基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線抄表系統(tǒng)(文件)

　

【正文】 的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，視具體的應(yīng)用環(huán)境而定，是一種特殊的無線網(wǎng)絡(luò)。在通信網(wǎng)絡(luò)中，信道的共享方式通常有點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)和多點(diǎn)共享。無線抄表網(wǎng)絡(luò)就是采用廣播方式實(shí)現(xiàn)通信的。本系統(tǒng)將接收終端作為主控端來解決這個問題。本文根據(jù)實(shí)際情況提出了三種尋的算法。 將抄收到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄，并生成表，將未抄收到的節(jié)點(diǎn)用表表示，；216。 區(qū)域算法首先，該算法將抄表系統(tǒng)里的節(jié)點(diǎn)分為兩類，普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。其工作過程為：216。 中繼收到后，將根據(jù)自帶的信息進(jìn)行判斷，若是本區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，就進(jìn)行抄收，并將抄收到的數(shù)據(jù)回傳給接收終端。如圖34所示，A、C為普通節(jié)點(diǎn)，B為中繼節(jié)點(diǎn)。就是發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送前與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次短控制消息的握手，接收節(jié)點(diǎn)以短消息的方式通知鄰近節(jié)點(diǎn)它即將進(jìn)行接收，即RTSCTS方式。該CTS幀可同時被節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C收到。 分區(qū)自動搜索算法上文中提到的基于區(qū)域算法的抄表方案，在理論分析上確實(shí)可行，不但增大了有效覆蓋區(qū)域，而且提高了抄表的效率，但是這在實(shí)際的安裝過程中是很難實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椋?) 接收終端和中繼節(jié)點(diǎn)的實(shí)際有效距離很難計(jì)算，因此不能保證所有中繼都處于接收終端的覆蓋范圍內(nèi)；2) 由于無線環(huán)境的復(fù)雜性，RTSCTS機(jī)制仍不能完全保證數(shù)據(jù)幀的正確接收；3) 小區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的地址都存儲在其中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)，其存儲的數(shù)據(jù)量會隨著節(jié)點(diǎn)的變化而增大，不便于維護(hù)。比如，則其代表的意思是2號抄表區(qū)域內(nèi)的第5號小區(qū)域內(nèi)的78號節(jié)點(diǎn)。 接收終端依次向各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送抄收信號，進(jìn)行第一輪抄收；216。通過這種方式可以靈活地選取中繼節(jié)點(diǎn)，比較選取不同的中繼節(jié)點(diǎn)取得的效果，從而選取一種最佳的方案。第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)把電表作為目標(biāo)對象，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。216。整個系統(tǒng)的工作過程如下：216。 掌機(jī)收到數(shù)據(jù)后就進(jìn)行處理，若正確就存入存儲器中；若接收不到或數(shù)據(jù)錯誤就打上出錯標(biāo)記，然后，繼續(xù)向下一個用戶發(fā)送請求；216。在這個系統(tǒng)中，掌機(jī)處于主控地位，采用“輪詢”方式，向各點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請求，各點(diǎn)收到請求后，若驗(yàn)證是對自己的請求則向掌機(jī)回傳數(shù)據(jù)。216。體積小，采用20腳的封裝。高靈敏度，靈敏度可達(dá)110dBm，1%數(shù)據(jù)包誤差率。 CC1100的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO可通過SPI接口控制，使用非常方便并且具有靈活性。自動頻率補(bǔ)償可用來調(diào)整頻率合成器到接收中間頻率。216。數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行曼切斯特編碼（TX）和曼切斯特解碼（RX）。ShortBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋。當(dāng)正確的數(shù)據(jù)包被接收或發(fā)送時，輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒信號。PHILIPS 16腳的P89LPC917，它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期。 2kB可字節(jié)擦除的Flash程序存儲器，具有256字節(jié)的扇區(qū)和16字節(jié)的頁。 23位的系統(tǒng)定時器，可用作實(shí)時時鐘；216。具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用的中斷功能；216。I/O口可承受5V()；216?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。少量的被動外部元件同內(nèi)部RX/TX轉(zhuǎn)換/終止電路一起，能保證RX和TX模式下的匹配。偏阻器R7用來設(shè)置一個精確的偏電流。