（控制科学与工程专业论文）基于zigbee技术无线抄表系统的设计与研究.pdf

独创性声明 1 1 1 1 1 1i iii l l l l l liiuiii y 18 7 9 5 17 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 盟圃虱 日期： 趁! 喹鲴丑一 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有、 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：们砜嘲 导师( 签名) ：官1 l 系f 玷期如i j 耳巩 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 传统的抄表系统存在布线难、实时性差、准确率低、传输效果不理想等问 题，浪费人力、物力，给抄表人员带来了很大的麻烦，为了解决这个问题提出 远程、集中、实时抄送系统的新课题。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率以及低成本 的无线网络技术。它依据8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调 通信，因此z i g b e e 技术在用户计量仪表组网，建立无线自动抄表系统的应用中， 具有很好的市场前景。而g p r s 无线网络技术，由于无需布线，并且不受距离、 时间的限制，在集中器向p c 机传输数据时也发挥很大的作用，本论文结合 z i g b e 圮和g p r s 来研究一种新型的无线抄表系统，可以有效解决数据的自动采 集和数据的无线远传的问题，也方便了抄表中心对电表数据的采集，提高了自 动化水平。 本文根据无线抄表系统各模块功能的不同，将无线抄表的终端分成采集器、 中继器以及集中器三部分来设计。采集器、中继器以及集中器的z i g , b e e 收发模 块都是以c c 2 4 3 0 为核心通过外围扩展模块展开工作的，三个部分共同组成网状 z i g , b e e 网络，完成对表数据的采集传送与汇总。论文中，对z i g b e e 技术原理、 z i g b e e 协议各层、z i g b e e 组网以及服务原语进行了较为全面的介绍。集中器作 为外界访问z i g b e e 网络的网关，是抄表系统终端的核心单元。此外考虑到集中 器数据量比较大与抄表方式的升级更新，集中器模块还专门设计了存储器电路。 在分析协议栈的基础上，设计了无线抄表系统的组网方案，给出了数据采集器、 中继器和楼宇集中器的网络流程，软件以i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为系统软件 开发平台，进行了c 语言编程，结合z i g b e e 协议栈，通过应用程序的设计，使 无线通信模块分别具备了协调器、路由器和采集终端的功能，并进行了网状网 络的组网。利用了设计完成的硬件资源，抄表数据协议和各终端模块测试程序， 测试了抄表系统的整体功能，结果表明可实现网络的组建，电表数据的采集及 远程传输等功能，达到终端设计要求。 最后对论文工作作出系统的总结，并指出今后的努力方向。 关键词：z i g , b e e 技术，无线抄表系统，c c 2 4 3 0e , p r ， a b s t r a c t t r a d i t i o n a ls y s t e m so ft h em e t e rr e a d i n ge x i s ts o m ep r o b l e m s ：w i r i n g i sd i f f i c u l t a n dp o o rr e l i a b i l i t y , l o wa c c u r a c y , t h et r a n s m i s s i o ne f f e c t sa r en o ti d e a l s om u c ha w 疵o fh 啪a i l 锄dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，a l s o ，t h et r a d i t i o n a ls y s t e mb r i n gal o to f 仃0 u b l et ot h em e t e rr e a d i n gw o r k e r , a l lu r g e n tn e e dt o a d d r e s st h i si s s u e t h eo n l y w a yt os o l v et h i sp r o b l e mi st of o c u s ，r e m o t e ，r e a l - t i m em e t e rr e a d i n g a n e wt y p e c a l t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gt os o l v et h ee x i s t e n c eo fs o m ee x i s t i n gr e a d i n gm e t e r p r o b l e m z i g b e 圮i san e wk i n do fc l o s eq u a r t e r s ，l o w - c o m p l e x i t y , l o wp o w e r , l o wd a t a r a t e 1 0 w c o s tw i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y i ti sb a s e do n8 0 2 15 4s t a n d a r d ，i n t h o u s a n d so ft i n y s e n s o r st oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o nv i at h ec 0 。