基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線抄表系統(tǒng)(更新版)

　　

【正文】 蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。可編程的載波感應(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(duì)同步詞匯偵測(cè)的保護(hù)，支持傳輸前自動(dòng)清理信道訪問(wèn)（CCA），即載波偵聽系統(tǒng)。可編程控制的輸出功率，對(duì)所有的支持頻率可達(dá)+10dBm。s Smart RF技術(shù)，可工作在ISM頻段（315/433/868/915MHz）。 最后，掌機(jī)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)，并生成一張Excel表，方便記錄和管理。216。 本章小結(jié)本章深入分析了現(xiàn)有無(wú)線抄表方案存在的問(wèn)題，在基于無(wú)線射頻模塊抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種自動(dòng)搜索算法，使其具有多跳的路由功能。地址段狀態(tài)字配置字?jǐn)?shù)據(jù)段地址段： 包含了節(jié)點(diǎn)的地址信息狀態(tài)字： 發(fā)送時(shí)，作為命令字節(jié)；接收時(shí)，顯示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息配置字： 包含了節(jié)點(diǎn)配置時(shí)的信息，比如該節(jié)點(diǎn)是普通節(jié)點(diǎn)還是中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)段： 包含了傳輸?shù)男畔D36 數(shù)據(jù)包格式分區(qū)自動(dòng)搜索算法就是基于此格式的地址進(jìn)行自動(dòng)搜索的，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)未抄收到時(shí)，它就會(huì)在已抄收到的節(jié)點(diǎn)中自動(dòng)搜索跟其小區(qū)域編號(hào)一致的節(jié)點(diǎn)，把該節(jié)點(diǎn)作為中繼進(jìn)行第二次抄收，其具體工作過(guò)程如下：216。由于RTS幀和CTS幀包含了本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，因此節(jié)點(diǎn)C會(huì)在等待一段時(shí)間之后再次發(fā)送RTS幀。如果在節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)C也想向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送，節(jié)點(diǎn)C要先監(jiān)聽信道，由于和節(jié)點(diǎn)A相距較遠(yuǎn)而不能聽到節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)，便認(rèn)為信道空閑而開始發(fā)送，使節(jié)點(diǎn)B正在接收的節(jié)點(diǎn)A信息幀受到破壞。 收到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將其保存；若沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，就打上未抄收的標(biāo)記；216。 將最終還未抄收到的節(jié)點(diǎn)作為故障節(jié)點(diǎn)處理。其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)把接收終端一跳范圍里的節(jié)點(diǎn)作為中繼去抄收一跳范圍外節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到擴(kuò)大覆蓋范圍的目的。在廣播網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)共享一條通信信道，即網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)均可占用該信道發(fā)送信息，其他所有節(jié)點(diǎn)可以在該信道上接收該信息。圖31 單跳方式接收端盲點(diǎn)盲點(diǎn)上圖所述的系統(tǒng)，只有移動(dòng)接收終端的位置才能收到所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這給實(shí)際的操作帶來(lái)很大的不便和困難。因其頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號(hào)的帶寬被展寬了。可以將跳時(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。接收端只有知道跳頻圖，才能正確接收。這樣信源速率就提高了10倍，同時(shí)使處理增益達(dá)到10dB以上，從而有效提高整機(jī)信噪比。3) 安全保密：由于擴(kuò)展系統(tǒng)將傳送的信息擴(kuò)展到很寬的頻帶上去，其功率密度隨頻譜的展寬而降低，甚至可以將通信信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中。擴(kuò)頻通信與一般的無(wú)線電通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過(guò)程。第二，采用高速編碼技術(shù)，即采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制方式來(lái)展寬頻譜。 擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻是指發(fā)送端將待傳送的數(shù)據(jù)用擴(kuò)頻碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，再進(jìn)行傳輸，接收端采用同樣的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)處理及解調(diào)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式。