表41 部分外部元件元件描述C51數(shù)字部分的片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的100nF退耦電容C121/C131RF平衡轉(zhuǎn)換器/匹配電容C122/C123RF濾波/匹配電容C124RF平衡轉(zhuǎn)換器DC模塊電容C125RF LC濾波DC模塊電容L121/L131RF平衡轉(zhuǎn)換器/匹配電感L122/L123RF LC濾波/匹配電感R171內(nèi)部偏電流參考的56千歐電阻圖42 CC1100外圍電路CC1100通過4線SPI兼容接口（SI、SO、SCLK和CSn）配置。由于電表度數(shù)必需是非易失性的，所以把它存儲在P89LPC917的內(nèi)部flash里，防止掉電時丟失數(shù)據(jù)。下面是IAP_Lite功能讀寫flash的相關(guān)操作程序。 FMADRL = addramp。 addr++。 if( (FMCONamp。 if(0==no) return。 no) { *dat_buf = *readp。但是如果使用芯片本身的掉電檢測功能。圖44 比較器外部電路RRGND5V()CIN1A+VrefCC中斷，也就是正向輸入電壓小于Vref時，產(chǎn)生中斷進(jìn)行掉電數(shù)據(jù)保護(hù)。 P0M2=0xA4。=0xFE。PCB布線有單面布線、雙面布線及多層布線。這里提出一些注意點(diǎn)：1) 高速電路器件管腳間的引線彎折越少越好。所謂引線的層間交替越少越好是指元件連接過程中所用的過孔Via越少越好。5) 各類信號走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。 控制芯片的選型本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能不是很復(fù)雜，對性能的要求也不是很高，51系列單片機(jī)足夠滿足本系統(tǒng)的要求，又考慮到本系統(tǒng)需要的IO口較多，因此選用了 PHILIPS 44腳的 P89V51RD2 作為本系統(tǒng)的CPU。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。應(yīng)用固件的產(chǎn)生/更新能力實(shí)現(xiàn)了ISP 的大范圍應(yīng)用。PCF8574 是PHILIPS公司推出的一款帶總線,具有CMOS電路。它還帶有一條中斷接線（INT）可與MCU 的中斷邏輯相連。鍵盤應(yīng)用電路如圖46所示。其應(yīng)用電路如圖47所示。該模式的波特率可變，由定時器1/2的溢出速率決定，本系統(tǒng)的波特率為9600bps。FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運(yùn)動，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。前期的FRAM的每個存儲單元使用2個場效應(yīng)管和2個電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個存儲單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡化的2T2C存儲單元結(jié)構(gòu)如圖49（a）所示。簡化的1T1C存儲單元結(jié)構(gòu)如圖49（b）所示。把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進(jìn)行恢復(fù)。因鐵電晶體的固有缺點(diǎn)，訪問次數(shù)是有限的，超出限度，F(xiàn)RAM就不再具有非易失性。讀的速度同樣也很快，和寫操作在速度上幾乎沒有太大的區(qū)別。下面是讀寫FRAM的相關(guān)程序。 SPI_write(WREN)。 SPI_write(WRITE)。 for(j=0。 P_SCLK=0。 } F_CS=1。 F_CS=1。 P_SCLK=0。0xFF)。 dat_buf[j]=value。對于Output管腳，通過74LS07接到3V器件的管腳上，并將3V端的管腳上拉，對于Input管腳，通過三極管跟5V器件相連，具體電路見圖410。模塊化編程是一種軟件設(shè)計(jì)方法。小塊程序更容易理解和調(diào)試。若要再使用顯示驅(qū)動，則由庫中把它取出，而不要全部重新編寫。 無線模塊軟件的設(shè)計(jì)無線通信部分工作的可靠與穩(wěn)定是整個系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的前提保證。子機(jī)控制單元主要判斷接收到的命令。初始化單元主要完成無線模塊硬件的初始化以及系統(tǒng)的一些初始信號的提取。4) 模塊化編程提高了程序的可利用率和移植性。2) 當(dāng)同類的需求較多時，可把程序放入庫中以備以后使用。最后模塊一起鏈接/定位。第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 程序的模塊化設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊和掌機(jī)的程序用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)。 P_SCLK=0。jno。 SPI_write(addr8)。}/*Read Memory*/void Memory_RD(uint16 addr, BYTE xdata *dat_buf, BYTE no){ BYTE j, value。 F_CS=0。i10。 j++) { value=dat_buf[j]。 SPI_write(addramp。 P_SCLK=0。 F_CS=0。最后，鐵電存儲器所需功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他非易失性存儲器。鐵電存儲器在性能方面與EEPRON和Flash相比有三點(diǎn)優(yōu)勢之處：首先，鐵電存儲器的讀寫速度更快。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲單元狀態(tài)的改變，需要電路自動恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個讀操作后面還伴隨一個“預(yù)充”過程來對數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。直接對中心原子的位置進(jìn)行檢測是不能實(shí)現(xiàn)的。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個參考位，而不是對于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨(dú)立的參考位。由于鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關(guān)，所以FRAM存儲器的內(nèi)容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。