毕业设计 基于单片机远程抄表装置的研究.doc

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1、（ 届）本科生毕业设计（论文）基于单片机远程抄表装置的研究学 院、系： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 年 月 湖南工业大学本科生毕业设计（论文）基于单片机远程抄表装置的研究院 （系）：电气与信息工程学院专 业：电气工程及其自动化学 号： 学生姓名： 指导教师： 20 年 月摘 要随着社会经济的发展和生活水平的日益提高，安全、舒适、方便、健康已成为人们对居住环境所提出的新要求。智能化小区正是在这种要求下应运而生并蓬勃发展起来的。安全自动化，通信自动化，管理自动化是智能化小区的三大特征。体现智能化小区管理自动

2、化特征的水表、电表、煤气表的自动抄收作为必备的导入项目之一，在工程设计中占有重要位置。自动抄表改变了以往人工抄表的服务方式，实行无人查表，由物业管理公司或供给公司在控制中心集中抄收，避免了因人工抄表所造成的错抄、漏抄、估抄、抄表时间跨度大、工作效率低、存在安全隐患等弊端。既节省了人力物力，也提高了安全性。本文是针对智能化小区的水表、煤气表抄表系统所作的研究。经过对国内外相关技术和案例的分析，结合小区的实际情况，设计了一套基于单片机控制技术的远程抄表系统。该设计综合运用了传感器技术、单片机技术以及通信技术，实现了水表、煤气表数据采集、存储、处理、传输等工作，使每一位住户的水表、煤气表数据准确传递

3、给物业公司的中央控制室，以便查抄。为了准确地实现水表，煤气表数据地远程抄收，本文设计完成了以 AT89C52 为控制核心，同时具备远程数据采集功能和数据通信功能的系统的硬件设计和软件设计。硬件设计部分包括：(1)智能仪表部分。主要包括通过传感器设计来完成物理量向电信号的转换；(2)数据采集器部分。主要包括单片机及其扩展接口的设计，信号调理电路、信号切换电路、模数转换电路设计，通讯接口设计。在硬件设计过程中尽量做到简化结构，节省外围电路。在软件设计上，主要针对数据采集器的数据采集功能和串行通讯功能进行程序的编写。关键词：远程抄表 智能小区 单片机 ABSTRACTWith the develop

4、ment of economy and the improvement of living standard, peoples living condition changed continuously. Safety, comfort, convenience and healthiness of the living condition come to become the new requirements. To meet these requirements, the buildings of intelligent residential quarters developed vig

5、orously. The security automation,communication automation, and management automation are the three important characteristics of the intelligent residential quarters. The meter automatic reading in water,electricity and gas, which embody the management automation characteristics of the intelligent re

6、sidential quarters, is one of the necessary guide items, and it occupies the important place in the engineering design. Meter-reading automation changes the past serving manner of manual work, avoids the disadvantages of the manual work, such as the wrong,leaking, and estimating reading, the great t

7、ime lag, the low efficiency, the existing hidden safety problems. It not only saves the manpower and material resources, but also enhances the security.The meter-reading system in water meter and in gas meter for intelligent residential quarters is designed in this paper. Through analysis and study

8、of the correlative technique and cases, the remote meter-reading system based on microcomputer control technique is designed. The design considers sensor technique, microcomputer technique and communication technique as major supports. Based on these techniques, data collecting, data processing, dat

9、a storage as well as data transmitting are realized. The data of the water meter and the gas meter in every family can be transmitted to the center control room exactly.In order to carry out the remote reading of the water meters and gas meters accurately, this paper designed the hardware and softwa

10、re system, which used AT89C52 as the control core and possessed the remote data collecting and date communication function. The hardware design included the follows: (1) Intelligent meter module, converting the physical signals to the electrical signals by the sensor. (2) Data acquisition module, in

11、cluding the designs of microcomputer and its extended interface; the designs of signal demodulator circuit, signal switchover circuit and A/D converted circuit; the design of communicate interface. In the hardware design, this paper tries to simplify the system structure and peripheral circuit. In t

12、he software design, the programs for collecting data and communication are made. Keywords: Remote meter-reading, Intelligent residential quarters, microcomputer.目 录第1章 绪论.11.1 课题提出的背景.11.1.1 自动抄表的必要性. .11.1.2 自动抄表的可行性.21.1.3 目前国内外普遍采用的自动抄表方式.21.2 本文所做的工作.4第2章 远程抄表系统的设计原则.62.1 远程抄表系统的设计原则.62.2 设计的关键.

