《现代计算机网络技术》课程设计报告 - 图文

软硕1003班 张倩倩 M201076031

华中科技大学

小区居民电力抄表系统设计

课程：现代计算机网络技术 班级：软硕1003班 姓名：张倩倩 学号：M201076031

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1. 居民小区远程抄表系统方案 1.1 背景与集抄现状

（1）人工抄表工作量大，抄表工作定额大、周期短、频率高，难免出现漏抄、错

抄，极易与客户发生纠纷，影响优质服务的水平。 （2）数据处理不及时。

（3）抄表质量低，不明损失大。

（4）快速便捷、准确稳定的远程电力抄表系统可以解决以上问题。

1.2 目标

本系统实现的是电力公司对小区居民用电实现远程抄表和远程控制的功能。

1.3 功能需求

（1）数据采集方式：用集抄终端采集一个楼栋所有用户相关信息，由集抄终端和供电局机房主站通信。主站采集服务器与终端的通信应支持TCP协议或UDP协议。系统可定时和随时抄录远方数据，定时采集的时间间隔和数据采集项目可由授权用户灵活定义，重复召唤的次数也可由授权用户灵活定义。根据应用需要可灵活制定抄表策略。

（2）数据采集方式：自动（定时）和随时定点采集。采每户采集的参数包括：累计电量、瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率。

（3）及时上传用电事件包括断电、上电、超功率等事件报警信息。

（4）实现心跳功能，对无法抄录的计量点，系统应以多种的方式发出报警，以便值班人员进行人工抄表，在系统恢复正常时，应能自动补测。

（5）为提高数据通信的安全性和降低通信运行费用，主站与终端之间的数据通信可以采用可靠的数据压缩和加密算法。

（6）用电控制：动态监测用户用电量，实现预付费用电。欠费实现远程拉闸。缴费后实现远程合闸。合闸前应控制嗡鸣器报警三次。

（7）终端设备可由不同厂商提供,主站能判定终端设备生产商。

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1.4 仿真系统要求

仿真系统的功能需求有：

（1）终端仿真能灵活设定要传输的各项参数和故障状态。 （2）终端仿真能以二进制形式显示发送和收到的帧。

（3）终端仿真收到过负荷报警和断路信息后能有相应信息显示。 （4）终端仿真能按要求发送各种数据帧。

（5）主站仿真能以二进制形式显示发送和收到的帧。 （6）主站仿真能显示收到的各种数据和故障状态。 （7）主站仿真能按要求发送各种命令帧。

1.5 用户电表和集抄终端通信通讯

由于终端和电表连线距离不远，多块电表共用一个终端，那么可以采用集抄终端与用户电表间课使用有屏双绞线通过RS-485接口连接通讯，用户电表选用RS-485接口单相电子式电能表。采用通过RS-485接口连接进行通讯，原因如下：

1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平低，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。

2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。可满足每个终端与电表通讯实际中距离及电表数量。

3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米(理论上的数据，在实际操作中，极限距离仅达1200米左右），RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点，所以为本设计中电表和终端通讯所选接口。

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1.6 集抄终端和主站通讯

考虑到集抄终端和主站连接的复杂性，那么可采用无线网络，通讯距离较为复杂，那么GPRS/GSM通讯为首选方案，（如：集抄终端可绑定SIM卡）

抄表数据终端起着管理和协调GPRS网络和仪表数据通信的作用。由于无线传输是基于GPRS的，所以抄表数据传输终端也可以称为GPRS终端，要完成硬件和软件的设计。抄表终端的硬件设计选用已有的GPRS模块作为抄表终端与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，处理两者间的数据通信问题。

总体系统可如下图：

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2. 集抄终端和主站通讯协议设计

本协议基于TCP/IP协议。大用户终端设备为从站，监控设备为主站，把主站设为服务器，通信链路的建立是通过从站发送请求数据包来控制的。每个数据包由从站地址域、控制码、功能码、数据长度、数据域、校验码等六个部分组成，每个部分包含若干字节。

2.1 字节格式和帧格式

2．1．1 字节格式

字节格式：每个字节包含八个二进制码，其传输顺序下图所示。其中，D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。

0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 传送方向 起始位 8位数据 偶校验位 停止位

2．1．2 帧格式

帧格式如下：

说明 帧起始符 地址域 代码 68H A0 A1 A2 A3 A4 A5 68 C L DATA CS 16H

帧起始符 控制码 数据长度域 数据域 校验码 结束符

报头：Header = 0x68;

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地址域A0～A5：每字节2位BCD码。低地址在前，高地址在后。当地址为99 99 99 99 99 99H时，为广播地址。

电能表资产号构成的地址域长度不足6字节时，可用十六进制AAH补足。

控制码C：控制码的格式：

D7

D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 功能码 后续帧标志 从站异常标志 传送方向 功能码：

D7＝0：由主站发出的命令帧。 D7＝1：由从站发出的应答帧。 D6＝0：从站正确应答。 D6＝1：从站对异常信息的应答。 D5＝0：无后读数据帧。 D4～D0：请求及应答功能码。

