远程抄表系统通信技术的应用研究

        信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对一些传统的理念提出了挑战。随着科技的进步、人民生活水平的提高，远程抄表系统成为小区和高校等“智能化建设”的一个重要部分。远程抄表系统是为了计量和管理对水、电、气等能源、资源的消费状况，并为收费提供依据而产生的。同时，随着生活水平的提高，人们对资源的消费日益增长，资源消费的计量、管理和收费工作日益繁杂，提高管理层次和自动化水平的产品必然会应运而生。

        为了解决传统的抄表方式费用流失、管理费用庞大、数据统计和计算的工作量大、计费的精度难以保障以及人为的统计错误给用户带来极大不便等问题，实现自动抄表、自动计费，已成为新型智能小区或高校后勤数字化管理的必备条件。远程智能抄表系统的问世，彻底改变了传统的费时费力的人工抄表方式。管理部门足不出户，通过电脑网络自动抄表系统就能准确知道各级用户的水、电、气等的使用情况。可以实现自动抄表、计费、统计，以及远程通断控制功能，通过与银行数据联网可以实现自动转帐收费等功能，体现了高科技、智能化的科学管理模式。

        在国外，对远程抄表技术的研究起步较早且比较深入，从标准的制定到抄表专用芯片的生产都已经比较成熟，多种远程抄表技术得到了相对广泛的、成功的应用。在我国由于国情不同，不能照抄照搬。只能在利用国外先进技术的基础上，走自己的发展道路，各种远程抄表技术虽有应用，但量不大，成功的较少，远程抄表技术的研究有较大的发展空间。

        一、远程抄表系统的组成结构

        远程抄表主要是通过远程智能终端的计量和数据采集，并通过网络或其他传输方式传送到特定系统的一种抄表方式，并在系统中完成其他形式的操作。它具有精确、快速、实时等特点，能完成整个抄表的任务。远程抄表系统一般主要由手持终端或中心站计算机、集中器、采集终端(或载波电表)和计量表组成的网络系统，据调查研究，大多数远程抄表系统在结构上大同小异，都建立了如图1所示的通用结构形式。

        图1 远程抄表系统结构示意图

        注：传输介质一般为无线传输(如GPRS/CDMA、GSM通信等)或有线传输(如CAN、PSTN、RS485、光纤与TCP/IP通信等)。

        1.1 计量表

        目前我国的电表分为机械表和电子表。由于电子表在稳定性、精度、灵敏度、功耗和防窃电效果都要高于机械表，所以在集中抄表系统中则采用电子表。现在市场上的电子表大多采用先进的电能计量专用芯片，与成熟的复费率技术相结合设计而成，应用数字采样处理技术及SMT工艺根据居民实际用电状况所设计、制造，一般具有多种功能。可存储多个月电量;具有日历、计时和闰年自动切换功能，可编程设置费率、时段;可通过手持终端或PC机进行红外通信或485通信、完成编程设置和抄表;也可通过红外遥控器完成手动编程设置和人工抄表等。

        根据计量表的数据采集特性，远程计量表可以分为：脉冲输出型、IC卡型和字轮识别型三种：

        (1)脉冲输出型的计量表。要求计量表必须长期通电，一旦停电就会造成计量表无法计量;

        (2)IC卡型。计量类似于公交车及电话卡的计量方式，预存一定的费用到卡上，先购再用的方式，避免了欠款的现象。

        (3)字轮识别型。该类计量表与其他机械表相类似(机械表是目前比较成熟的产品，国家也有相关的验收标准)，只是在原有机械表的基础上加入识别器，不存在以上两种计量表的缺点，是目前远程抄表比较成熟的理想产品。

        1.2 采集器

        采集终端是为电表箱集中装表的情形而设计的。用于采集多个用户电能表电能量信息并经处理后通过信道将数据传送到系统上一级的设备。智能采集器的开发是远程抄表系统开发的核心任务之一。采集器主要负责对用户的终端表具进行管理和计量，为系统的核心的控制器。其主要功能一般有：通信节点、耗能表具计量、数据存储、系统参数的设置存储、数据转换、自检和表具的状态检查、远程通断控制、报警管理等。

        其实，一般系统所采用的计量电、水、燃气等耗能量的表具是一种既能直观显示相关能耗计量数据，又能产生相关能耗计量脉冲信号的新型计量表具，它实际上是一种加装了传感器的电表、水表、燃气表等。而传感器实质上是一种基于磁电转换技术、光电转换技术的脉冲电路单元。

        1.3 集中器

        远程抄表系统是一个通信节点模块相对较多的网络系统，为了提高系统的网络速度和可靠性，集中器是抄表系统的桥梁，它既要完成与前端采集器的数据通信，又要完成与上级抄表主机之间的数据传输。集中器主要作用是将整个抄表网络分成若干个子网，每台集中器即为一个子网。集中器通常是以配电变压器为单位而设置的，每个配电台区就是一个子系统， 而集中器则是这个子系统的主站端。集中器经低压电力线管理低压侧的所有设备(采集模块和采集终端)。集中器可以完成数据的采集、存储、处理和上报，接收主站的命令帧，并做出响应如参数设置、校对时钟等，当地设置功能如设置系统参数、抄表参数等。