13、72.3 系统功能的确定.82.4 建立系统.82.4.1 建立系统结构模型.82.4.2 控制技术选择.92.4.3 网络的选择. .9第3章 系统的硬件设计.103.1 智能仪表部分硬件设计.113.2 数据采集板硬件设计.133.2.1 单片机系统的设计. .143.2.2 数据采集通道的设计.203.2.3 通讯电路设计.223.2.4 显示电路设计.223.2.5 外接存储器电路. .23第4章 通讯部分设计.254.1 通讯方式的选择.254.1 通讯接口的设计.28结论.31致谢.32参考文献. .33附录1 英文文献. .34附录2 翻译.39第1章 绪 论1.1 课题提出的背

14、景随着社会经济的发展和生活水平的日益提高，人们对家居环境提出了越来越高的要求，安全、舒适、方便、快捷、人性化、智能化已成为新的追求目标，以往的住宅结构及管理方式越来越不能满足人们的需求。随着电子计算机、网络信息技术和微电子技术的飞速发展给世界的各个领域带来了无限的发展空间，建筑领域也不例外，智能大厦、智能化住宅小区先后出现，也逐渐实现了小区网上物业管理、安防联网报警、宽带上网等，但对于耗能表的计量及其查表出户问题的解决还处于较低的水平。本文是针对于智能化小区的计量表的抄收问题所做的研究。1.1.1 自动抄表的必要性在智能化小区的管理系统中，安全自动化，通信自动化和管理自动化是三个主要的特征。耗

15、能表数据抄收问题是衡量小区管理水平的一个非常重要的，不可回避的问题。对于它们的抄收问题解决是否有效将直接影响到居住的安全性、便捷性，也影响到物业公司的管理工作。以往三表数据的抄收采用人工方式，即供给公司派工作人员到住户家中抄取表的数据，然后回到公司，录入该数据，核算出相应的消费费用，打出收费单据，再派人上门收费，这样不能保证数据的准确性和实时性，会造成大量的人力、物力及时间上的浪费，也可能造成错抄、漏抄、估抄的现象，给收费人员和住户带来很大的麻烦，甚至造成很多不必要的纠纷。不仅如此，耗能表的入户抄收也相应地会带来社会治安问题，有很多治安案件的发生正是由于犯罪人员冒充抄表、收费人员进行入户抢劫，

16、给住户家居生活的安全性造成很大的威胁。鉴于水表、气表、电表的人工入户抄收既造成了工作效率低下，时间跨度过大，又存在一定的安全隐患，因此传统抄表方式已经越来越不能适应今后住宅的发展需求和人们的生活需求而逐渐丧失生命力。取而代之的是户外自动抄表，即利用传感，控制、信息网络等技术将每个住户的耗能表数据传送至户外，再由供给公司集中抄表，这种方法既节省人力、物力、时间，保证准确性，实时性也不再让住户安全性受到影响。因此，自动抄表方式即满足实际要求，又能提高能源管理的自动化水平和现代化水平，是促使人工抄表方式向着数字化、自动化方向发展的方式。既符合人们对住宅功能的需求也解决了计费、计量、监管等相关部门的难

17、题，它必将会成为一种趋势，一种行业标准被大家广泛认可和接受。1.1.2 自动抄表的可行性近几年来随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机信息技术以及网络技术的迅猛发展，越来越多的高集成度，功能强大的电子器件被开发出来，使得自动抄表成为可能。除此之外，实现水表、电表、煤气表户外自动抄表也得到了国家政策上的支持，建设部2000 年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则（修改稿）中已明确提出：“推广使用户外计量（含水、电、暖、燃气表）技术”。在中国住宅户年品发展纲要中也明确提出：实现方便查表，不干扰住户，大量人工查表工作，逐步过渡到数字化传递，开展智能化水、电、气、热计量装置及接口箱