由于振幅鍵控信號(hào)的抗噪聲性能不夠理想，因此目前在無(wú)線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制技術(shù)主要有頻率鍵控和相位鍵控兩大類。今天，通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(shù)字制式過(guò)渡，因此數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。3) 頻率分配：隨著通信、廣播、電視等的發(fā)展，空間頻率資源越來(lái)越緊張，為了利用頻率資源，需對(duì)頻率進(jìn)行分配，使通信、廣播、電視等互不干擾。基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因此必須把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)以適合于信道傳輸。這一方面使通信非常安全，基本避免了通信信號(hào)的偷聽和竊取，具有很高的可用性。無(wú)線電波很容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，很容易穿過(guò)建筑物因此被廣泛用于室內(nèi)或室外的無(wú)線通信。第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在基于無(wú)線射頻模塊抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架及完整的硬件電路。預(yù)計(jì)從近幾年開始，基于ZigBee的無(wú)線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)迅速得到普及和高速發(fā)展。ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、安全層（Security Layer）、應(yīng)用層（Application Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）；而由國(guó)際電子電機(jī)工程協(xié)會(huì)（IEEE），則是定義了物理層（PHY Layer）及媒體存取層（Media Access Control Layer；MAC Layer），如圖11所示。兩個(gè)物理層都基于直序擴(kuò)頻（DSSS），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。此外，降低系統(tǒng)成本的另一個(gè)重要因素是減少系統(tǒng)管理與維護(hù)的開銷。5) 數(shù)據(jù)特點(diǎn)：從總體上講，由于是抄收每家每戶的數(shù)據(jù)，因此其數(shù)據(jù)總量十分龐大，而此數(shù)據(jù)又直接關(guān)系到全社會(huì)每個(gè)人的經(jīng)濟(jì)利益，因此對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、安全性要求非常高。3) 使用無(wú)線數(shù)傳芯片：這種方式準(zhǔn)確率高、抗干擾能力較強(qiáng)，且它使用的是無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，成本較低，是一種較為理想的自動(dòng)抄表方案。4) 利用有線電視電話網(wǎng)抄表：這種方式是先將各用戶數(shù)據(jù)集中到固定的集中器，由集中器經(jīng)有線電視電話網(wǎng)傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)。 自動(dòng)抄表的通信方式目前的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)傳輸角度劃分，可分為有線、無(wú)線兩大類。還有的國(guó)家采用類似以色列的抄表方式，各用戶將用電的各種數(shù)據(jù)按一定的采集時(shí)間傳輸?shù)焦╇娮儔浩鞲边叺募衅髦校迅饔脩舻挠秒姅?shù)據(jù)處理后，利用有線或無(wú)線定期傳輸?shù)诫娏值挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算后，用有線把各用戶的電費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姐y行劃撥。自動(dòng)抄表（Automatic Meter ReadingAMR）是指采用通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)。5) 問(wèn)題多：用戶、收費(fèi)人員竊氣、竊水、竊電、作弊、拒交費(fèi)用時(shí)有發(fā)生，造成各類費(fèi)用不能及時(shí)準(zhǔn)確的收繳，如日供氣100萬(wàn)立方的能力下，收費(fèi)率提高一個(gè)百分點(diǎn)，每年就可增收365萬(wàn)立方的氣費(fèi)，而實(shí)際上少收、漏收遠(yuǎn)高于此，有的地區(qū)高達(dá)20%以上，供水、供電更為嚴(yán)重。當(dāng)前，我國(guó)水、電、氣的計(jì)量收費(fèi)管理，大多采用管理單位的抄表員登門入戶進(jìn)行人工抄表收費(fèi)的方式。在行業(yè)信息化過(guò)程之中，戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化抄送具有非常重大的意義，因?yàn)閼舯頂?shù)據(jù)是相關(guān)行業(yè)銷售過(guò)程中最原始的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和及時(shí)性直接影響了行業(yè)內(nèi)部其它信息化水平。比如，全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)的差費(fèi)率高達(dá)20％，天津更高達(dá)40％。一般手工抄表都按月抄表，對(duì)于用戶計(jì)量來(lái)說(shuō)是可行的，但對(duì)于相關(guān)供應(yīng)部門進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠。由于電力用戶因此不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時(shí)間，還能迅速查詢帳單，故這種技術(shù)越來(lái)越受到用戶歡迎。