遠程抄表系統(tǒng)通信技術的應用研究

        信息化社會在逐步改變人們的生活方式與工作習慣的同時，也對一些傳統(tǒng)的理念提出了挑戰(zhàn)。隨著科技的進步、人民生活水平的提高，遠程抄表系統(tǒng)成為小區(qū)和高校等“智能化建設”的一個重要部分。遠程抄表系統(tǒng)是為了計量和管理對水、電、氣等能源、資源的消費狀況，并為收費提供依據(jù)而產(chǎn)生的。同時，隨著生活水平的提高，人們對資源的消費日益增長，資源消費的計量、管理和收費工作日益繁雜，提高管理層次和自動化水平的產(chǎn)品必然會應運而生。

        為了解決傳統(tǒng)的抄表方式費用流失、管理費用龐大、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算的工作量大、計費的精度難以保障以及人為的統(tǒng)計錯誤給用戶帶來極大不便等問題，實現(xiàn)自動抄表、自動計費，已成為新型智能小區(qū)或高校后勤數(shù)字化管理的必備條件。遠程智能抄表系統(tǒng)的問世，徹底改變了傳統(tǒng)的費時費力的人工抄表方式。管理部門足不出戶，通過電腦網(wǎng)絡自動抄表系統(tǒng)就能準確知道各級用戶的水、電、氣等的使用情況。可以實現(xiàn)自動抄表、計費、統(tǒng)計，以及遠程通斷控制功能，通過與銀行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)自動轉帳收費等功能，體現(xiàn)了高科技、智能化的科學管理模式。

        在國外，對遠程抄表技術的研究起步較早且比較深入，從標準的制定到抄表專用芯片的生產(chǎn)都已經(jīng)比較成熟，多種遠程抄表技術得到了相對廣泛的、成功的應用。在我國由于國情不同，不能照抄照搬。只能在利用國外先進技術的基礎上，走自己的發(fā)展道路，各種遠程抄表技術雖有應用，但量不大，成功的較少，遠程抄表技術的研究有較大的發(fā)展空間。

        一、遠程抄表系統(tǒng)的組成結構

        遠程抄表主要是通過遠程智能終端的計量和數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡或其他傳輸方式傳送到特定系統(tǒng)的一種抄表方式，并在系統(tǒng)中完成其他形式的操作。它具有精確、快速、實時等特點，能完成整個抄表的任務。遠程抄表系統(tǒng)一般主要由手持終端或中心站計算機、集中器、采集終端(或載波電表)和計量表組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，據(jù)調查研究，大多數(shù)遠程抄表系統(tǒng)在結構上大同小異，都建立了如圖1所示的通用結構形式。

        圖1 遠程抄表系統(tǒng)結構示意圖

        注：傳輸介質一般為無線傳輸(如GPRS/CDMA、GSM通信等)或有線傳輸(如CAN、PSTN、RS485、光纖與TCP/IP通信等)。

        1.1 計量表

        目前我國的電表分為機械表和電子表。由于電子表在穩(wěn)定性、精度、靈敏度、功耗和防竊電效果都要高于機械表，所以在集中抄表系統(tǒng)中則采用電子表?，F(xiàn)在市場上的電子表大多采用先進的電能計量專用芯片，與成熟的復費率技術相結合設計而成，應用數(shù)字采樣處理技術及SMT工藝根據(jù)居民實際用電狀況所設計、制造，一般具有多種功能。可存儲多個月電量;具有日歷、計時和閏年自動切換功能，可編程設置費率、時段;可通過手持終端或PC機進行紅外通信或485通信、完成編程設置和抄表;也可通過紅外遙控器完成手動編程設置和人工抄表等。

        根據(jù)計量表的數(shù)據(jù)采集特性，遠程計量表可以分為：脈沖輸出型、IC卡型和字輪識別型三種：

        (1)脈沖輸出型的計量表。要求計量表必須長期通電，一旦停電就會造成計量表無法計量;

        (2)IC卡型。計量類似于公交車及電話卡的計量方式，預存一定的費用到卡上，先購再用的方式，避免了欠款的現(xiàn)象。

        (3)字輪識別型。該類計量表與其他機械表相類似(機械表是目前比較成熟的產(chǎn)品，國家也有相關的驗收標準)，只是在原有機械表的基礎上加入識別器，不存在以上兩種計量表的缺點，是目前遠程抄表比較成熟的理想產(chǎn)品。

        1.2 采集器

        采集終端是為電表箱集中裝表的情形而設計的。用于采集多個用戶電能表電能量信息并經(jīng)處理后通過信道將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)上一級的設備。智能采集器的開發(fā)是遠程抄表系統(tǒng)開發(fā)的核心任務之一。采集器主要負責對用戶的終端表具進行管理和計量，為系統(tǒng)的核心的控制器。其主要功能一般有：通信節(jié)點、耗能表具計量、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)參數(shù)的設置存儲、數(shù)據(jù)轉換、自檢和表具的狀態(tài)檢查、遠程通斷控制、報警管理等。