18、柜，智能化计量装置的开发要达到准确计量，抗干扰能力强，稳定性与耐久性好，使用安全，防盗等基本技术性的要求。由此可见计量表的户外自动抄表不论从技术上还是从政策上都具备了可行性。因此，它必将替代传统抄表方式成为住宅建筑的通用标准而不断地发展完善，从而为人们的生产生活提供更加舒适方便的服务。1.1.3 目前国内外普遍采用的自动抄表方式目前国内外普通采用的自动抄表方式有三种：IC卡自动抄表、电力载波自动抄表，远程自动抄表方式，它们拥有各自的特点及适用范围。（1）智能 IC 卡自动抄表方式智能卡自动抄表技术源于国外，它是将用户信息存入卡中，利用微机技术、IC 卡技术进行数据管理的方法。该方式有着自身的优

19、点：采用预付费方式，避免纠纷。无需敷设管线及线路维护。限量消费，节约能源。但 IC 卡自动抄表方式也有着以下很多的弱点：技术不成熟，主要表现在经常出现误报警，即用户 IC 卡中尚有足够用量的情况下，表也会产生报警，并且停止供应，造成即便有卡也不能用水、用电、用气的情况，给人们造成一定的困扰。利用 IC 卡预付费这种方式，造成先买单后吃饭的问题，缺少人性化，因此只适用于散户，不便于集中物业管理。国外 IC 卡抄表方式只是在一些低档的或流动性场所使用，至今仍未被广泛应用。另外此种方式需要用户到指定部门购买 IC 卡，把本来属于卖方的劳动由买方来承担，不能体现便民性。用户不能及时了解自己的消费情况，

20、无法及时地核实自己的耗能数据。随着电子技术的发展，IC 卡越来越容易被解密，造成假卡或造成控制系统失效，难以取证认定，易发生纠纷。IC 卡受到攻击后对住户或成国家都会造成损失。难以上网查阅，并且对水、电、气难以进行动态管理。需制造专门的智能仪表，提高了系统的成本。售后服务很难解决，如果 IC 卡或智能仪表出现问题，必须及时维修，会给物业部门和管理部门造成巨大的负担。IC 卡抗干扰能力差，价格高，寿命短，综合效益差。因此 IC 卡自动抄表方式不适合于智能化小区的自动抄表。（2）电力载波自动抄表方式电力载波方式是把水表、电表、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线传递，在接收端解调还原

21、成数字信号，在同一台配电变压器供电范围内统一编址，并由采集器巡回读写的处理方法。电力载波自动抄表方式的优点是：利用电力线传输，无需敷设线路节省资源。虽然此种方式有明显的优点，但并没有在我国得到广泛地使用，主要是因为关键技术不能解决。目前我国住宅小区使用的是低压电力网，低压电力网由于频率低，通道特性不具备一般性，即不同线路的特性差异很大或线路信道具有时变性，而且线路噪声功率较其它线路大，所以在这样的通道上实现常规的窄带传输比较困难。其缺点主要表现为：电网在传输数据过程中，经常受到无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错码、丢码。家用器启动时瞬间电压极大，产生许多脉冲信号，这些干扰信号

22、叠加在电网上，造成数据与原表的误差。传输距离有限。由于配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，电力载波信号只能在一个配电变压区域范围内传递。数据传输距离受到限制。要想充分利用电网进行载波就必须解决抗干扰接收问题和信号处理问题。然而我国的电网的纯净度差，想要解决它，不但要相当大的投资，而且必须解决许多关键性的技术问题，目前还很难实现。（3）远程抄表方式远程抄表方式的工作原理是：利用电子技术和传感器技术制造出具有远传功能的智能仪表或是对传统电表、水表、气表加以改进，使其成为远传仪表，再在室外安装一套计量系统，将每一个计量表传感器传出的数据送到该表的采集器进行保存，处理，最后通过网络总线与计算机相连，可