o r d i n a t i o n s o t e c h n o l o g yo fz i g b e eh a v eg o o dm a r k e tp r o s p e c t s i nt e r m so fm e a s u r i n gi n s t r u m e n tm t h eu s e rn e t w o r ka n di nt h ea p p l i c a t i o naw i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m t h eg p r sw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g ya d a p tt oa s m a l la m o u n to fd a t at r a n s m i s s i o n v o l u n l eb e c a u s eo fn ow i r i n g , u s i n gt h ee a s yi n s t a l l a t i o n ，l o wc o s t ，n oc o n s t r a i n t s c o n 仰lf r o md i s t a n c e ，g e o g r a p h ya n dt i m e t h eg p r sa l s op l a yas i g n i f i c a n tr o l ei n n l e 仃 m s m i s s i o nb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t o ra n d l ep c t h i sp a p e rs t u d ya n e wt y p eo f w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mc o m b i n i n gt h ez i s b i e et e c h n o l o g ya n dg p r s ，t h u s e f f e c t i v e l vs o l v et h ea u t o m a t i cd a t ac o l l e c t i o na n dd a t aw i r e l e s sr e m o t ep r o b l e m a n d f a c i l i t a t et h em e t e rr e a d i n gc e n t e ro ft h em e t e rd a t ac o l l e c t i o na n di m p r o v el e v e lo f a u t o m a t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o n s ，t h ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n gt e r m i n a ls e p a r a t e i n t ot h ec o i l e c t o r , t h er e l a ya n dt h ec o n c e n t r a t o r t h et r a n s c e i v e rm o d u l e so ft h e z i g b e eo ft h ec o l l e c t o rr e l a ya n dc o n c e n t r a t o ri sb a s e do nt h ee x t e r n a lc i r c u i tt h r o u g h t h ee x p a n s i o nm o d u l ec c 2 4 3 0 ，t h ez i g b e em e s ht o g e t h e rt o f o r man e t w o r kt o c o m p l e t et h em e t e rd a t ac o l l e c t i o n , t r a n s m i s s i o n , f o r w a r d a n ds u m m a r y i nt h e p r o c e s s ，t h ep a p e rg e t sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o nt ot h et e c h n i c a lp r i n c i p l e so f t h e z i g b e e ，t h el a y e rp r o t o c o lo ft h