毕业论文基于无线通道的燃气自动抄表系统的研究与开发 精品Word文件下载.docx
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2.2.1无线方式选择17
2.2.2系统结构设计17
2.2.3计量表具计量方式的选择与设计20
2.2.4无线通讯模块的选择22
2.2.5手持机选择23
2.2.6中心管理信息系统设计27
2.3本章小结28
3无线抄表系统底层硬件平台设计28
3.1基于无线双向燃气表方案的底层硬件设计28
3.2基于采集器方案的底层硬件设计31
3.2.1无线表具设计31
3.2.2无线采集器设计32
3.3本章小结34
4手持机软件系统设计35
4.1手持机介绍35
4.1.1手持机体系结构35
4.1.2手持机软件开发环境36
4.2手持机系统功能分析36
4.3手持机软件操作主流程设计37
4.4手持机主界面设计39
4.5数据通信模块设计40
4.5.1通信协议的制定41
4.5.2软件实现43
4.6抄表功能模块设计44
4.6.1通讯协议的制定45
4.6.2软件实现48
4.7手持机数据结构设计50
4.8其它功能模块设计53
4.10本章小结55
5.中心管理系统设计56
5.1系统总体需求分析56
5.1.1系统需求描述56
5.1.2数据库管理模块功能描述58
5.1.3基本业务模块功能描述59
5.1.4抄表管理模块功能描述59
5.2基于UML的系统模型59
5.2.1UML简介60
5.2.2系统用例图62
5.2.3系统时序图65
5.2.4系统协作图68
5.2.5系统状态图69
5.2.6系统活动图70
5.3数据库设计73
5.4软件开发与实现74
5.5本章小结75
6运行与测试76
6.1系统运行环境构建76
6.4管理软件数据处理79
6.5本章小结80
7总结与展望81
7.1研究总结81
7.2研究展望82
参考文献84
摘要
目前抄表方式以有线方式为主,诸如电力线载波、电话线、RS485或者是上述几种有线方式的混合。
随着城市和智能小区的发展,有线系统先天存在着布线,施工周期长、工程安装成本及维护成本高和系统扩展性差等问题,已经越来越满足不了城市发展的需要,而小功率无线电波通信方式由于其通信方便、组网简单、无需申请频点使用权以及投资少等特点,为国内外越来越多的自动抄表系统所采用。
本文对目前有线燃气自动抄表方式作了深入的研究,在瑞迅公司原有线抄表系统的基础上,采用小功率无线电波通信方式,提出了两种结构型式的小区无线抄表系统方案—基于无线双向燃气表方案和基于无线采集器方案,并对这两种方案的硬件和软件进行了设计和实现。
本文首先针对现有脉冲表具计数不准、需要复杂布线和可靠性差等问题,对于不同无线抄表方案设计了两种新型具有无线远传接口的表具。
其次专门针对基于无线采集器方案设计了一种具有无线接口的数据采集终端,它具有独立存储空间,能完成对无线单向燃气表数据采集,也能响应手持式抄表机指令,完成数据通讯任务。
第三手持式抄表机应用软件设计。
手持式抄表机作为底层无线燃气表具、无线采集器和上层信息管理系统之间信息交换的载体,手持机通过相关通信协议实现与无线表具和无线采集器直接通信,从而实现了包括表具数据的读取存储以及无线表具的设置等功能。
最后通过中心管理信息系统软件设计,实现了抄表机数据导入和抄表任务下载、手持机应用软件更新以及抄表机参数设置等功能并且对上传抄表数据实现了数据智能化处理、收费和票据报表输出的功能。
系统运行测试表明系统性能达到了预定的目标,系统满足了实际的需求,具有较高的实际运用价值。
关键字:
自动抄表系统、无线通信协议、无线模块、手持机、串口通信
1绪论
本章分析目前抄表行业面临的问题,讨论了自动抄表技术的发展现状,分析了目前有线自动抄表技术、无线抄表技术和电力载波技术的优缺点,指出了无线抄表方式将逐渐成水、电、气抄读的首选,最后给出本文的研究目标、内容和全文章节安排。
1.1研究背景和意义
随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机通信技术的发展和城市智能化住宅小区建设的迅速发展,水、电、气自动抄表系统被列为住宅智能化建设必要项目之一,与监控报警系统、家居安防系统等都将是楼宇智能化系统不可缺少的一部分。
建设部公布小康住宅的十大标准第六条规定:
“对现代化住宅使用的水表、电表、煤气表等各种计量器具要求信息出户”[1]。
在2003年公布的《物业管理条例》第四十五条中明确规定:
“物业管理区域内,供水、供电、供气、供热、通讯、有线电视等单位应当向最终用户收取有关费用。
物业管理企业接受委托代收前款费用的,不得向业主收取手续费等额外费用”[2]。
今后,水电气行业的直管用户将逐步过渡到终端服务即行业公司直接抄表收费的模式。
同时近年来随着城市建设速度的加快和城市范围的不断扩展,人工抄表所需的人力与经费均相当可观,为提高经营绩效和节省开支,水、电、气公司都需要以自动抄表系统来取代人工抄表方式。
因此水、电、气公司可以将自动抄表系统作为一个增值的免打扰服务来提供给用户,必将受到广大居民住户的欢迎[3]。
另一方面,水、电、气公司出于提高自身服务水平和降低运营费用的目的,也急需准确了解用户的每月耗能数据。
如果采用传统手工抄表方式,就意味着需要增加大量抄表人员,其结果势必提高水、电、气公司的运营成本。
因此,采用自动抄表系统也是水、电、气公司提高企业自身经济效益和服务质量的需要。
本文研究是基于南京某公司现有抄表系统进行改进和创新,该公司现有抄表系统采用RS485总线作为通信线路,采用分布式结构。