        其實，一般系統(tǒng)所采用的計量電、水、燃氣等耗能量的表具是一種既能直觀顯示相關能耗計量數(shù)據(jù)，又能產(chǎn)生相關能耗計量脈沖信號的新型計量表具，它實際上是一種加裝了傳感器的電表、水表、燃氣表等。而傳感器實質上是一種基于磁電轉換技術、光電轉換技術的脈沖電路單元。

        1.3 集中器

        遠程抄表系統(tǒng)是一個通信節(jié)點模塊相對較多的網(wǎng)絡系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡速度和可靠性，集中器是抄表系統(tǒng)的橋梁，它既要完成與前端采集器的數(shù)據(jù)通信，又要完成與上級抄表主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。集中器主要作用是將整個抄表網(wǎng)絡分成若干個子網(wǎng)，每臺集中器即為一個子網(wǎng)。集中器通常是以配電變壓器為單位而設置的，每個配電臺區(qū)就是一個子系統(tǒng)， 而集中器則是這個子系統(tǒng)的主站端。集中器經(jīng)低壓電力線管理低壓側的所有設備(采集模塊和采集終端)。集中器可以完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和上報，接收主站的命令幀，并做出響應如參數(shù)設置、校對時鐘等，當?shù)卦O置功能如設置系統(tǒng)參數(shù)、抄表參數(shù)等。

        集中器安裝在住宅樓內。集中器與控制中心計算機通過某種通信方式(比如局域網(wǎng)、GPRS、CAN總線、GSM、光纖等)連接，負責管理子網(wǎng)內的采集器。通常情況下，每個集中器最多可以管理128臺智能采集器，根據(jù)操作站設置的時間間隔抄收用戶的表具數(shù)據(jù)并進行存儲，空閑時，系統(tǒng)對各采集器的狀態(tài)進行輪巡。

        1.4 手持終端與中心站計算機

        如果突然發(fā)生通信故障，需要進行當?shù)爻砘虬l(fā)現(xiàn)用電異常而進行人工現(xiàn)場尋檢，以及更換舊表而進行的新表參數(shù)設置，或是在通信系統(tǒng)由于工程資金缺少、運行費用高的情況下采用紅外掌上電腦或便攜機從采集終端，計量表上讀取數(shù)據(jù)然后直接下載到計算機主站系統(tǒng)。

        計算機主站系統(tǒng)一般都由服務器、打印機、PC機組成。主要接收從各個集中器傳上來的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行維護、管理。以設置現(xiàn)場設備的各項運行參數(shù)。還可以監(jiān)測各個臺區(qū)各個用戶的用電情況對異?，F(xiàn)象進行判斷、防止偷盜等。

        二、遠程抄表系統(tǒng)的通信應用技術

        遠程自動抄表系統(tǒng)是一種不需要人員到達現(xiàn)場，利用特定的通信方式將用戶處的智能表所記錄的各種數(shù)據(jù)傳送到遠程控制端的計算機網(wǎng)絡中，并由軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和計算的系統(tǒng)。自動抄表系統(tǒng)是新興的、先進的抄表方式，融合了當今最先進的計算機和通信技術，并隨著通信技術系統(tǒng)的硬件和軟件不斷發(fā)展而更新。因此可以說它是一項發(fā)展中的技術。原則上并沒有相對固定的方式和概念，但在實際應用中通常是多種通信技術的綜合使用，以達到最理想的目標。

        目前國內用于遠程抄表的技術有很多種，主要有：有線總線通信自動抄表系統(tǒng)、電話線通信自動抄表系統(tǒng)、光纜通信自動抄表、電力線載波通信自動抄表系統(tǒng)、無線通信自動抄表系統(tǒng)、衛(wèi)星通信自動抄表系統(tǒng)、有線電視通信自動抄表系統(tǒng)、蜂窩通信自動抄表系統(tǒng)、紅外通信自動抄表系統(tǒng)等多種方式。具體確定通信方式時需要綜合考慮系統(tǒng)面對的對象、用戶的分布、用戶的數(shù)量、地理條件、經(jīng)濟情況、期望達到的目標、系統(tǒng)的擴展、升級，以及與其他網(wǎng)絡的兼容。以下就幾種常用的通信方式做一比較研究。