ez i g b e en e t w o r k ，t h es e c u r i t yo ft h ez i g b e en e t w o r k a n ds oo n c o n c e n t r a t o ri st h ea c c e s s i n gg a t e w a y t ot h ez i g b e en e t w o r ka n di sa l s ot h e c o r em o d u l eo ft h ei n t e l l e c t i v et e r m i n a l m e m o r yc i r c u i t ，e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n c i r c u i ta r ea l s od e s i g n e ds p e c i a l l yt oi m p r o v ec a p a c i t yo fd e a l i n gw i t hm o u n to fd a t a a n du p d a t e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o t o c o ls t a c k ，t h i sp a p e rd e s i g nt h ew i r e l e s s m e t e rr e a d i n gs y s t e mn e t w o r k i n gs o l u t i o n ，a l s og e tt h en e t w o r kp r o c e s s e so ft h e c o l l e c t i o n ，t h er e l a ya n dt h ec o n c e n t r a t o r t h es o f t w a r ep a r tu s ei a re w a sp l a t f o r m i scl a n g u a g ep r o g r a m m i n g , c o m b i n i n gw i t hz i g h e ea g r e e m e n ta n dt h r o u g h a p p l i c a t i o np r o c e d u r ed e s i g n i n gt om a k ew i r e l e s sc o m m t m i c a t i o nm o d u l eh a st h e f u n c t i o no fs y n c h r o n i z e r , r o u t ea n dt e r m i n a lg a t h e r i n g ，a n ds e tu ps t r i n gs h a p e n e t w o r k ap e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi st e s t e d ，b a s i n go nt h ed e s i g n e dh a r d w a r e r e s o u r c e s ，m e t e rd a t ar e a d i n gp r o t o c o la n dt e s t i n gs o f t w a r eo f t h ef u n c t i o n a lm o d u l e s r e s u l t ss h o wt h a t ，f u n c t i o n ss u c h 嬲i n t e g r a l i t yo ft h ez i g b e en e t w o r k ，d a t ac o l l e c t i o n o ft h ep o w e rm e t e r , r e m o t et r a n s m i s s i o na n dm o d i f i c a t i o nt ot h ep a r a m e t e r so ft h e t e r m i n a le q u i p m e n t s ，a n s w e rf o rt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n k e y w o r d s ：z i g b e et e c h n o l o g y , w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，c c 2 4 3 0 i i i 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 选题背景和意义1 1 2 国内外无线抄表技术研究动态2 1 2 1 国外无线抄表技术研究动态2 1 2 2 国内无线抄表技术研究动态2 1 3 本文的主要工作及组织结构。：3 第2 章无线抄表系统总体方案设计5 2 1 系统的功能定义与描述5 2 2 典型的短距离无线数据网络技术6 2 2 1 红外( i r d a ) 技术6 2 2 2 蓝牙技术7 2 2 3w i f i 技术7 2 2 4z i g b e e 技术7 2 3z i g b e e 技术特点及应用前景。