基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線抄表系統(tǒng)(專業(yè)版)

　　

【正文】 3) 模塊化編程使得要解決的問題與特定模塊分離，很容易找到出錯的模塊，大大簡化了調(diào)試。 } F_CS=1。 P_SCLK=0。 F_CS=1。但是寫操作仍要保留一個“預(yù)充”時間，所以總的時間與讀操作相同。這是由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持數(shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。通過INT發(fā)送中斷信號，遠端I/O口不必經(jīng)過總線通信就可通知MCU是否有數(shù)據(jù)從端口輸入。P89V51RD2 是一款80C51 微控制器，包含64kBFlash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線，在自動布線之前，可以用交互式預(yù)先對要求比較嚴格的線進行布線，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。可是寫flash對電壓要求較高，所以這里不能使用芯片自身的掉電檢測功能。 no。可以很容易地跟CPU進行通信，其典型應(yīng)用電路如圖43所示。 選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時可多達14個I/O口。6倍于標準80C51器件。 nRF905nRF905是Nordic公司為433/868/915MHz ISM頻段設(shè)計的單片UHF多段無線收發(fā)芯片，采用32腳的封裝。RF收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。 每個無線模塊都被分配了一個表號（UserID），它們是區(qū)分不同用戶的唯一標志；216。 一輪抄收完成后，每個小區(qū)域都會生成一張表，包含兩部分內(nèi)容：和，里包含了作為中繼的節(jié)點地址，包含了未抄收到節(jié)點的地址；216。鄰節(jié)點收到RTS幀或CTS幀后，在以后的一段時間內(nèi)抑制自己的傳輸，從而避免對即將進行的數(shù)據(jù)傳輸造成碰撞。其次，把整個抄表區(qū)域分成幾個小區(qū)域，并且保證每個小區(qū)域中都有1到2個中繼表，該算法可以說是ZigBee簇狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的一種簡化模式，其結(jié)構(gòu)如圖33所示。在所有的廣播網(wǎng)絡(luò)中，當信道的使用產(chǎn)生競爭時，如何分配信道的使用權(quán)是一個關(guān)鍵問題。52第三章 無線抄表方案 課題研究的意義在緒論中已經(jīng)提到目前市場上的無線抄表系統(tǒng)大致可分為基于無線數(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。而采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。擴展頻譜技術(shù)具有很強的抗多徑能力，它是利用擴頻所用的擴頻碼的相關(guān)特性來達到抗多徑干擾，甚至可以利用多徑能量來提高系統(tǒng)的性能。擴頻通信的理論基礎(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，為信號平均功率，為噪聲平均功率，為噪聲功率譜密度。1) MSK：MSK是移頻鍵控FSK的一種改進形式。綜上所述，調(diào)制對通信系統(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。世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業(yè)、科學(xué)研究和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用。根據(jù)分區(qū)自動搜索算法，設(shè)計了整個系統(tǒng)軟件的總體框架。2) 精簡功能設(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，但是實現(xiàn)非常簡單。信道加密、抗干擾、用戶認證和其他安全措施都需要特別考慮。 無線抄表技術(shù)的特點及面臨的問題目前市場上的無線抄表系統(tǒng)大致可分為基于無線數(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，無線抄表技術(shù)具有以下顯著特點：1) 無控制中心：無線抄表系統(tǒng)中沒有絕對的控制中心，所有節(jié)點的地位平等，控制中心與節(jié)點通過點對多點的方式連接。正常情況下其準確率可以很高，通過中繼的方式可以傳輸?shù)木嚯x也很長。由于電力用戶因此不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時間，還能迅速查詢帳單，故這種技術(shù)越來越受到用戶歡迎。比如，全國燃氣行業(yè)的差費率高達20％，天津更高達40％。當前，我國水、電、氣的計量收費管理，大多采用管理單位的抄表員登門入戶進行人工抄表收費的方式。自動抄表（Automatic Meter ReadingAMR）是指采用通訊和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)。 自動抄表的通信方式目前的自動抄表系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類。3) 使用無線數(shù)傳芯片：這種方式準確率高、抗干擾能力較強，且它使用的是無需申請的ISM頻段，成本較低，是一種較為理想的自動抄表方案。此外，降低系統(tǒng)成本的另一個重要因素是減少系統(tǒng)管理與維護的開銷。ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標準，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）；而由國際電子電機工程協(xié)會（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。第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計在基于無線射頻模塊抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架及完整的硬件電路。這一方面使通信非常安全，基本避免了通信信號的偷聽和竊取，具有很高的可用性。3) 頻率分配：隨著通信、廣播、電視等的發(fā)展，空間頻率資源越來越緊張，為了利用頻率資源，需對頻率進行分配，使通信、廣播、電視等互不干擾。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因此目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制技術(shù)主要有頻率鍵控和相位鍵控兩大類。第二，采用高速編碼技術(shù)，即采用擴頻碼序列調(diào)制方式來展寬頻譜。3) 安全保密：由于擴展系統(tǒng)將傳送的信息擴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淹沒在噪聲中。接收端只有知道跳頻圖，才能正確接收。因其頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號的帶寬被展寬了。在廣播網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點共享一條通信信道，即網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點均可占用該信道發(fā)送信息，其他所有節(jié)點可以在該信道上接收該信息。 將最終還未抄收到的節(jié)點作為故障節(jié)點處理。如果在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送的過程中，節(jié)點C也想向節(jié)點B發(fā)送，節(jié)點C要先監(jiān)聽信道，由于和節(jié)點A相距較遠而不能聽到節(jié)點A的信號，便認為信道空閑而開始發(fā)送，使節(jié)點B正在接收的節(jié)點A信息幀受到破壞。