        2.1 RS485總線

        在有線總線通信中，常見的有RS485總線方式。RS485總線是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準。采用雙絞線差分傳輸方式，可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式，最遠傳輸距離為1 200 m。差分輸入范圍是-7～+12 V。接收器輸入靈敏度為±200 mV，輸入阻抗大于或等于12 kΩ，標準接點數(shù)為32個，即每個RS485接口芯片的驅動器能驅動32個標準RS485負載。根據(jù)規(guī)定，標準RS485接口的輸入阻抗為大于或等于12 kΩ，相應的標準驅動節(jié)點數(shù)為32個。為適應更多節(jié)點的通信場合，有些芯片的輸入阻抗設計成1/2負載(大于或等于24 kΩ)、1/4負載(大于或等于48 kΩ)甚至1/8負載(大于或等于96 k Ω)等，相應的節(jié)點數(shù)可增加到64，128，256個等。

        RS485總線通信方式在通信過程中具有以下優(yōu)缺點，優(yōu)點是技術成熟、簡單;在通信正常情況下，通信可靠、穩(wěn)定，可實現(xiàn)實時通信;缺點是布線工作大，通信信道易受人為損壞、易大范圍損壞，損壞后故障排除困難、恢復慢，信道后續(xù)維護量大等不足。

        2.2 電話線通信

        電話線通信主要依靠租用電話網(wǎng)來實現(xiàn)。只需在主機臺變終端上分別安裝調制解調器即可，但是由于線路續(xù)接時間較長，通常需要幾秒到幾十秒。所以，當集中器數(shù)目較多時通信效率將大幅下降。基于電話通信的自動抄表技術的應用已超過20多年，應用廣泛。其優(yōu)點是系統(tǒng)避免了無線電、光纖、電纜及其他系統(tǒng)成本高、基本建設規(guī)模大的不足;缺點是線路接通時間較長，當集中器數(shù)目較多時，集中器到控制中心的通信效率將大幅降低。另外，若租用電話線路多，其租用費也很高，因此不適合大容量系統(tǒng)。

        2.3 電力線載波通信

        電力載波通信分高壓電力載波通信和低壓電力載波通信。電力線載波通信是利用配電線作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，利用已有的配電網(wǎng)作為信息傳輸?shù)妮d體所以成本低廉。但是由于用戶電網(wǎng)的某些時變特性和突發(fā)噪聲對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懺诩夹g上并未得到根本解決，還存在著抄表“盲區(qū)”的問題。該問題一直阻礙電力線載波技術在自動集中抄表系統(tǒng)中的應用。高壓電力線載波通信的優(yōu)缺點為：優(yōu)點是輸送距離長、系統(tǒng)結構簡單并被很好的維護，所以高頻載波的應用效果非常好;缺點是電力載波系統(tǒng)在配電線上的傳輸可能會遇到諸多困難，并且設備復雜，推廣難度大。低壓電力線載波通信的優(yōu)缺點為：優(yōu)點是作為自動抄表系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通道，成本低、方便準確。缺點為低壓配電線載波通信傳輸性能較差，主要表現(xiàn)為噪聲高、阻抗低、損耗大、波動大、易受外界干擾等。

        2.4 CAN總線

        控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)是重要的現(xiàn)場總線之一，是德國Bosch公司為汽車電氣控制系統(tǒng)開發(fā)的一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡，主要用于各種過程檢測及控制。

        它遵從OSI模型，要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。CAN總線是一種全數(shù)字化、雙向和多主的現(xiàn)場總線，以其高性能、高可靠性以及靈活的設計受到人們的重視，應用越來越廣泛。目前CAN已逐步應用到其它工業(yè)控制中，現(xiàn)已成為ISO l1898國際標準。其優(yōu)點是CAN可以是對等結構;CAN可以采用非破壞性仲裁技術;CAN可以點對點、點對多點、點對網(wǎng)絡的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信距離最遠10 km，節(jié)點數(shù)目可達l10 個;介質采用廉價的雙絞線，無特殊要求，用戶接口簡單，容易構成用戶系統(tǒng)。缺點是一般不能采用多層總線結構，有可能導致總線過載;它不能與Internet互連，不能實現(xiàn)遠程信息共享;它不易與上位控制機直接接口;通信距離仍然有限。

        2.5 光纖通信

        光纖通信自動抄表系統(tǒng)顧名思義采用光纖傳輸。光纖通信技術在近幾年來獲得了巨大的發(fā)展和廣泛的應用，其優(yōu)點是具有容量大、中繼距離長、傳輸速率高、不受雷電和開關操作的影響、抗電磁干擾能力強等。缺點是投資費用太大。

