 0 0 VXYZU(_I/ON) 0 1 1 8XUARTbcde(Tlfc/n) 1 0 2 9XUARTbcgfosc/64hfosc/32 1 1 3 9XUARTbcde(Tlfc/n) ijklmnopqrstuvwpqxyz 48在这四种工作方式中，串行通讯只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入输出口。根据本系统的需要，采用工作方式1，在这里只简单介绍工作方式1：将SM0、SM1位设置为0、1，则串口工

108、作在工作方式1，此时串行口是一个10位异步串行接口(UBRT)。这里传送的一帧长度为10位，包括l位起始位、8位数据位和1位停止位，不包括奇偶校验位。RXD为数据接收端，TXD为数据接收端，波特率由定时/计数器T1的溢出率决定。 利用串口接收和发送数据的程序流程图如图5.4、5.5所示 5.4 LN| 5.5 LN 4. 定时器溢出率的计算 定时器T1的溢出率，是指单位时间内定时器T1的溢出次数。设定时器初值为N，则ijklmnopqrstuvwpqxyz 49定时器溢出率的计算公式如下： ()nTn=2121晶振频率溢出率 (5-1) 此时的波特率计算公式应为： 溢出率定时器波特率12TSM

109、OD= (5-2) 因此，可以求得定时器初值N的值为： 12322256=波特率晶振频率SMODN (5-3) 这样就可以求出不同波特率对应的TL1的初值，在本实验中，波特率一般为9600，SMOD=1，单片机的晶振频率为11.0592MHZ，则定时器Tl的初值应设为： HFNSMOD825012329600100592.1122561232225661=波特率晶振频率 (5-4) 5.4 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章对AT指令作了简单的介绍，指出了在本设计中用到所有AT指令，并对远程自动抄表系统的软件设计作了详细的介绍， 包括各个子程序的流程图以及实现方法的说明。基本实现了远程自动

110、抄表对监测点数据的远程采集和实时监控的功能。 50第六章第六章第六章第六章 总结与展望总结与展望总结与展望总结与展望 6.1 总结总结总结总结 随着无线通信技术的发展，GPRS产品在数据传输领域的应用日益广泛。将GPRS技术引入到电力系统应用中，是一个非常新的思路，本文所做的主要工作包括： 1. 基于GPRS的电能远程自动抄表系统的构建 通过方案对比，本文构建了底层通信基于RS-485总线传输，上层通信基于GPRS无线网络相结合的远程复合式自动抄表系统。分析了基于GPRS通信的三种组网方式，由于GPRS是支持IP协议的，组网方面可以采用通过GPRS接入Internet的方式，从而在整体上完成对

111、远程自动抄表系统的构建。 2. 自动抄表数据采集终端的硬件设计 自动抄表数据采集终端的硬件设计包括微控制器与GPRS模块的外围和接口电路设计。微控制器选用8为的单片机AT89C51，GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM100模块。该终端硬件结构简洁，系统功耗低，运行稳定可靠。 3. 自动抄表数据采集终端的软件实现 软件设计方面，首先对在编制软件中用到的AT指令作了简单的介绍，然后详细的设计了抄表系统实现的程序流程图并对其实现的方法做了说明。 该终端不仅满足电力系统应用的需求， 而且还可以用在其它的远程无线监控系统中，具有广阔的应用前景，能带来一定的经济和社会效益。 6.2 展望展望展望展望

112、 由于课题时间有限，知识以及实际工作经验的不足，在自动抄表系统数据采集终端的软硬件设计方面还需进一步的优化和扩展。跟踪移动通信网络的发展以及移动通信运 51营商提供的服务，更好的实现数据的远程无线传输的功能，同样也是今后进一步所需作的工作。因此，需要进一步完成的工作有： 1. 现在GPRS网络已经有了很高的覆盖率， 在未来的两三年内， 随着3G网络的铺设，我们的抄表系统也可以从目前基于GPRS的抄表方式转向利用3G通信来进行收发。 2. 由于条件的限制，系统的调试仅是在实验室中进行，需要做的工作就是将实验设备搬到现场进一步调试。 3. 设计的数据采集终端仅具有基本功能，对于抄表技术日益发展的今

113、天，功能不完善，因此还需要全面的考虑，扩展系统的功能。 目前GPRS模块的成本还过高，应该是将整个终端的成本降低到普通百姓家庭可以接受的程度，才能大规模的普及使用。现在，GPRS网络己经有了很高的覆盖率，在未来的两三年内，随着3G网络的铺设，抄表系统也可以从目前基于GPRS的抄表方式转向使用3G通信来进行收发。 总之，自动抄表技术发展迅速，应用市场成熟。借助先进的技术，未来的自动抄表系统必将更加完善，将给人们的生活和社会的生产带来更大的方便，推动整个社会的经济快速发展。 52参考文献参考文献参考文献参考文献 1. 郑尧,谭玉玲. 电能计量技术手册M，北京：中国电力出版社，2002，21-22.