這種水、電和煤氣計(jì)量表上裝有一種低功率的收發(fā)兩用機(jī)，當(dāng)抄表車從附近發(fā)出一種特定信號(hào)時(shí)，收發(fā)兩用機(jī)就會(huì)立即將上述計(jì)量表的讀數(shù)和用戶ID號(hào)發(fā)射到空中，安裝在汽車?yán)锏挠?jì)算機(jī)就接收這些數(shù)據(jù)，并記錄下來(lái)。正常情況下其準(zhǔn)確率可以很高，通過(guò)中繼的方式可以傳輸?shù)木嚯x也很長(zhǎng)。顯然，有線通信技術(shù)雖然能解決一些問(wèn)題，但有其固有不足，難于推廣和滿足市場(chǎng)的需求。 無(wú)線抄表技術(shù)的特點(diǎn)及面臨的問(wèn)題目前市場(chǎng)上的無(wú)線抄表系統(tǒng)大致可分為基于無(wú)線數(shù)傳模塊、基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)、或者是二者結(jié)合等幾種方式，從應(yīng)用角度看，無(wú)線抄表技術(shù)具有以下顯著特點(diǎn)：1) 無(wú)控制中心：無(wú)線抄表系統(tǒng)中沒(méi)有絕對(duì)的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，控制中心與節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式連接。無(wú)線抄表技術(shù)不同于傳統(tǒng)的抄表技術(shù)的特點(diǎn)給無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，主要有以下幾點(diǎn)：1) 低能耗：無(wú)線抄表系統(tǒng)長(zhǎng)期在無(wú)人職守的狀態(tài)下工作，對(duì)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的平均能耗提出了更高的要求。信道加密、抗干擾、用戶認(rèn)證和其他安全措施都需要特別考慮。868MHz頻段只有一個(gè)信道，傳輸速率為20kbps；915MHz頻段有10個(gè)信道，傳輸速率為40kbps。2) 精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）：只支持星型結(jié)構(gòu)，不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，但是實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。 本文的主要研究工作及各章節(jié)安排本文在深入研究現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的無(wú)線抄表系統(tǒng)，分析其各自存在優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種有簡(jiǎn)單的多跳路由功能的無(wú)線抄表系統(tǒng)。根據(jù)分區(qū)自動(dòng)搜索算法，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)軟件的總體框架。在整個(gè)無(wú)線電頻段上，無(wú)線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其他電子設(shè)備的干擾。世界各國(guó)均保留了一些無(wú)線頻段，以用于工業(yè)、科學(xué)研究和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用。而解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收者（信宿）處理和理解的過(guò)程。綜上所述，調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。2) 干擾和噪聲影響大：這主要是移動(dòng)通信工作的電磁環(huán)境所決定的。1) MSK：MSK是移頻鍵控FSK的一種改進(jìn)形式。例如，信息本身的帶寬為，傳輸信息的帶寬為，則。擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是通信理論中具有重要意思的香農(nóng)公式，可表示為 （21）其中，為信道容量，即信道傳輸信息速率的最大值，為傳輸信道帶寬，為信號(hào)平均功率，為噪聲平均功率，為噪聲功率譜密度。正式這兩大特點(diǎn)，使擴(kuò)頻通信方式具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，主要有：1) 很強(qiáng)的抗干擾能力：由于將信號(hào)擴(kuò)展成很寬的頻帶上，在接收端對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，即帶寬壓縮，恢復(fù)成窄帶信號(hào)。擴(kuò)展頻譜技術(shù)具有很強(qiáng)的抗多徑能力，它是利用擴(kuò)頻所用的擴(kuò)頻碼的相關(guān)特性來(lái)達(dá)到抗多徑干擾，甚至可以利用多徑能量來(lái)提高系統(tǒng)的性能。在接收端，射頻信號(hào)經(jīng)混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，它用與發(fā)射端相同的編碼序列反擴(kuò)展，將寬帶信號(hào)解擴(kuò)，解擴(kuò)后的中頻窄帶信號(hào)經(jīng)普通信號(hào)解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原始的信號(hào)碼。而采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。只要收、發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。52第三章 無(wú)線抄表方案 課題研究的意義在緒論中已經(jīng)提到目前市場(chǎng)上的無(wú)線抄表系統(tǒng)大致可分為基于無(wú)線數(shù)傳模塊、基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)、或者是二者結(jié)合等幾種方式。無(wú)線抄表系統(tǒng)的這些特點(diǎn)決定了該系統(tǒng)中的設(shè)備要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便，所以該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，最好所有節(jié)點(diǎn)的功能都一樣。