基于蜂窩網絡的無線抄表系統(完整版)

　　

【正文】 頻芯片，自動搜索WIRELESS METER READING SYSTEM BASED ON NETWORKABSTRACTFor a long time, how to read meters’ data is a question that the government wants to solve quickly. Automatic meter reading system is very important because it’s the original data. The data which is exact and timely is very important. For the moment, automatic meter reading system based on wireless RF chip all use one jump munication. For its limited send power, the covered area is very limited so that there are many blind spot. This article is based on multijump munication and via relay to spread the covered area.Key Words: wireless meter reading, network, RF chip, automatic searchii 目錄摘 要 iABSTRACT ii第一章 緒論 1 自動抄表的背景 1 自動抄表的通信方式 3 無線抄表技術的特點及面臨的問題 4 ZigBee簡介 6 ZigBee技術簡介 6 ZigBee技術特點 8 本文的主要研究工作及各章節安排 9第二章 無線通信的主要技術 11 介質及頻段選擇 11 調制技術 12 擴頻技術 14 直接序列擴頻 16 跳頻 16 跳時 17 線性調頻 17 本章小結 18第三章 無線抄表方案 19 課題研究的意義 19 信道接入概述 20 尋的算法 21 窮舉法 21 區域算法 21 分區自動搜索算法 23 本章小結 25第四章 系統的硬件設計 26 系統的整體結構 26 無線收發模塊 27 芯片的選用 27 CC1100應用電路 30 脈沖采集的可靠性設計 32 高速PCB電路的可靠性設計 33 掌機 35 控制芯片的選型 35 系統結構介紹 35 系統的主要參數 41 本章小結 41第五章 系統的軟件設計 42 程序的模塊化設計 42 無線模塊軟件的設計 42 掌機軟件的設計 43 終端軟件的設計 44 本章小結 45第六章 總結與展望 46 實地測試結果 46 工作總結 46 展望 47參考文獻 48附錄 52致謝 53攻讀學位期間發表的學術論文目錄 54第一章 緒論 自動抄表的背景長期以來，三表數據抄送問題都是相關供應部門非常想解決但又得不到切實解決的問題。特別是隨著城市的發展，抄表收費問題更為突出，嚴重制約了相關企事業單位的發展。比如用戶在售電機上買電后插入自己的表中即可用電，預先將使用的電量記錄在售電機中，實行先買電后使用；另一種就是利用自動抄表系統來解決。縱觀國外自動抄表技術的發展，一些先進國家目前主要以集中抄表，銀行結算為主。究其原因，是我國的供電質量和社會環境造成的。但布線工作量大，通信信道易受外界因素破壞，且被損壞后故障排除困難，信道后續維護工作量大。但信息傳輸距離較短，對方位性要求高，且系統的自動化程度較低。此外，考慮到競爭共享無線信道產生的沖突、信號衰減、噪聲和信道之間干擾等多種因素，移動終端得到的實際帶寬遠遠小于理論上的最大帶寬。2) 低成本：無線抄表系統由成百上千的節點構成，單個節點的價格將極大地影響系統的成本。ZigBee最顯著的技術特點是它的低成本、低功耗、無線自組網和網絡容量大。另外MAC層采用CSMACS機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。 ZigBee技術特點1) 設備省電：ZigBee技術采用了多種節點的工作模式，可以確保兩節五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間；2) 通信可靠：ZigBee采用了CSMACA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息；3) 網絡的自組織、自愈能力強：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；增加或者刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作；具備自組織、自愈能力的無線通信網絡才是自動抄表系統最理想的通信方式；4) 成本低廉：設備的復雜程度低，且ZigBee協議是免專利費的，這些可以有效地降低設備成本；ZigBee的工作頻段靈活，就是沒有使用費的無線通信；5) 網絡容量大：一個ZigBee網絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在200多個ZigBee網絡；6) 數據安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。第三章 無線抄表方案分析了現有無線抄表方案存在的問題，提出了課題研究的意義。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下無線通信。采用無線電波作為無線通信的傳輸介質是目前應用最多的，這主要是因為無線電波的覆蓋范圍較廣，應用較廣泛。 調制技術調制與解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一。2) 電波有效輻射：根據無線電波傳輸原理，為了有效地把電磁能量耦合到空間，天線直徑或長度至少與傳輸信號波長相當。而數字調制就是用數字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數字基帶信號的變化而變化。然而簡單的ASK、PSK和FSK因傳輸效率低而無法滿足移動通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高的調制方式，盡可能地提高單位頻率內傳輸數據的比特率，以適用于無線通信的窄帶數據傳輸的要求。MSK信號以其恒包絡、連續相位、帶外輻射小、便于在非線性信道中傳輸等優點得到廣泛應用。第一，信號的頻譜被擴展了。和的互換是通過改變信號波形實現的，即采用高速編碼技術，這就是擴頻技術的理論基礎。2) 可進行多址通信：擴展頻譜通信本身就是一種多址通信方式，稱為擴頻多址（spread spectrum access，SSMA），實際上是CDMA的一種，用不同的擴頻碼組成不同的網。