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119、接收缓冲区大小 #define Slaver_NUM 10 unsigned char bufferCOUNT; /定义缓冲区 unsigned char point; /定义缓冲区位置指示 unsigned char Slave_ADSlaver_NUM; /定义有效地址存放区 unsigned char ADD_num; /有效地址个数 unsigned char checkdata; unsigned char idata count_10ms; /用于表示有多少次 10ms 中断 unsigned char idata send_data7= 0x31,0x32,0x33,0x34,0

120、x35,0x36,0x37; /与定义发送数据，共 7 位 sbit RE_DE=P10; sbit start=P11; 55void UART_init(); /串口初始化函数 void link(); /与 GPRS 建立连接的函数 void COM_send(void); /串口接收函数 unsigned char CLU_checkdata(void); /计算校验位函数 /- / 函数名称： UART_init()串口初始化函数 / 函数功能： 在系统时钟为 11.059MHZ 时，设定串口波特率为 9600bit/s / 串口接收中断允许，发送中断禁止，设定定时器中断允许 /-

121、void UART_init() /初始化串行设置 SCON =0x58; /选择串口工作方式为 1，打开接收允许,TB8=1 TMOD =0x21; /定时器 1 工作在方式 2，定时器 0 工作在方式 1 TR1 =1; /启动定时器 T1 ES=1; /允许串行口中断 PS=1; /设计串行口中断优先级 /初始化定时器 1 TH1 =0xfd; /实现波特率 9600（系统时钟 11.0592MHZ） ET1 =0; /定时器 1 中断禁止 /- / 函数名称： timer0_init()初始化定时器 0 / 函数功能： 设置 timer0 工作模式 56/- void timer0_i

122、nit() time_over_flag=0; count_10ms=0; ADD_num=0; TL0=0x0F0; /T0 用于产生 10ms 的中断 TH0=0x0D8; /50 次 T0 中断产生 1 次超时溢出 ET0=1; /允许定时器 0 中断 /- / 函数名称：initiate_RS232()串口初始化 / 函数功能： 设置定时器工作方式 /- void initiate_RS232(void) /串口初始化 TL1=0xf8; TH1=0xf8; EA=0; /禁止串口中断 TI=1; /启动定时器 l 57/- / 函数名称： system_init()系统初始化 / 函

123、数功能： 调用串口、定时器初始化函数，完成系统初始化 /- void system_init(void) /系统总设置 UART_init(); timer0_init(); initiate_RS232(); EA =1; /单片机中断允许 /- / 函数名称：void link()建立连接的函数 / 函数功能： 实现单片机与 GPRS 通信模块的连接，利用 GPRS 模块实现远程通信 /- void link() unsigned long i; unsigned char temp1; unsigned char temp2; unsigned char temp3; 58initiat

124、e_RS232(); /串口初始化 temp1=0x2B; /十六进制对应字符十 temp2=0x55; /十六进制对应字符U temp3=0x50; /十六进制对应字符P TI=0; /发送+UP SBUF=temp1; while(!TI); /当发出标志为 0，则等待继续发送；当发出标志为 1，则结束等待发送完毕 TI=0; SBUF=temp2; while(!TI); TI=0; SBUF=temp3; while(!TI); TI=0; for(i=0;i0&point10) /判断是否接收够十位数据 bufferpoint+=RECEIVR_buffer; /不够，把接收到的数据

125、放入接收缓存区 else if(point=10) if(RECEIVR_buffer=0xEF) /判断结束标志位是否正确 bufferpoint=RECEIVR_buffer; /把接收到的数据放入接收缓存区 Slave_ADADD_num+=buffer2; /把接收到的地址放到地址存储器 /表示该地址有有效设备 60 else point=0; /不是，继续等待起始位 else point=0; /缓冲区已满，清除缓存区内数据重新接收 if(TI) /串口发送中断 TI=0; /清除发送中断 /- / 函数名称： timer0_interrup() / 函数功能：定时器 T0 中断服务

126、程序 / 函数说明：T0 枚 10ms 中断一次，连续中断 50 次置 time_over_flag=1； /- timer0_interrupt(void) interrupt 1 using 2 count_10ms+; if(count_10ms=50) ET0=0; /关闭定时器 T0 中断 TR0=0; /停止定时器 T0 61 time_over_flag=1; /设置接收超时标志 count_10ms=0x00; /10ms 计数器复位 else TL0=0x0F0; /重装定时器初始值 TH0=0x0D8; /- / 函数名称： CLU_checkdata()计算校验位函数 /

127、 输入变量： 无 / 输出变量： checkdata，包括起始位在内的前九位数据的校验和 / 函数功能： 计算校验和 /- unsigned char CLU_checkdata(void) /计算校验位 unsigned char checkdata=0; for(point=0;point9,TI=1;point+) checkdata=checkdata|bufferpoint; return(checkdata); 62 /- / 函数名称： COM_send()串口发送函数 / 函数功能： 把数据缓冲区的十位数据发送出去 /- void COM_send(void) RE_DE=1;