        集中器安装在住宅楼内。集中器与控制中心计算机通过某种通信方式(比如局域网、GPRS、CAN总线、GSM、光纤等)连接，负责管理子网内的采集器。通常情况下，每个集中器最多可以管理128台智能采集器，根据操作站设置的时间间隔抄收用户的表具数据并进行存储，空闲时，系统对各采集器的状态进行轮巡。

        1.4 手持终端与中心站计算机

        如果突然发生通信故障，需要进行当地抄表或发现用电异常而进行人工现场寻检，以及更换旧表而进行的新表参数设置，或是在通信系统由于工程资金缺少、运行费用高的情况下采用红外掌上电脑或便携机从采集终端，计量表上读取数据然后直接下载到计算机主站系统。

        计算机主站系统一般都由服务器、打印机、PC机组成。主要接收从各个集中器传上来的数据并对数据进行维护、管理。以设置现场设备的各项运行参数。还可以监测各个台区各个用户的用电情况对异常现象进行判断、防止偷盗等。

        二、远程抄表系统的通信应用技术

        远程自动抄表系统是一种不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的智能表所记录的各种数据传送到远程控制端的计算机网络中，并由软件对数据进行统计、分析和计算的系统。自动抄表系统是新兴的、先进的抄表方式，融合了当今最先进的计算机和通信技术，并随着通信技术系统的硬件和软件不断发展而更新。因此可以说它是一项发展中的技术。原则上并没有相对固定的方式和概念，但在实际应用中通常是多种通信技术的综合使用，以达到最理想的目标。

        目前国内用于远程抄表的技术有很多种，主要有：有线总线通信自动抄表系统、电话线通信自动抄表系统、光缆通信自动抄表、电力线载波通信自动抄表系统、无线通信自动抄表系统、卫星通信自动抄表系统、有线电视通信自动抄表系统、蜂窝通信自动抄表系统、红外通信自动抄表系统等多种方式。具体确定通信方式时需要综合考虑系统面对的对象、用户的分布、用户的数量、地理条件、经济情况、期望达到的目标、系统的扩展、升级，以及与其他网络的兼容。以下就几种常用的通信方式做一比较研究。

        2.1 RS485总线

        在有线总线通信中，常见的有RS485总线方式。RS485总线是一种国际性的开放式的现场总线标准。采用双绞线差分传输方式，可连接成半双工和全双工两种通信方式，最远传输距离为1 200 m。差分输入范围是-7～+12 V。接收器输入灵敏度为±200 mV，输入阻抗大于或等于12 kΩ，标准接点数为32个，即每个RS485接口芯片的驱动器能驱动32个标准RS485负载。根据规定，标准RS485接口的输入阻抗为大于或等于12 kΩ，相应的标准驱动节点数为32个。为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载(大于或等于24 kΩ)、1/4负载(大于或等于48 kΩ)甚至1/8负载(大于或等于96 k Ω)等，相应的节点数可增加到64，128，256个等。

        RS485总线通信方式在通信过程中具有以下优缺点，优点是技术成熟、简单;在通信正常情况下，通信可靠、稳定，可实现实时通信;缺点是布线工作大，通信信道易受人为损坏、易大范围损坏，损坏后故障排除困难、恢复慢，信道后续维护量大等不足。

        2.2 电话线通信

        电话线通信主要依靠租用电话网来实现。只需在主机台变终端上分别安装调制解调器即可，但是由于线路续接时间较长，通常需要几秒到几十秒。所以，当集中器数目较多时通信效率将大幅下降。基于电话通信的自动抄表技术的应用已超过20多年，应用广泛。其优点是系统避免了无线电、光纤、电缆及其他系统成本高、基本建设规模大的不足;缺点是线路接通时间较长，当集中器数目较多时，集中器到控制中心的通信效率将大幅降低。另外，若租用电话线路多，其租用费也很高，因此不适合大容量系统。

        2.3 电力线载波通信

        电力载波通信分高压电力载波通信和低压电力载波通信。电力线载波通信是利用配电线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式，利用已有的配电网作为信息传输的载体所以成本低廉。但是由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上并未得到根本解决，还存在着抄表“盲区”的问题。该问题一直阻碍电力线载波技术在自动集中抄表系统中的应用。高压电力线载波通信的优缺点为：优点是输送距离长、系统结构简单并被很好的维护，所以高频载波的应用效果非常好;缺点是电力载波系统在配电线上的传输可能会遇到诸多困难，并且设备复杂，推广难度大。低压电力线载波通信的优缺点为：优点是作为自动抄表系统的底层数据通道，成本低、方便准确。缺点为低压配电线载波通信传输性能较差，主要表现为噪声高、阻抗低、损耗大、波动大、易受外界干扰等。

        2.4 CAN总线

        控制器局域网CAN(Controller Area Network)是重要的现场总线之一，是德国Bosch公司为汽车电气控制系统开发的一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，主要用于各种过程检测及控制。