8 2 4z i g a e e 技术在无线电抄表中的应用9 2 5 总体方案的设计1o 2 5 1 通信协议1 1 2 5 2 无线抄表系统的主要功能模块1 1 2 5 3z i g b e e 解决方案比较分析1 2 2 6 系统开发工具1 2 2 7 本章小结1 2 第3 章无线抄表系统的硬件系统设计1 3 3 1z i g b e e 网络节点芯片c c 2 4 3 0 概述1 3 3 1 1c c 2 4 3 0 的性能特点1 3 3 1 2c c 2 4 3 0 芯片内部的无线收发原理1 4 3 3 数据采集器节点各功能模块的设计1 6 3 3 1c c 2 4 3 0 主控模块电路的硬件设计1 6 3 3 2 无线收发模块的设计1 7 i v 3 3 3 电源模块的设计18 3 3 4 数据采集与存储模块设计1 9 3 3 5 天线的设计2 l 3 3 6 串行通信模块的设计2 1 3 3 7 复位模块的设计2 2 3 3 8 配置与调试模块的设计2 3 3 4 数据采集器射频电路的设计2 4 3 4 1p c b 设计原则2 4 3 4 2c c 2 4 3 0 主模块的p c b 图2 5 3 5 本章小结2 5 第4 章无线抄表系统软件系统设计2 6 4 1z i g b e e 协议栈概述2 6 4 1 1z i g b e e 物理层( p h y ) 2 7 4 1 2 介质接入控制子层( m a c ) 2 7 4 1 3 网络层( n w k ) 2 8 4 1 4 应用层( a p l ) 2 9 4 1 5z i g b e e 协议术语3 0 4 1 6d s s s 直接序列扩频技术3 0 4 2 无线抄表系统的组网方案设计3 1 4 2 1z i g b e e 网络配置3 l 4 2 2 组网管理3 4 4 2 3 路由算法“4l 4 3 各节点软件流程设计4 4 4 3 1 数据采集器流程设计4 4 4 3 2 楼宇集中器节点网络流程设计4 6 4 3 3 楼宇中继器流程设计4 6 4 4 本章小结4 8 第5 章软硬件系统的联合调试4 9 5 1 数据采集器节点的硬件功能调试4 9 5 2 软件开发环境及软件调试。4 9 5 2 1 软件开发环境4 9 5 2 2 串口调试5 0 5 3z i g b e e 节点测试5 3 v 第 致 5 3 1 硬件接口测试5 3 5 3 2 数据采集测试5 3 5 3 3 通信功能的测试5 4 5 4 无线模块应用实例5 5 5 4 1 无线点餐系统5 5 5 4 2 智能家庭设备。5 6 5 4 3 智能交通系统5 6 5 5 本章小结5 6 6 章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望5 8 j 射5 9 参考文献6 0 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 4 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 抄表系统与人们的生活息息相关，涉及到千家万户，被广泛用于水电、煤 气等公共事业管理部门中。无线通信、智能家庭，无线控制等词语频频灌入我 们的耳朵。传统的抄表系统由于采用人工抄表方式，受到距离以及其他因素影 响，往往导致抄表困难和不及时，使得集抄中心难以准确获取用户仪表数据， 因此需要对抄表系统提出更高要求，开发一种具有高性能、低成本以及可靠性 好的无线抄表系统。 随着科学技术的不断发展，尤其是计算机控制技术、测量技术、通信技术 与智能控制方法的飞速发展，使得无线技术成为可能，也越来越受到重视，本 文正是基于此背景下将新兴的无线技术用于传统的抄表系统中，开发一种无线 抄表系统，能够克服传统抄表系统中抄表困难的弊端，解决相关部门出现的收 费难问题，同时也能够有效提高系统的可靠与可控性，达到节省人力、方便管 理的目的，并带来了一定经济效益【1 】【2 】【3 1 。 所谓无线抄表系统即指的是通过无线传输方式将室内用户计量仪表中的数 据传送给集抄控制中心进行处理。本系统采用成本较低廉的单片机作为下位机 控制中心，负责仪表数据信号采集与测量，采用了g p r s 无线传输以及p c 机作 为上行通信系统，采用z i g b e e 无线传输技术实现抄表数据信号的达到的远距离 传输正是本文的设计难点。 z i g b e e 技术为近几年新兴的无线技术，被广泛用于短距离无线网络领域， 其标准由i e e e 8 0 2 1 5 4 来制定，其网络层以及其他相关协议由英国的i n v e n s y s 公司、美国m o t o r o l a 公司、日本t y o 公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同组成 的z i g b e e 联盟来负责制定。z i g b e e 协议规范为免费开放标准，使得本无线抄表 系统成本更低；其终端节点可以直接参与监控系统实现数据的采集和监控，并 能够自动加入z i g b e e 网络，使得无效抄表系统更易于实现无线通信；另外z i g b e e 基站成本低廉，数据传输率低，其独特的休眠待机模式，使得其整体功耗非常 低，使得本无线抄表系统功耗更低。 综上所述，开发的基于z i g a e e 技术的无线抄表系统具有低功耗、可靠性高、 武汉理工大学硕士学位论文 安装简单等特点，且具有使用方便、便于故障检测等优势，可以节省人力资源， 提高抄表系统数据可靠性，从而降低开发成本，使得无线抄表系统更易于被人 们接受与普及。 