23、根据要求与计算机之间进行信息交换。运用远程抄表方式设计研制的远程抄表系统具有以下的优点：工作效率高远程抄表系统以精确的构思，解决了管理部门与用户的矛盾。以往每一个住宅楼都需派专人抄表，不仅抄收数据繁琐，而且统计困难。采用远程抄表系统后，计算机直接采集每个住户的水、电、气数据，并进行分析、整理、存储，同时计算出相关的费用，使能源供应公司及物业管理部门从根本上减少人工上门抄表带来的繁杂低效的运作模式。准确而便捷的收费系统，既减少工作人员又减少供应公司与客户之间的纠纷，从而提高管理部门的工作效率。从社会效益讲，远程抄表系统同步实现了集中智能管理，减少了人为因素带来的诸多不利。当能源价位发生政策变动时

24、，系统通过管理中心改变软件设置便可实现。能更好的满足用户需求，达到科学管理、减员增效的目的。系统维护方便、升级容易系统正常运行后将处于免维护状态。若需要更换网络中设备，只要在更换后通过微机重新设置有关参数即可，无需变动现场其它硬件及参数，整个操作仅需几分钟。若要对系统进行升级，这在以单片机为核心的网络型远程抄表系统是很容易做到的，将写入 CPU 中的程序进行调整，或配以相应的模块即可满足要求，就象操作系统的升级一样容易。特别是基于那些功能更加强大的总线技术的远程抄表系统，产品的升级和系统扩展特别容易实现。可实现实时采集数据管理部门的管理人员随时可读取耗能表数据，市民也可随时查询消耗情况和相关数

25、据，不再象过去那样只能查询 1 个月前的历史数据。计算机实时调用或定时将分散于各地的集中器数据采集并汇总绘制成图表，从而实现远程自动抄表。还可以通过计算机网络与营业计算机系统有机结合起来，实现数据共享、远程自动抄表，提供最原始的数据，绘制出用户日、月、年的负荷曲线，掌握耗能配额及各用户耗能指数，做到整体监测、分析考核。通过计算机网络数据共享，使营业微机系统实现各用户数据查询。可为居民提供公平、透明的消费平台远程自动抄表，对用户而言，由于数据准确可靠，为用户提供了一个对管理部门供应及自己使用情况的公正的了解，同时为管理部门提供了用户用量及缴费情况的查询，从而避免由于关系、权利、人情造成的混乱，对

26、改善服务质量，提高管理部门形象起到了很大作用，具有明显的社会效益。可实现远程管理控制可以随时监测用户表具运行状况，能及时发现表具故障，防止偷漏水、电、气现象。若用户消费量超过管理部门规定的金额，管理部门可切断用户表具的信号，使其停止运行。远程抄表系统容操作性、方便性、管理理念及消费习惯的一致性于一体，组合运用当今的多种成熟技术，为水、电、气、热这些特殊商品的抄收问题提供一套全新解决模式。1.2 本文所做的工作为了满足住宅智能化的要求，并充分考虑各种抄表方法的特点和适用范围，本文设计研制了一种适用于智能化小区的水表，煤气表远程抄表系统。这套系统不但能够实现对住户用水，用气情况进行实时监控，而且能

27、对他们进行准确的记录和计算，并根据PC 机的要求适时的传送数据以供查阅。在设计研制过程中主要解决以下几个问题：(1) 研制智能仪表。智能仪表是整个系统产生计量脉冲的器件，对系统计量准确性有着决定性的影响，是系统的重要组成部分。本课题采用对原有的机械表进行改造，这样不但有自动计量方式，也保留原有机械表读表方式，便于住户及时掌握耗能情况，并与远传数据及时比对，利于及时发现问题解决问题。此外，该种方式无须开发新的专门的智能仪表，大大的节约了成本，提高了实用性。(2) 根据实际需求完成数据采集器的设计，制作。包括数据采集器硬件设计，电路设计。数据采集器主要用来完成对消耗的水量，煤气量的采集和计量工作以

28、及与上位机(PC)之间进行通讯。在设计过程中为了尽量的减少硬件设施，降低功耗，简化电路，选用了功能强大的芯片。(3) 确定通信方式及通信标准。采用串行异步通讯标准 RS-485，采集器测量到的数据以及设备状态可以通过 RS-485 总线远传至智能小区的物业管理中心的 PC 机，由管理中心统一进行处理，真正实现“无人查表”。第2章 远程抄表系统的设计原则随着控制技术、信息技术、电子技术、计算机技术的迅猛发展，实现远程抄表越来越成为可能，那么设计一套什么样的远程抄表系统是合适的呢？它要综合现代科学技术、社会生产力水平、服务人群结构，地理气候以及文化风俗习惯等诸多因素，不能凭一时想法随意拼凑，而是必