通过近几年的市场推广和运行,发现存在着通信线路布线困难、施工周期长、工程安装成本及维护成本高等问题,同时外界的干扰也是主要问题,比如空间电磁场干扰,由于有线系统的主要线路布置于弱电井中,某些高频干扰信号可产生强大的电场和磁场,这些干扰可不经接触直接进入系统。
此外由于在该系统中采用电力线供电,还存在着电网干扰,由于电力线上往往会存在着过压、欠压、浪涌、跌落和瞬间脉冲等异常情况,这些干扰通过电源直接影响到抄表系统的稳定性,因此研制一种适合的自动抄表系统具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。
1.2国内外自动抄表系统发展及应用现状
自动抄表(AMRAutomatedMeterReading)主要由数字式水表、电表、气表等计量表具、住户数据采集器、传输系统和管理计算机等设备组成,如图1.2.1所示。
具有数据或脉冲数据的表具作为系统前端计量仪表,对用户的用水量、用气量、用电量和用热量进行计量。
住户采集器对前端的数据进行采集,并对采集结果进行长期保存。
物业系统管理主机发出读表指令,住户采集器立即向管理系统发送计量数据。
住户采集器和物业管理主机通过双方约定的通信协议进行通信,确保传输过程数据的正确性。
管理系统负责计量数据的采集、计费、统计、查询和打印等,以及根据需要将收费结果发送到相应部门的管理计算机中[4][5][6]。
图1.2.1自动抄表系统组成
在国外,各种表具的自动抄表系统已经开始广泛使用[7]。
例如,1999年6月美国威斯康辛公用服务公司将它们第一期自动抄表系统的合同授予了美国配电控制系统公司。
该自动抄表系统为双向自动通信抄表系统,以实现居民和商业用户的电能表与煤气表的自动化。
采用自动抄表系统来改造威斯康辛公用服务公司中原机电式和半导体式电能表,以及各类煤气表。
该系统的运作是高透明度的,可提供实时用电数据及最高负荷、分时用电数据和间隔读表数据。
又由于该系统是一种多功能系统,因此威斯康辛公司还将采用其双向负荷控制转发器来替换现有的加热器控制装置,以便用户根据其实际情况来选择分时电价[4]。
我国从90年代初期开始有厂商研发自动抄表系统,目前从事自动抄表系统研发的厂家近300家,全国实施自动抄表系统的小区有上千个[6]。
1.3现有自动抄表系统解决方案
自动抄表系统中要解决的关键问题是数据通讯和数据采集的问题,因而根据自动抄表通讯介质的不同,总体上把它们分为有线抄表、无线抄表系统和电力载波抄表系统。
1.3.1有线抄表系统
有线抄表系统充分利用电话网络、闭路电视网、RS485总线网等[4],基于有线的抄表系统不是本文的侧重点,本文下面对各个有线方案只作简单介绍。
1)RS485总线
RS485总线由电子工业协会EIA制订并发布的工业标准以保证不同厂家产品之间的兼容。
RS485允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,用户还可以建立自己的高层通信协议。
正因为RS485的远距离、多节点、可以自行定义协议以及传输线成本低等特性,使得RS485成为工业应用中数据传输的首选标准,因此在自动抄表领域也被广泛采用[8][9][10][11]。
2)电话线网络
由于电话网在城镇的迅速普及,利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。
利用电话通信,只需在数据采集器和管理中心主机各加装调制解调器(Modem)即可,其通信速率可达2.4kbps、9.6kbps甚至56kbps,完全满足远程自动抄表数据流量要求。
但是租用电话线方式进行数据通信时,线路续接(包括呼叫应答等)时间较长,通常需几秒到几十秒,这一方面使得管理中心无法对用户实时监控;
另一方面由于采用公网传输其可靠性和安全性也比较差[12]。
3)光纤通信网
光纤通信具有很多优点,如频带宽、传输速率高、通信稳定可靠、传输距离远以及高抗干扰性等特点,非常适合上层通信网的要求。
但是施工成本投入大、扩展性差、设备维护方面不方便,很少应用于小区自动抄表系统中[13]。
4)Internet网
将Internet网作为传输的介质,现场数据采集器将数据通过Internet网络传输到终端管理计算机,这种通信的方式称为Internet网通信。
这种通信方式的优点是传输速率高、传输距离远,但是由于Internet网络的保密性比较差和数据包在传输的过程中容易丢失,同时由于智能终端设备成本比较高,这种通讯的方式很少被采用[13]。
5)M-BUS仪表总线
M-BUS是一种欧洲标准的2线总线,专门为消耗测量仪器和计数器传送信息的数据总线而设计的,它的信息传送量是专门满足其应用而限定好的,它具有使用价格低廉的电缆而能够长距离传送的特点,所以M-BUS总线在集中抄表领域正在被越来越广泛的采用[l4][15][16]。
总的来说有线抄表方式的优点主要体现在:
1)可实现实时抄表、实时监测和实时控制,可检测出设备破坏和非法使用等;
2)抄表速度快,人员少,抄表准确性较高;
3)可实现预付费功能,用户充值后,数据通过网络远程读取,可避免用户直接接触表具,提高设备使用寿命;
4)对于外界干扰,有线系统的抗干扰能力比较强。
但是也存在以下一些问题:
1)设备安装时涉及布管和穿线问题,故需要预先设计;
2)施工周期长、工程安装成本及维护成本高;
3)系统的扩展升级和与其它网络的兼容等问题。
1.3.2电力载波抄表系统
电力载波(PLC,PowerLineCarrier)的基本原理是把水、电、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后,通过电力线路传送,在接收端解调还原成数据信号[17]。
由于电力
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