1 2 国内外无线抄表技术研究动态 1 2 1 国外无线抄表技术研究动态 资料统计表明，国外采用无线抄表系统早在8 0 年代就已经起步，尤其是对 煤气表上使用无线抄表方式，现在无线抄表系统的使用和发展已经非常广泛和 成熟。8 0 年代中期，美国就已在自动抄表系统上取得一定成果并投入使用，对 7 7 ，0 0 0 0 台电表和6 7 ，0 0 0 0 台煤气表实现了自动抄表；在北美一些发达国家自动 抄表系统也开始普及使用，仅在1 9 9 8 年美国的无线抄表应用系统项目就已经达 到7 9 1 项，实现约5 5 0 ，0 0 0 0 台电表的无线抄表功能。无线抄表功能带来的经济 效益也不容小觑，据不完全统计，无线抄表系统的使用为这些发达国家的一些 公司【4 】【5 】带来了相当高的营业收益。早在1 9 8 6 年美国就成立了自动抄表研究协 会，对无线技术展开专题报道，其他国家的自动抄表协会也陆陆续续的逐步成 立，随着无线抄表协会的逐渐成立以及各种新技术的迅速发展使得整个无线抄 表技术行业不断前进。 1 2 2 国内无线抄表技术研究动态 国内对无线抄表技术的研究较少，我国华北电网曾在上世纪9 0 年代试用了 无线抄表系统，但收效甚微，在2 0 0 1 年就停止使用。目前我国在抄表技术上大 致有三种方式，分别如下【4 】【5 】： ( 1 ) 人工抄表方式，即通过抄表工作人员对室内用户仪表上的数据进行人 工记录，然后将该数据重新输入p c 机，对录入的数据进行处理，该种方式常见 于我国中西部以及农村地区，采用此方式得到的数据往往因为人为误差或其他 原因使得数据信息不够精确，且采用该种方式获得的仪表数据不具备实时性， 可靠准确度不高。 ( 2 ) 预付费方式，即用户去电力管理中心购买磁卡或者是i c 卡额定电量， 使用完后再去购买续电，无需抄表人员到用户所在处抄表，节省了人力资源； ( 3 ) 远程抄表方式，即电表用户管理中心通过电话网、电力线载波或者是 2 武汉理工大学硕士学位论文 闭路电视等远程通信系统自动获取远程仪表数据的方式，这种方法施工周期长， 工程安装不方便，成本高，不易扩展且涉及到系统网络兼容性问题。 考虑到成本，效率的问题，无线抄表就频频的映入了人们的眼帘，而基于 z i g b e e 技术的无线抄表也成为了国内外的研究热点。为了赶上欧美国家的发展 节奏，无线抄表系统在国内的一部分高校里面也是一个重点研究项目。还有一 些公司也自行开发了能用于实现z i g b e e 技术的系统芯片，极大的推动了无线抄 表技术的发展。 z i g b e e 技术作为新型的系统集成技术，涉及到计算机控制、通信技术、网 络技术以及射频技术等多学科知识，其应用软件开发需要协同底层硬件进行考 虑，使得采用z i g b e e 开发并不那么容易，目前国内对该技术进行开发的公司还 较少，仅有成都无线龙等几家公司，但随着z i g b e e 一系列实用开发技术的推出， 使得z i g , b e e 开发越来越多的受到关注与推广，随着无线技术的迅速发展，采用 z i g b e e 技术实现对水、气、电等无线抄表将成为电力行业不可阻挡的发展趋势。 1 3 本文的主要工作及组织结构 本文是在前人研究的基础上，首先总结了传统抄表系统方法，比较了各种 方法的优缺点。然后具体讨论了z i g b e e 无线抄表方法，针对国内抄表系统现状， 结合自动抄表系统的要求进行了一些改进，设计并研究一种以z i g b e e 技术为核 心的新型无线抄表系统。同时讨论了z i g b e e 技术在抄表系统中的应用，提出实 现过程中的技术难点和实际问题。 本课题基于c c 2 4 3 0 控制器的基础上实现了无线抄表系统部分软件设计以 及无线通信模块通信功能的实现和验证，主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 通过调查分析，得出了传统抄表方式的缺点，并提出了无线抄表系统 优越功能性。为了改进传统的抄表方式，本文提出了一套完整的无线抄表方案， 此外，也介绍了z i g b e e 无线技术的优点以及z i g b e e 协议的各层特点。 ( 2 ) 主要完成了无线抄表系统采集器、集中器、以及中继器三个模块的硬 件电路设计，还设计了z i g b e e 无线模块及外围模块电路。另外z i g b e e 无线模块 是集微控制器和射频芯片于一体的c c 2 4 3 0 为核心芯片，并对芯片的无线传输功 能作了详细的介绍。 ( 3 ) 以i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为软件开发平台，完成了采集器、集中 器各个节点加入网络、连接网络相关程序的编程和调试，实现各个模块之间的 3 武汉理工大学硕士学位论文 数据传输。完成了对小区系统电表数据的采集和汇总，实现了一个小区的所有 用户电量的集中采集。 ( 4 ) 对整个抄表系统进行了系统测试和相关模块功能的验证，对测试中遇 到的问题提出更好的解决方案，以使整个系统更加稳定、良好的运行。 全文共6 章，各章节内容组织如下： 第1 章绪论。首先阐述了选题的背景和意义，接着对国内外自动抄表动态 作了说明，并突出了无线抄表成为当今社会的发展趋势。 第2 章无线抄表系统的总体方案设计。先比较几种无线技术的比较，并根 据优缺点选取适合本文系统的无线技术，接着提出了整个系统的设计方案，接 着讲述了本系统要采用的通信协和z i g b e e 解决方案，最后提出了系统要完成的 功能。 