29、须要进行系统的设计。2.1 远程抄表系统的设计原则远程抄表系统作为一个控制系统，是由各个功能模块组合在一起之后形成的具有数据链锁处理过程的组件，因此，设计此系统时应遵循一定的原则：（1）面向设备的设计原则，现在市场上流行很多功能强大的设备或产品。它们能准确、快速地完成很多任务，但是价格也很昂贵，造成设计成本提高。如果选择面向设备的设计原则，过分地强调器件、设备的重要性，就很可能引起无限的设备扩充，造成不必要的浪费。有鉴于此，正确的指导思想的是另一种“面向功能的设计原则”。（2）面向功能设计原则任何一套系统都是为实现某种功能服务的，而此功能又是由应用的场合，要完成的任务，面对的服务对象的层次等综

30、合因素确定的，因此要按照功能的要求合理地配置相应的技术、设备。过多地强调技术设备会造成浪费、过剩，而忽视技术设备又会造成功能不足，由此看来，以系统的功能指标要求来选择设备和技术是最为合适的，也是最为经济、实用的。针对于本设计是应用于智能化小区中的水表、煤气表的远程抄表系统，具体的设计原则应考虑以下几条：可靠性和实用性原则：一套系统是否能够可靠，准确地完成任务，保证数据不丢失将会决定它的生命力和使用价值。唯一性和一致性。保证数据准确，即完成耗能数据的传送真实，与实际数量一致。先进性。采用最先进的硬件，使系统在今后一段时间内保持领先水平，延长生命力。易扩展性。系统应具有扩展功能，易于今后的升级及扩

31、展。开放性。今后的发展趋势是不同网间的通讯和数据通讯，因此，本系统所选用的操作系统、数据库系统及通讯协议接口等必须符合开放系统的规范，使本系统采集的耗能数据能传输到有关部门，方便各级用户的使用。易于维修。设备在运行的过程中，难免会出现故障，设计系统时要充分考虑到维修问题，维修难度大，费用高的系统是不实用的。优越的性能价格比。性能和价格一直是衡量产品竞争力的两个最为主要的因素，盲目地追求高档次，高价位是很不客观的，而经济实用的产品才是应用更广泛的。2.2 设计的关键设计开发一套控制系统并不是掌握它的设计原则就可以的，原则只是在设计过程中遵循和考虑的规律，除了它们之外，还有许多关键性的因素必须要考

32、虑：（1）市场定位要充分考虑到所设计的系统是为哪些住宅服务，服务的档次如何，进而确定系统功能。因为目前的自动抄表一般分为本地自动抄表和远程自动抄表。如为本地自动抄表，则采用自动抄表仪直接对采集数据抄录，需分块抄录，节省了一部分布线工程。而远程抄表则利用中心控制计算机进行总体抄录，这样在设计时就要有几个区别，免得造成功能过剩成功不足。（2）经济性经济一直是制约技术发展和产品推广的重要因素。毫不例外，设计一套系统同样要受制于此，过高的造价是人们接受不了的。因此在功能设计，技术选择，设备配置都必须考虑到人们的可接受程度，既能满足要求，又能提高节约性是设计一直所追求的目标。（3）技术因素技术因素是功能

33、实现的决定性因素。系统是由很多部件组成，部件间的连接，数据的传递和累积及各种功能的实现必须要建立在一定的技术平台上。目前关系到自动抄表系统的技术平台有：电子技术。以前的系统设计过程中，为了实现某些功能，需要搭建很多个电子组件，造成电路臃肿庞大，线路复杂难辨，功能不可靠。近几年，随着电子技术的快速发展，功能强大的集成电路以其不可替代的优势在系统设计中扮演重要角色。计算机技术。计算机技术为系统功能设置及功能实现提供开发及操作平台。控制技术。近几年来，自动控制技术发展很快，广泛地应用于各个领域，单片机技术、PLC 技术以及诸多新兴的技术都发展的很好。准确的、可靠的、稳定的控制技术对完成各项控制任务至