        它遵从OSI模型，要工作在数据链路层和物理层。CAN总线是一种全数字化、双向和多主的现场总线，以其高性能、高可靠性以及灵活的设计受到人们的重视，应用越来越广泛。目前CAN已逐步应用到其它工业控制中，现已成为ISO l1898国际标准。其优点是CAN可以是对等结构;CAN可以采用非破坏性仲裁技术;CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通信距离最远10 km，节点数目可达l10 个;介质采用廉价的双绞线，无特殊要求，用户接口简单，容易构成用户系统。缺点是一般不能采用多层总线结构，有可能导致总线过载;它不能与Internet互连，不能实现远程信息共享;它不易与上位控制机直接接口;通信距离仍然有限。

        2.5 光纤通信

        光纤通信自动抄表系统顾名思义采用光纤传输。光纤通信技术在近几年来获得了巨大的发展和广泛的应用，其优点是具有容量大、中继距离长、传输速率高、不受雷电和开关操作的影响、抗电磁干扰能力强等。缺点是投资费用太大。

        2.6 GSM通信

        GSM(Global System for Mobile Commu-nication)系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。GSM远程抄表就是利用电信部门提供的功能实现智能表数据的远传，即为利用GSM网络短信业务实现自动抄表是一个新思路。系统主要由抄表主站、GSM网络和GSM抄表终端设备三大部分组成，首先由PC机和通信模块组成的抄表主站连入GSM网络，然后利用短消息业务按照一定的规约格式向抄表终端设备发出命令。其优点是其占用系统资源少，建网速度快，投资费用少。缺点是GSM短信只能作单向传送，且每次的字符数不能多于160个或70个汉字。

        2.7 GPRS通信

        GPRS是基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域无线IP连接。GPRS通过中国移动GPRS服务网关GGSN，在分组交换模式下发送和接收数据，利用现有的无线通信网络，实现远程抄表，技术上成熟、可靠，但网络前端通信模块以及运行费用高，目前很少采用该技术。不过随着中国移动资费的不断下调，GPRS肯定会起到提供一种高效、低成本的无线数据传输方式。

        其优点是接入范围广，不受地域和位置限制;传输速率高，支持不同速率的传输，能满足远程抄表的应用需求;提供实时在线服务，能够提供快速即时的连接，保证通信的实时性;按流量计费，特别适用于远程抄表这种间断、频繁、少量(偶尔大量)数据的传输方式;支持TCP/IP协议和X.25协议，可与Internet互通，突破了GSM通信中数据流量的限制。

        缺点是目前GPRS是按流量计费，对于大数据量运行费用较高;实时性差，尤其是节假日系统的负荷会达到高峰。系统及网络堵塞严重，信息不畅，不能及时发送或收到有用信息，贻误大事;系统安全性较差，由于GPRS是通过互联网发送数据，而目前的网络安全性不高，越来越容易受到攻击，造成瘫痪;服务质量受制于运营商的服务，可能是GPRS系统的问题，也可能是网络的问题等，容易产生“扯皮”。

        2.8 TCP/IP网络通信

        毫无疑问，TCP/IP(通常它是指传输控制协议国际协议)是发展至今最成功的通信协议，它被用于当今所构筑的最大的开放式网络系统Internet之上就是其成功的证明。TCP/IP是一个开放性通信协议。基于这个特点，采集器采集的数据才能在上位机管理中心机和下位机位高性能芯片之间传输。

        TCP/IP不是某时某地存在的物理事物，它是一组协议，这组协议使任何计算机、调制解调器和Internet服务提供者的用户能访问和共享Internet上的信息。因为TCP/IP使用普及，所以上位机管理系统不仅可以与集中器之间通信，也能随时供部门访问。TCP和IP是两个独立且紧密结合的协议。TCP负责和远程主机的连接，而IP负责寻址，使报文被送到其该去的地方。当下位机要传输电能数据报文给上位机时，负责连接下位机和上位机主机，负责在网络中寻找上位机的地址，使报文能顺利送到上位机。其优点是平台无关性、好的破坏恢复机制、高效的错误率处理、能够在不中断现有服务的情况下加入网络、低的数据开销等。缺点是一般情况下，成本会稍高于RS485控制器，并存在难以保证数据实时性要求及数据安全可靠性差等问题。

        三、结语

        综上所述，远程抄表系统集计算机技术、通信技术、用电及计量技术于一体，采用远程传输技术和当今发达的计算机技术、网络技术，将各个计费终端和管理中心联成一体，定时或实时自动读取用户的消费数据。尤其在数据传输的过程中，选择什么样的通信方式适合，或者是某几种通信方式的组合，是目前研究比较热门的问题，同时也是远程抄表系统的核心任务之一。通过以上分析比较，根据其优缺点，具体确定通信方式时需要综合考虑系统面对的对象、用户的分布、用户的数量、地理条件、经济情况、期望达到的目标、系统的扩展、升级，以及与其他网络的兼容等方面实施，不管对于小区智能化还是高校后勤数字化管理项目的实施都有着重大而深远的意义。