第3 章无线抄表系统各节点的硬件设计。包括系统采集器、电源电路、晶 振电路、采集存储电路等的设计，最后指出了p c b 设计规则和整个系统的可靠 性。 第4 章软件设计。搭建好无线抄表系统的硬件电路后，还需要相应的软件 设计才能使系统工作。软件设计主要包括z i g b e e 通信协议以及各层的具体内容、 组网管理、路由算法的设计、协议帧格式以及采集器、集中器与中继器三个模 块的通信流程图，最后介绍了z i g b e e 的应用范围，完成了各个模块的软件设计。 第5 章利用过了软硬件系统搭建了测试平台，测试了整个系统的功能和可 用性。 第6 章总结和展望。总结本文所做的工作，指出论文的不足之处，就可继 续深造的问题提出了探讨性建议。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线抄表系统总体方案设计 本章主要论述了无线抄表系统的功能，比较分析了无线技术方案，从通信 方案、开发环境、系统的软硬件平台等方面，确定了系统的总体设计方案。 2 1 系统的功能定义与描述 无线抄表系统的总体框图如图2 1 所示。它要能够实现各用户居民电表数据 的自动抄写和存储，并且能够统一上传到小区物业公司的服务器，以便进行统计 结算。这样就可以省去挨家挨户的抄表工作，也有利于电力公司实现数据的统计 分析和结算，缩短缴费周期，节约人力物力。无线抄表系统的具体功能如下： 图2 - 1抄表系统总体框图 ( 1 ) 用户数据采集器能采集到电能表的脉冲信号，将脉冲信号进行处理并 存储，能接收中继器及楼宇集中器的指令，并根据其指示将数据上传或路由到 其它数据采集器中。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 楼宇集中器可以定时或实时地对下行的采集器进行数据抄收并存储。 当上级设备一用电控制中心计算机调用数据时，则将所存储的数据打包送上。 用电控制中心计算机可以通过集中器对采集器进行各种操作。 ( 3 ) 无线抄表系统的组网和网络维护应该实现全自动，无须人工干预。任 何一个节点上电工作后都能够实现自组网功能，即自动搜索节点并加入到网络 中去。同样，当任何一个节点离开一个网络的时候，也具有自愈合的功能，即 通过该离开的节点转发数据的节点能够找到新的数据转发路径，该节点的离开 不会对整个网络的电表数据采集产生影响。 2 2 典型的短距离无线数据网络技术 目前，信息化的时代计算机使得计算机技术和数字技术相互促进发展，在 日常生活和工业生产中短距离无线通信技术得到了广泛应用【6 】。最简单的短距离 无线通信系统是由一对无线收发器组成，但是短距离的无线通信与长距离无线 通信还是有很多方面的区别，短距离无线通信技术具备特征如下【7 1 1 8 】： ( 1 ) 无线发射功率的范围是几微瓦到1 0 0 微瓦 ( 2 ) 通信距离大于几厘米小于几百米 ( 3 ) 采用了全向天线以及p c b 线路板天线 ( 4 ) 没有必要申请无线频道 ( 5 ) 通过高频发送与接收操作信号 ( 6 ) 具有可以使用电池供电的无线发射器和无线接收器 朝着网络化、标准化和智能化方向发展的短距离无线通信技术，以及跨级 了各个方向，促进社会的发展，并且更加现代化。组网互联采用了各个设备节 点，实现片区域内数据的无线传输与分享，并整理组网通信中的各项技术指 标，目的是为了达到无线通信数据技术的有序与高效应用。同时，把通信设备 的各个点结合起来，做成了这个系统的芯片，通信过程的可控性也得到了有效 的改善。当前应用比较广泛的无线网络有【9 l z i g b e e 、无线局域网( w i f i ) 、蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 、近短距无线传输( n f c ) 等。 2 2 1 红外( i r d a ) 技术 红外技术是最早研发出来的无线技术，研发后期，与有线相比，觉得无线 6 武汉理工大学硕士学位论文 使用比较简单，方便，快捷。并且红外成本也比较低，此外，红外传输的安全 性和抗干扰性也相对比较好，传输速率可高达1 6 m b i f f s 。但是红外在传输过程中 只能是直线传输，遇到障碍物就容易受遮挡，来回移动就能丢失信号，唯有点 对点连接才能正确得到传输信号，所以红外通信无法灵活地构建网络。红外常 用通信距离仅仅为l 3 m ，传输距离很短，因此，红外技术受传输媒介本身的 限制和影响，应用前景并不是很理想【1 0 】【l l 】【1 2 1 。 2 2 2 蓝牙技术 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 也是一种相对开放的短距离无线通信技术，高速跳频和 时分多址的技术也随即的应用到了蓝牙技术中，根据i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，蓝牙 技术的工作频率为2 4 g h z ，带宽为1 m b s 。起初设计蓝牙是用来取代红外通信 方式的，但是其最大缺点也是信号传输距离短，最大的传输距离仅仅有1 0 米， 遇到障碍也同样不能传输，所以传输速度就会比较慢。所以蓝牙只能应用于可 以小范围的无线连接技术的电器上，目前已经进入了许多主流消费产品当中， 比如在手机、笔记本、p d a 等方面的应用【1 0 】 1 1 】【1 2 】。 