在所有的廣播網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)信道的使用產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，如何分配信道的使用權(quán)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 窮舉法在上文中提到，由于無(wú)線抄表系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，要求該系統(tǒng)中的設(shè)備越簡(jiǎn)單越好。其次，把整個(gè)抄表區(qū)域分成幾個(gè)小區(qū)域，并且保證每個(gè)小區(qū)域中都有1到2個(gè)中繼表，該算法可以說(shuō)是ZigBee簇狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化模式，其結(jié)構(gòu)如圖33所示。若不是則丟棄。鄰節(jié)點(diǎn)收到RTS幀或CTS幀后，在以后的一段時(shí)間內(nèi)抑制自己的傳輸，從而避免對(duì)即將進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸造成碰撞。因此，區(qū)域算法還無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際的抄表系統(tǒng)里。 一輪抄收完成后，每個(gè)小區(qū)域都會(huì)生成一張表，包含兩部分內(nèi)容：和，里包含了作為中繼的節(jié)點(diǎn)地址，包含了未抄收到節(jié)點(diǎn)的地址；216。硬件部分主要包括用戶電表、安裝在表上的無(wú)線收發(fā)模塊和掌機(jī)三部分，其示意圖如圖41所示。 每個(gè)無(wú)線模塊都被分配了一個(gè)表號(hào)（UserID），它們是區(qū)分不同用戶的唯一標(biāo)志；216。 無(wú)線收發(fā)模塊 芯片的選用1) 無(wú)線收發(fā)芯片由于無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，無(wú)線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，正確的選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。RF收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。自動(dòng)低功率RX拉電路的電磁波激活功能（WOR）功能使CC1100能夠周期地從深度休眠狀態(tài)激活，從而不需要MCU的作用即能偵測(cè)到來(lái)的數(shù)據(jù)包。 nRF905nRF905是Nordic公司為433/868/915MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的單片UHF多段無(wú)線收發(fā)芯片，采用32腳的封裝。通過(guò)將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給應(yīng)用的微控制器一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。 4輸入8位A/D轉(zhuǎn)換器/1個(gè)DAC輸出。 選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時(shí)可多達(dá)14個(gè)I/O口。雖然CC1100有平衡FR輸入/輸出，但芯片也可以連在帶少量外部低價(jià)電容和電感的單端天線上。可以很容易地跟CPU進(jìn)行通信，其典型應(yīng)用電路如圖43所示。/*寫flash*/Bit FLASH_WriteNByte(uint16 addr, uint8 *dat_buf, uint8 no) { if(0==no) return(0)。 no。 readp = addr。可是寫flash對(duì)電壓要求較高，所以這里不能使用芯片自身的掉電檢測(cè)功能。 /*禁止管腳的數(shù)字輸出功能*/ CMP1=0x28。布線的方式也有兩種：自動(dòng)布線及交互式布線，在自動(dòng)布線之前，可以用交互式預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)品反射干擾。減少過(guò)孔數(shù)能顯著提高速度。P89V51RD2 是一款80C51 微控制器，包含64kBFlash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。P89V51RD2 也可采用在應(yīng)用中編程（IAP），允許隨時(shí)對(duì)Flash程序存儲(chǔ)器重新配置，即使是應(yīng)用程序正在運(yùn)行也不例外。通過(guò)INT發(fā)送中斷信號(hào)，遠(yuǎn)端I/O口不必經(jīng)過(guò)總線通信就可通知MCU是否有數(shù)據(jù)從端口輸入。圖47 顯示電路3) 串口電路本系統(tǒng)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通信，進(jìn)行下載、上傳數(shù)據(jù)等操作。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒(méi)有獲得外部能量時(shí)不能越過(guò)高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。圖49 FRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過(guò)電容上的電荷，而是由存儲(chǔ)單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。但是寫操作仍要保留一個(gè)“預(yù)充”時(shí)間，所以總的時(shí)間與讀操作相同。其次，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器可以擦寫100億次，而EEPROM則只能進(jìn)行100萬(wàn)次的擦寫。 F_CS=1。 jno。 P_SCLK=0。 SPI_write(READ)。 } F_CS=1。各模塊程序分別編寫、編譯和調(diào)試。3) 模塊化編程使得要解決的問(wèn)題與特定模塊分離，很容易找到出錯(cuò)的模塊，大大簡(jiǎn)