        2.6 GSM通信

        GSM(Global System for Mobile Commu-nication)系統(tǒng)是目前基于時分多址技術的移動通信體制中比較成熟、完善、應用最廣泛的一種系統(tǒng)。GSM遠程抄表就是利用電信部門提供的功能實現(xiàn)智能表數(shù)據(jù)的遠傳，即為利用GSM網(wǎng)絡短信業(yè)務實現(xiàn)自動抄表是一個新思路。系統(tǒng)主要由抄表主站、GSM網(wǎng)絡和GSM抄表終端設備三大部分組成，首先由PC機和通信模塊組成的抄表主站連入GSM網(wǎng)絡，然后利用短消息業(yè)務按照一定的規(guī)約格式向抄表終端設備發(fā)出命令。其優(yōu)點是其占用系統(tǒng)資源少，建網(wǎng)速度快，投資費用少。缺點是GSM短信只能作單向傳送，且每次的字符數(shù)不能多于160個或70個漢字。

        2.7 GPRS通信

        GPRS是基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的廣域無線IP連接。GPRS通過中國移動GPRS服務網(wǎng)關GGSN，在分組交換模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程抄表，技術上成熟、可靠，但網(wǎng)絡前端通信模塊以及運行費用高，目前很少采用該技術。不過隨著中國移動資費的不斷下調，GPRS肯定會起到提供一種高效、低成本的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。

        其優(yōu)點是接入范圍廣，不受地域和位置限制;傳輸速率高，支持不同速率的傳輸，能滿足遠程抄表的應用需求;提供實時在線服務，能夠提供快速即時的連接，保證通信的實時性;按流量計費，特別適用于遠程抄表這種間斷、頻繁、少量(偶爾大量)數(shù)據(jù)的傳輸方式;支持TCP/IP協(xié)議和X.25協(xié)議，可與Internet互通，突破了GSM通信中數(shù)據(jù)流量的限制。

        缺點是目前GPRS是按流量計費，對于大數(shù)據(jù)量運行費用較高;實時性差，尤其是節(jié)假日系統(tǒng)的負荷會達到高峰。系統(tǒng)及網(wǎng)絡堵塞嚴重，信息不暢，不能及時發(fā)送或收到有用信息，貽誤大事;系統(tǒng)安全性較差，由于GPRS是通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，而目前的網(wǎng)絡安全性不高，越來越容易受到攻擊，造成癱瘓;服務質量受制于運營商的服務，可能是GPRS系統(tǒng)的問題，也可能是網(wǎng)絡的問題等，容易產(chǎn)生“扯皮”。

        2.8 TCP/IP網(wǎng)絡通信

        毫無疑問，TCP/IP(通常它是指傳輸控制協(xié)議國際協(xié)議)是發(fā)展至今最成功的通信協(xié)議，它被用于當今所構筑的最大的開放式網(wǎng)絡系統(tǒng)Internet之上就是其成功的證明。TCP/IP是一個開放性通信協(xié)議?；谶@個特點，采集器采集的數(shù)據(jù)才能在上位機管理中心機和下位機位高性能芯片之間傳輸。

        TCP/IP不是某時某地存在的物理事物，它是一組協(xié)議，這組協(xié)議使任何計算機、調制解調器和Internet服務提供者的用戶能訪問和共享Internet上的信息。因為TCP/IP使用普及，所以上位機管理系統(tǒng)不僅可以與集中器之間通信，也能隨時供部門訪問。TCP和IP是兩個獨立且緊密結合的協(xié)議。TCP負責和遠程主機的連接，而IP負責尋址，使報文被送到其該去的地方。當下位機要傳輸電能數(shù)據(jù)報文給上位機時，負責連接下位機和上位機主機，負責在網(wǎng)絡中尋找上位機的地址，使報文能順利送到上位機。其優(yōu)點是平臺無關性、好的破壞恢復機制、高效的錯誤率處理、能夠在不中斷現(xiàn)有服務的情況下加入網(wǎng)絡、低的數(shù)據(jù)開銷等。缺點是一般情況下，成本會稍高于RS485控制器，并存在難以保證數(shù)據(jù)實時性要求及數(shù)據(jù)安全可靠性差等問題。

        三、結語

        綜上所述，遠程抄表系統(tǒng)集計算機技術、通信技術、用電及計量技術于一體，采用遠程傳輸技術和當今發(fā)達的計算機技術、網(wǎng)絡技術，將各個計費終端和管理中心聯(lián)成一體，定時或實時自動讀取用戶的消費數(shù)據(jù)。尤其在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，選擇什么樣的通信方式適合，或者是某幾種通信方式的組合，是目前研究比較熱門的問題，同時也是遠程抄表系統(tǒng)的核心任務之一。通過以上分析比較，根據(jù)其優(yōu)缺點，具體確定通信方式時需要綜合考慮系統(tǒng)面對的對象、用戶的分布、用戶的數(shù)量、地理條件、經(jīng)濟情況、期望達到的目標、系統(tǒng)的擴展、升級，以及與其他網(wǎng)絡的兼容等方面實施，不管對于小區(qū)智能化還是高校后勤數(shù)字化管理項目的實施都有著重大而深遠的意義。