具體說，就是將信源與一定的PN碼進行模二加。 跳頻跳頻擴頻是將數字信息與PN碼模二相加后，離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發射信號的頻率隨PN碼的變化而跳變，發射頻率的次序決定于該編碼序列。 跳時跳時擴頻用PN碼控制信號發送時刻及信號持續時間的長短。由于簡單的跳時抗干擾性不強，很少單獨使用，跳時一般和跳頻結合起來使用，兩者一起構成一種“時頻跳變”系統。因此，目前基于無線數傳模塊的抄表系統還有一定的潛在市場和應用價值。在通信網絡中，信道的共享方式通常有點到點、點到多點和多點共享。本系統將接收終端作為主控端來解決這個問題。 將抄收到節點的數據記錄，并生成表，將未抄收到的節點用表表示，；216。其工作過程為：216。如圖34所示，A、C為普通節點，B為中繼節點。該CTS幀可同時被節點A和節點C收到。比如，則其代表的意思是2號抄表區域內的第5號小區域內的78號節點。通過這種方式可以靈活地選取中繼節點，比較選取不同的中繼節點取得的效果，從而選取一種最佳的方案。216。 掌機收到數據后就進行處理，若正確就存入存儲器中；若接收不到或數據錯誤就打上出錯標記，然后，繼續向下一個用戶發送請求；216。216。高靈敏度，靈敏度可達110dBm，1%數據包誤差率。自動頻率補償可用來調整頻率合成器到接收中間頻率。數據在內部進行曼切斯特編碼（TX）和曼切斯特解碼（RX）。當正確的數據包被接收或發送時，輸出數據準備就緒信號。 2kB可字節擦除的Flash程序存儲器，具有256字節的扇區和16字節的頁。具有波特率發生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用的中斷功能；216。可見，天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。偏阻器R7用來設置一個精確的偏電流。由于電表度數必需是非易失性的，所以把它存儲在P89LPC917的內部flash里，防止掉電時丟失數據。 FMADRL = addramp。 if( (FMCONamp。 no) { *dat_buf = *readp。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，產生中斷進行掉電數據保護。=0xFE。這里提出一些注意點：1) 高速電路器件管腳間的引線彎折越少越好。5) 各類信號走線不能形成環路，地線也不能形成電流環路。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)。PCF8574 是PHILIPS公司推出的一款帶總線,具有CMOS電路。鍵盤應用電路如圖46所示。該模式的波特率可變，由定時器1/2的溢出速率決定，本系統的波特率為9600bps。前期的FRAM的每個存儲單元使用2個場效應管和2個電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個存儲單元包括數據位和各自的參考位，簡化的2T2C存儲單元結構如圖49（a）所示。把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內容是“1”或“0”。因鐵電晶體的固有缺點，訪問次數是有限的，超出限度，FRAM就不再具有非易失性。下面是讀寫FRAM的相關程序。 SPI_write(WRITE)。 P_SCLK=0。 F_CS=1。0xFF)。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。小塊程序更容易理解和調試。 無線模塊軟件的設計無線通信部分工作的可靠與穩定是整個系統可靠和穩定運行的前提保證。初始化單元主要完成無線模塊硬件的初始化以及系統的一些初始信號的提取。2) 當同類的需求較多時，可把程序放入庫中以備以后使用。第五章 系統的軟件設計 程序的模塊化設計本系統中無線收發模塊和掌機的程序用C語言編寫，采用模塊化設計。jno。}/*Read Memory*/void Memory_RD(uint16 addr, BYTE xdata *dat_buf, BYTE no){ BYTE j, value。i10。 SPI_write(addramp。 F_CS=0。鐵電存儲器在性能方面與EEPRON和Flash相比有三點優勢之處：首先，鐵電存儲器的讀寫速度更快。由于讀操作可能導致存儲單元狀態的改變，需要電路自動恢復其內容，所以每個讀操作后面還伴隨一個“預充”過程來對數據位恢復，而參考位則不用恢復。1T1C的FRAM所有數據位使用同一個參考位，而不是對于每一數據位使用各自獨立的參考位。圖48 串口電路4) 鐵電存儲器由于存儲器里的數據要經常更改，擦寫的次數較多，并且每次更改的數據量較大，為了加快速度，本系統采用了鐵電存儲器（FRAM）。因此，本系統除了鍵盤，還加入了顯示屏，能及時反映系統的運行狀況。該器件包含一個8位準雙向口和一個總線接口。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節省編程成本和上市時間。圖45 無線收發模塊實物圖 掌機掌機作為抄表系統的接收終端，要求攜帶方便、操作簡單，主要包括了無線收發模塊、鍵盤、顯示、串口和存儲器五部分。2) 高頻電路器件管腳間的引線越短越好。EA=1。PT0AD=0x10。 readp++。 else return(1)。 while(1) { FMDATA = *dat_buf。這里用到了P89LPC917 flash存儲器的IAP_Lite功能，把未加密的扇區作為非易失性數據存儲器。同一個合適LC網絡一起，平衡轉換器元件也將阻抗轉換以匹配50歐的天線。CC1100的平衡RF輸入和輸出共享2個公共引腳，應用于印制電路板上的簡單、低價匹配和平衡轉換器網絡。可選擇RC振蕩器選項并且其頻率可進行很好的調節；216。 256字節 RAM數據存儲器；216。本系統對兩種芯片都進行了調試，雖然nRF905配置簡單、編程方便，但是最終選用了CC1100，理由有幾點：1) 雖然nRF905數據傳輸率達到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， kbps，可由于本系統要傳輸的數據較少， kbps的速率足以滿足系統的要求；2) nRF905有32個管腳，而CC1100只有20個腳，因此其相應的硬件電路就簡單，系統的穩定性相對較高；3) CC1100有工作狀態寄存器，可以監視其工作狀態，保證系統的穩定性；而nRF905卻沒有；4) 此外，CC1100的價格也遠低于nRF905。RF收發器由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震