34、关重要。通信技术。智能化的一个典型标志就是利用计算机对控制过程进行监控。在许多生产实践中，用 PC 机与单片机或 PLC 工控机组成的系统对工程进行实时监控，完成控制信号的产生与传输，数据采集，数据处理等功能。而 PC 机要与控制信号实时相联系，因此将控制信号可视化，并将控制操作指令传达给每一个受控部件，单靠控制技术是解决不了的，必须采用通信技术。可靠、准确的通信技术将为系统的正常运行提供保证。通信方式的选择也颇为重要，在由 PC 机与单片机或 PLC 组成的系统当中，往往是由一台 PC 机，多台单片机或 PLC 工控机，它们之间的距离可能很远，分布也是集散型的，因此需使用一定的计算机外部的总

35、线技术，该技术选择是否得当，将会影响到计算机与采集器之间数据交换速度，以及准确率，同时也影响到组建系统的成本。2.3 系统功能的确定确定系统的功能要从实际出发，综合考虑用户要求、经济因素、技术因素、人文因素、环境因素的特点，设计出经济实用，简单易操作的系统。作为在智能小区中应用的远程抄表系统应具备的功能及特点：（1）具有正常的数据采集、数据校验功能。能够准确完成对水表、煤气表的数据进行采集、处理，存储工作，以便向 PC 机发送数据。（2）通信功能。具有接收 PC 机的指令，与 PC 机进行信息交换的功能。（3）24 小时不间断工作，并有先进可靠的断电保护功能，在外部电力网线突然掉电的情况下，对

36、数据进行保护以防丢失。（4）防盗取功能，能够准确地区分出正常信号或盗取信号，对正常信号进行记录，对盗取信号不予理睬，提高计量的有效性。（5）自动复位功能。程序运行的过程中，由于某原因造成程序跑飞，或进入死循环，系统应能够自动复位，程序重新运行，提高程序运行的可靠性。（6）提供备用电原在外网断电的情况下，要保证采集器正常工作，需提供备用电源。2.4 建立系统2.4.1 建立系统结构模型根据对系统功能的要求，设计了系统的结构模型，如图 2.1 所示：图 2.1系统结构模型图由结构模型图可以看出，整个系统由三大块组成，它们分别是：脉冲计量表（水表、煤气表），数据采集板和微机（PC机）。而通常设计类似

37、系统则采用智能仪表、数据采集器、集中器、微机四个部分组成。本设计简化了以往的组合方式，因为集中器实质上就是采集器的扩展，从某种程度上来讲，重复和采集器同样的传输、保存、处理数据的功能，是采集器和微机之间的中介。在这里将集中器的功能推到前端，设计集数据采集、处、管、保存、传输功能，通讯功能于一身的数据采集板。不但能够满足以往的功能需求，还可以降低功耗，节约大量的成本。2.4.2 控制技术选择控制技术的特点将会决定着一套控制系统功能的实现和工作任务的完成程度，因此控制技术选择的是否得当，将直接影响到设计系统是否成功，同时也会影响到建立系统的成本。经过慎重考虑，本设计采用单片机控制技术。该技术具有以

38、下特点：（1）小巧灵活，成本低，易于商品化，它能方便地组装成各种智能式的测控设备及各种智能仪器仪表。（2）可靠性好，适应组织管理制度。单片机芯片本身是按工业控制环境要求设计的，适应各种恶劣的环境。（3）易扩展。很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强，单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。（4）可以很方便地实现多机分布式控制。2.4.3 网络的选择本文服务对象是规模较大智能化住宅小区，各个住户相对集中在一个区域内，呈集散分布状态。数据采集板安装在每个单元的楼道里，与物业管理中心的PC机之间是主从关系。因此设计了RS485 总线型的主从网络结构，因为RS485 总线传输距离最远可达1200m，传输准确率高，传输速度快，有很强的抗共模干扰能力，所以选用该种网络是合适的。第3章 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。硬件的设计要根据功能的要求和系统的工作原理来进行。经过系统结构模型的建立和通信网络的选择之后，远程抄表系统的具体结构原理图如图3.1：图 3.1 远程抄表系统结构