地址段狀態(tài)字配置字數(shù)據(jù)段地址段： 包含了節(jié)點的地址信息狀態(tài)字： 發(fā)送時，作為命令字節(jié)；接收時，顯示節(jié)點的狀態(tài)信息配置字： 包含了節(jié)點配置時的信息，比如該節(jié)點是普通節(jié)點還是中繼節(jié)點數(shù)據(jù)段： 包含了傳輸?shù)男畔D36 數(shù)據(jù)包格式分區(qū)自動搜索算法就是基于此格式的地址進行自動搜索的，當一個節(jié)點未抄收到時，它就會在已抄收到的節(jié)點中自動搜索跟其小區(qū)域編號一致的節(jié)點，把該節(jié)點作為中繼進行第二次抄收，其具體工作過程如下：216。216。s Smart RF技術(shù)，可工作在ISM頻段（315/433/868/915MHz）。可編程的載波感應(yīng)指示器，可編程前導(dǎo)質(zhì)量指示器及在隨機噪聲下改進的針對同步詞匯偵測的保護，支持傳輸前自動清理信道訪問（CCA），即載波偵聽系統(tǒng)。本系統(tǒng)對兩種芯片都進行了調(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：1) 雖然nRF905數(shù)據(jù)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(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的價格也遠低于nRF905。可選擇RC振蕩器選項并且其頻率可進行很好的調(diào)節(jié)；216。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。 while(1) { FMDATA = *dat_buf。 readp++。EA=1。圖45 無線收發(fā)模塊實物圖 掌機掌機作為抄表系統(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。該器件包含一個8位準雙向口和一個總線接口。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）。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)。 F_CS=0。i10。jno。2) 當同類的需求較多時，可把程序放入庫中以備以后使用。 無線模塊軟件的設(shè)計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)定運行的前提保證。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。 F_CS=1。 SPI_write(WRITE)。因鐵電晶體的固有缺點，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。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。鍵盤應(yīng)用電路如圖46所示。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)。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。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)生中斷進行掉電數(shù)據(jù)保護。 if( (FMCONamp。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)。可見，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。 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。數(shù)據(jù)在內(nèi)部進行曼切斯特編碼（TX）和曼切斯特解碼（RX）。高靈敏度，靈敏度可達110dBm，1%數(shù)據(jù)包誤差率。 掌機收到數(shù)據(jù)后就進行處理，若正確就存入存儲器中；若接收不到或數(shù)據(jù)錯誤就打上出錯標記，然后，繼續(xù)向下一個用戶發(fā)送請求；216。通過這種方式可以靈活地選取中繼節(jié)點，比較選取不同的中繼節(jié)點取得的效果，從而選取一種最佳的方案。該CTS幀可同時被節(jié)點A和節(jié)點C收到。其工作過程為：216。本系統(tǒng)將接收終端作為主控端來解決這個問題。因此，目前基于無線數(shù)傳模塊的抄表系統(tǒng)還有一定的潛在市場和應(yīng)用價值。 跳時跳時擴頻用PN碼控制信號發(fā)送時刻及信號持續(xù)時間的長短。具體說，就是將信源與一定的PN碼進行模二加。和的互換是通過改變信號波形實現(xiàn)的，即采用高速編碼技術(shù)，這就是擴頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)。MSK信號以其恒包絡(luò)、連續(xù)相位、帶外輻射小、便于在非線性信道中傳輸?shù)葍?yōu)點得到廣泛應(yīng)用。而數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)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(shù)字基帶信號的變化而變化。 調(diào)制技術(shù)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。電磁波是最主要的無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下無線通信。 ZigBee技術(shù)特點1) 設(shè)備省電：ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)點的工作模式，可以確保兩節(jié)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(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息；3) 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作；具備自組織、自愈能力的無線通信網(wǎng)絡(luò)才是自動抄表系統(tǒng)最理想的通信方式；4) 成本低廉：設(shè)備的復(fù)雜程度低，且ZigBee協(xié)議是免專利費的，這些可以有效地降低設(shè)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(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在200多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)；6) 數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee最顯著的技術(shù)特點是它的低成本、低功耗、無線自組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)容量大。此外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)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。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(xù)維護工作量大。縱觀國外自動抄表技術(shù)的發(fā)展，一些先進國家目前主要以集中抄表，銀行結(jié)算為主。特別是隨著城市的發(fā)展，抄表收費問題更為突出，嚴重制約了相關(guān)企事業(yè)單位的發(fā)展。本文在單跳方式的基礎(chǔ)上，提出了一種自動搜索的尋的算法，通過中繼的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)多跳，擴大覆蓋范圍。實現(xiàn)自動抄表主要有兩種方式：一種是通過表本身來解決，即是采用IC卡式的表。這些技術(shù)和產(chǎn)品在國外運行情況良好，但在國內(nèi)的運行情況就令人不甚滿意。 無線通信技術(shù)1) 紅外線：在紅外線可視范圍內(nèi)，能非接觸地讀取儀表數(shù)據(jù)，操作簡單方便，實現(xiàn)較可靠，且成本較低。這些典型的應(yīng)用要求在無線抄表系統(tǒng)運行的過程中，每個節(jié)點都最小化自身的能量消耗，獲得最長的工作時間。868 / 915MHz頻段采用BPSK調(diào)制。第二章 無線通信的主要技術(shù)本章首先介紹了無線通信的介質(zhì)及頻段選擇，然后詳細介紹了無線通信中的調(diào)制技術(shù)和擴頻