圖48 串口電路4) 鐵電存儲器由于存儲器里的數(shù)據(jù)要經(jīng)常更改，擦寫的次數(shù)較多，并且每次更改的數(shù)據(jù)量較大，為了加快速度，本系統(tǒng)采用了鐵電存儲器（FRAM）。UART采用模式1，TxD腳發(fā)送，RxD腳接收，每次數(shù)據(jù)為10位；1個起始位（邏輯0），8個數(shù)據(jù)位（LSB在前）以及1個停止位（邏輯1）。因此，本系統(tǒng)除了鍵盤，還加入了顯示屏，能及時反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。這意味著PCF8574可以作為一個單被控器。該器件包含一個8位準(zhǔn)雙向口和一個總線接口。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹1) 鍵盤由于系統(tǒng)需要的IO口較多，這里使用了鍵盤。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節(jié)省編程成本和上市時間。P89V51RD2 的典型特性是它的X2 方式選項(xiàng)。圖45 無線收發(fā)模塊實(shí)物圖 掌機(jī)掌機(jī)作為抄表系統(tǒng)的接收終端，要求攜帶方便、操作簡單，主要包括了無線收發(fā)模塊、鍵盤、顯示、串口和存儲器五部分。4) 高頻電路布線要注意信號線近距離平行走線所引入的交叉干擾。2) 高頻電路器件管腳間的引線越短越好。必要時應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。EA=1。 /*開啟比較器1，并進(jìn)行如下設(shè)置：*//*CIN1A為正向輸入*//*內(nèi)部比較器參考電壓為反向輸入*/ Dly10us()。PT0AD=0x10。本系統(tǒng)使用了芯片的模擬比較器來完成掉電時的數(shù)據(jù)保護(hù)。 readp++。 for(。 else return(1)。 if(0==no) break。 while(1) { FMDATA = *dat_buf。 FMCON = LOAD。這里用到了P89LPC917 flash存儲器的IAP_Lite功能，把未加密的扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)存儲器。圖43 CC1100典型應(yīng)用電路 脈沖采集的可靠性設(shè)計(jì)雖然脈沖計(jì)數(shù)的原理很簡單，但是它是整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的先決條件。同一個合適LC網(wǎng)絡(luò)一起，平衡轉(zhuǎn)換器元件也將阻抗轉(zhuǎn)換以匹配50歐的天線。為了增大發(fā)射的有效距離，本系統(tǒng)的天線部分使用的是50Ω單端天線。CC1100的平衡RF輸入和輸出共享2個公共引腳，應(yīng)用于印制電路板上的簡單、低價匹配和平衡轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)。 CC1100應(yīng)用電路1) 天線的配置無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。可選擇RC振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)；216。2個模擬比較器，可選擇參考源；216。 256字節(jié) RAM數(shù)據(jù)存儲器；216。P89LPC917集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)對兩種芯片都進(jìn)行了調(diào)試，雖然nRF905配置簡單、編程方便，但是最終選用了CC1100，理由有幾點(diǎn)：1) 雖然nRF905數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到100 kbps，但是最大接收靈敏度只有100 dBm，所以有效接收距離就較近；而CC1100的最大接收靈敏度為110 dBm，傳輸距離相對就較遠(yuǎn)， kbps，可由于本系統(tǒng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少， kbps的速率足以滿足系統(tǒng)的要求；2) nRF905有32個管腳，而CC1100只有20個腳，因此其相應(yīng)的硬件電路就簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較高；3) CC1100有工作狀態(tài)寄存器，可以監(jiān)視其工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而nRF905卻沒有；4) 此外，CC1100的價格也遠(yuǎn)低于nRF905。“傳輸前監(jiān)聽”的載波檢測協(xié)議能有效避免工作在相同頻率的不同發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)碰撞。RF收發(fā)器由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。它采用優(yōu)化的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，采用DDS＋PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高達(dá)100dBm，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm?？删幊痰妮d波感應(yīng)指示器，可編程前導(dǎo)質(zhì)量指示器及在隨機(jī)噪聲下改進(jìn)的針對同步詞匯偵測的保護(hù)，支持傳輸前自動清理信道訪問（CCA），即載波偵聽系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)包導(dǎo)向系統(tǒng)的靈活支持：對同步詞匯偵測的芯片支持，地址檢查，靈活的數(shù)據(jù)包長度及自動CRC處理?？删幊炭刂频妮敵龉β?，對所有的支持頻率可達(dá)+10dBm。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbps。s Smart RF技術(shù)，可工作在ISM頻段（315/433/868/915MHz）。選擇無線收發(fā)芯片時應(yīng)