00001：读数据 00100：写数据 01000：广播校时 01111：修改密码

低4位0000到1111间自定义数据包，如心跳数据包，警告，限量用电，等相关信息。

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数据位：

A3 A2 A1 A0 其他数据 功率 电流 电压

数据位占用16个byte，从高到低，4个字节依次表示为电压、电流、功率、其他数据，当无用电数据时，各项数据为0； 数据时间

用8421码表示，如“010101”表示01:01:01 数据长度L

L为数据域的字节数，十六进制数据，L=0表示无数据域，读数据和写数据时L≤255。

CRC校验码 DATACRC

2bytes，协议采用二进制和校验法，即从从站地址域开始到校验位之前的所有字节的二进制和，不计超过256的溢出。 报尾TAIL

Tail == 0x16;

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2．2 写数据

2．2．1 写数据请求帧

功能 请求设置数据（或编程）

控制码 C=04H

数据长度 L=06+m（数据项长度） 密码 PAP0P1P2 帧格式：

68H A0 ? A5 68H 04H L DI0 DI1 PA P0 P1 P2 数据项 CS 16H

2．2．2 从站正常应答帧

功能 从站将执行正确的结果告知主站 控制码 C=84H 数据长度 L=00H 帧格式：

68H A0 ? A5 68H 84H 00H CS 16H 2．2．3 从站异常应答帧

控制码 C=C4H

数据长度 L=01H 帧格式：

68H A0 ? A5 68H C4H 01H ERR CS 16H 2．3 修改密码

2．3．1 修改密码请求命令帧

功能 修改编程密码

控制码 C=0FH 数据长度 L=08H

数据域 PA0 P00 P10 P20（旧密码）

PAN P0N P1N P2N（新密码）

帧格式：

68H A0 ? A5 68H 0FH 08H 旧密码 新密码 CS 16H 2．3．2 从站正常应答帧

功能 正确执行命令的设备应答

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数据长度 L=04H

数据域 PAN P0N P1N P2N（新密码） 帧格式：

68H A0 ? A5 68H 8FH 04H 新密码 CS 16H PA为密码权限（0~1），0为高权限，高权限的密码可设置低权限的密码，相同 权限校对旧密码正确后也可修改密码。

2．3．3 从站异常应答帧

控制码 C=C4H 数据长度 L=01H 帧格式：

68H A0 ? A5

68H C4H 01H ERR CS 16H 2．4 广播校时

功能 使从站与主站时间同步

控制码 C=08H

数据长度 L=06H

数据域 YYMMDDhhmmss(年.月.日.时.分.秒) 帧格式：

68H 99H ? 99H 68H 08H 06H ss mm hh DD MM YY CS 16H

3. 帧格式及仿真模拟 3.1 应用说明

1. 本仿真系统采用TCP/IP协议进行模拟。考虑到传输和控制的实时性，网络间的通讯采用UDP协议。

2. 本仿真系统实现采用VC++语言实现，通信上使用socket1.1版本。使用固定端口号8001.

3. 本仿真系统运用平台为Windows系列系统。

4. 本系统对用户用电电表采用一定范围随机生成的数字进行模拟。

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5. 本系统采用多线程编程。

3.2 仿真演示

图一：仿真软件采用MFC程序

主端视图如图一左侧所示。

系统运行之后，单击“开始侦听”，服务器开始监听各终端。当终端发出“请求连接”的数据请求，主端与终端建立连接。

点击“开始接受/发送”，主端向终端发送“请求读”命令。在终端应答之后，接受终端发来的数据包。

主站请求帧

功能 请求读数据 控制码 C=01H 数据长度 L=02H 帧格式：

68H A0 ? A5 68H 01H 02H DI0 DI1 CS 16H 数据项标识

数据长度

控制码

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图二： 主站请求终端发送数据

从站正常应答

功能 从站正常应答 控制码 C=81H

数据长度 L=02H+m(数据长度) 数据帧格式 68H A0 ? A5 68H 81H L DI0 DI1 N1 ? Nm CS 16H 数据项 数据标识

数据域长度

控制码

从站正常应答帧

功能 从站将执行正确的结果告知主站 控制码 C=84H 数据长度 L=00H 帧格式：

68H A0 ? A5 68H 84H 00H CS 16H

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图三：终端应答请求并发送数据

读零点电量返回的数据帧格式如下： 标识编码为：9090－9097 68H A0 ? A5 68H 81H

07H DI0 DI1 电量数据 日期 CS 16H 数据项 数据标识

数据域长度

控制码

标识编码为：909D（当日零点到上3日零点电量） 68H A0 ? A5 68H 81H L DI0 DI1 数据块 数据项 数据标识

数据域长度

控制码

数据块的格式如下: 909D （L=16H）： 当日零点电量 日期 上1日零点电量 日期

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CS 16H ? ? 上3日零点电量 日期 软硕1003班 张倩倩 M201076031

909E （L=16H）： 上4日零点电量 日期 上5日零点电量 日期 ? ? 上7日零点电量 日期

909F （L=2AH）： 当日零点电量 日期 上1日零点电量 日期 ? ? 上7日零点电量 日期

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7plx.html