128、 /设置 MAX485 进入发送状态 for(point=0;point=10,TI=1;point+) /连续发送十位数据 /把缓存区的数据都发送到串口 SBUF=bufferpoint; TI=0; RE_DE=0; /设置 MAX485 进入接收状态 /- / 函数名称： write_buffer() / 函数功能： 写发送缓冲区十位数据 /- void write_buffer(unsigned char slaver_add) unsigned char i; 63 TB8=1; /打开多机通信方式 buffer0=0xFE; buffer1=slaver_add; for(i=2;

129、i9;i+) /连续发送十位数据 /把缓存区的数据都发送到串口 bufferi=send_datai-2; buffer9=0xEF; /- / 函数名称： 主函数 / 函数功能： 调度个子函数，完成通信过程 /- void main(void) unsigned char i=0; system_init(); /系统初始化 start=1; /启动 SIM100 模块 while(start=0) /判断是否已启动 start=1; ; 64 link(); /建立连接的函数 do /查旬 0 到 10 号地址有没有对应设备 write_buffer(i+); /写查询第 i 号设备的发送

130、信息 while(point!=10); /判断数据是否接收完成 checkdata=CLU_checkdata; /调用求校验和函数 if(checkdata=buffer9) /判断校验和是否正确 COM_send(); /地址匹配，数据完整接收，调用发送程序通知主机 SM2=0; /设置为点对点通信状态 timer0_init(); /完成一次查询，重新初始定时器 0，准备下一次查询 while(1); 65 附录附录附录附录 B 远程自动抄表系统硬件图远程自动抄表系统硬件图远程自动抄表系统硬件图远程自动抄表系统硬件图 123456ABCD654321DCBAPWR1PWR3PWR5PW

131、R7GND9GND11GND13GND/VR TC*15VDD_EXT/VEXT*17SIM _VDD19SIM _I/O21SIM _CLK23SIM _RST25KB C0/GPO227KB C1/GPO329KB C2/GPO431KB C3/GPO533KB C4/GPO635KB R0/GPI737KB R1/GPI839KB R2/GPI941KB R3/GPI1043KB R4/GPI1145DB GRX47DB GTX49AGND51MIC1P53MIC1N55MIC2P57PWR2PWR4PWR6PWR8GND10GND12GND14GND/VANA*16SPI_DATA 1

132、8SPI_CLK20SPI_CS22SPI_D/C24SPI_RST26DC D/GPIO028LED/GPIO130Buz zer/GPIO1232ON/OFF34RESET36DTR38RXD40TXD42RTS44CTS46RI48AGND50ADC052SPK1P54SPK1N56SPK2P58SPK2N60MIC2N59U4SIM 100R1022R922D1D3D2D4R12 10KC6220nFR1122IN1OUT3GND2U6MIC29300-BT3.3IN2EN1OUT4ADJ5GND3U5MIC29302BT+5VGNDE2100uFR18100KR20470E3100u

133、FR1943KE44.7uFVC C6RESET5CLK4GND1VPP2I/O3U4X202ABR132.2KR15100KR14300Q1NPNQ2NPNR17100KR162.2KD4D3VC C8B7A6GND5RO1RE2DE3DI4U1MAX485E12.2uFR45.1KVC CY111.0592M HZC230PFC330PFP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14VC C40P0.0(AD0)39P0.1(AD1)38

134、P0.2(AD2)37P0.3(AD3)36P0.4(AD4)35P0.5(AD5)34P0.6(AD6)33P0.7(AD7)32EA/VPP31ALE/(PR OG)30PSEN29P2.7(A15)28P2.6(A14)27P3.5(T1)15P3.6(WR )16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20P2.5(A13)26P2.4(A12)25P2.3(A11)24P2.2(A10)23P2.1(A9)22P2.0(A8)21U2AT89C51C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2out7R2in8R2out9T2in10T1in11R1out12R1in

135、13T1out14GND15VC C16U5MAX232VC CC91uFC71uFR2120C81uFR320KR120KVC CC101uFC10.01uFC64.7uF162738495J1DB 9VC C? 1 1 !04-1 200440503115#$%&()?*+,-./012345./678 66致谢致谢致谢致谢 在论文完成之际， 我要由衷地感谢我的指导教师立清老师。 在做毕业设计的过程中，我得到老师的悉心指导。老师平易近人，工作严谨，她的敬业精神和认真的工作态度使我由衷地钦佩。在老师的指导下，我不仅在学习上受益良多，也学到了很多为人处事的道理。在论文完成之际，我要向尊敬的老师表示我的感谢和敬意。 在毕业设计的学习期间，实验室的各位同学在我学习、生活各方面都给予了极大的支持、热情的鼓舞和无私的帮助，学院的多位老师和同学都曾给我以指导和帮助，在这里，我向他们表示衷心的感谢! 我还要向在百忙之中抽出时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答的各位老师表示感谢! 再次感谢所有关心我、给予我帮助的人们!