2 2 3w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 是被i e e e 定义的无线网络通信标准， 并且定义了介质访问层和物理层，其中在物理层定义了工作在2 4 g h z 的i s m 频 段上定义了一种红外传输技术和两种无效调频技术。w i f i 技术的速度比较高， 速率能高达1 1 m b s ，而且电波的覆盖范围也比蓝牙要大，可达5 0 m 左右。w i f i 具有广阔的市场前景，适合移动办公用户的应用。但是w i f i 装置很耗能，电池 寿命只有数个小时，这就要求w i f i 装置要进行常规充电，使得w i f i 的应用和 推广受到了限制【1 0 】【l l 】【1 2 1 。 2 2 4z i g b e e 技术 z i g b e e 1 2 1 是以蜜蜂通过跳“之 字形状的动作来进行通信的无线通信技术， 采用了i e e e 8 0 2 15 4 的无线通信标准。工作在2 4 g h z 的频带上，采用了直接序 列扩频( d s s s ) 技术，传输速率为2 5 0 k b i t s 。z i g b e e 技术针对市场的需求，取 代以往的无线方式，达到无线的实现低功耗、低成本的目的，在工业生产上广 泛用于定位检测、实时检测、无线抄表等领域。本系统就是在z i g b e e 的技术基 7 武汉理工大学硕士学位论文 础上去实现电表数据的无线抄读。国内也有很多高校和公司陆续的去研究 z i g b e e 无线技术【1 0 】【l l 】【1 2 1 。 2 3z i g b e e 技术特点及应用前景 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低功耗、低复杂度的 无线网络技术【1 3 】。采取了i e e e 8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点； 省电、简单、成本又低的规格；z i g b e e 增加了逻辑网络、网络安全和应用层； 它有自己的无线电基础，在数千个微小的传感器之间实现彼此之间相互通信， 仅需要很小的能量就能实现传输。例如适合传感器数据、水电表数据、仪器仪 表数据等周期性数据；工业控制命令、远程网络控制及家用电器控制等间断性 数据传输；如鼠标键盘数据、操作杆等反复性低反应时间数据。在医疗中利用 z i g b e e 技术组成一个网状路由网络，在楼道设置合适的路由节点，进行数据的 中转；房间内的呼叫节点采用星型网络连接，由其中一个节点作为z i g b e e 路由 器，负责与中心网络的连接和数据中继转发。对于油井工作，主要采用油厂监 控中心和油井无线遥控主机、传感器、电机控保装置等组成通信部分就采用了 z i g , b e e 无线网络传输；油井工作的状态传感器主要有温度传感器、电压传感器、 电机电流传感器，被监控开关断合传感器，将油井的工作状态变换成对应的电 压或电流值通过z i g b e e 通信模块传送至远程智能无线r t u 。同时，在无线餐饮 点菜、无线门禁、无线农田灌溉监测系统、无线停车场收费等众多领域，z i g b e e 技术都无处不在，延伸到每一个角落。 z i g b e e 的主要技术优势如下【1 4 1 1 1 5 】： ( 1 ) 数据传输速率低：1 0 k b s - 一2 5 0 k b s ，专注于低传输应用； ( 2 ) 功耗：在低耗电待机模式功能下，两节5 号干电池可实现长达6 - 2 4 个月的使用时间； ( 3 ) 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本； ( 4 ) 网络容量大，可支持多达6 5 0 0 0 个节点； ( 5 ) 时延短：针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活 的时延都非常的短； ( 6 ) 高保密性：6 4 位出厂编号和支持a e s 1 2 8 加密； ( 7 ) 有效范围小：有效覆盖范围1 - - - 1 0 0 m 之间，具体根据实际发射功率的 8 武汉理工大学硕士学位论文 大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭和办公环境； ( 8 ) 工作频段灵活：使用频段为免执照的2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及 9 1 5 m h z ( 美国) 。 2 4z i g b e e 技术在无线电抄表中的应用 z i g b e e 技术的产生，使那些设备成本低，传输的数据量，并且需要较大范 围的通信覆盖，网络中的设备非常多的场合，z i g b e e 技术可以向着网络化，低 成本方向发展。三表远抄系统为z i g b e e 技术典型应用项目之一。民用生活上， 可以实现家庭三表数据的联合无线抄读。但是由于在国内无线技术发展还不是 很成熟，水、电、气还不能归属于一个部门来管理，要想实现三表一起抄读会 比较困难。但是在电表抄读中，国家电网已经做出很大的努力去研究无线集抄 系统，使抄表工作越来越简单，抄表效率越来越高。使得z i g b e e 技术在此领域 的范围也越来越广。 目前，采用无线抄读电表的z i g b e e 技术主要有三种方式： ( 1 ) 每楼层的水电煤三表通过r s 4 8 5 总线连接数据采集器，再连接z i g b e e 远端节点，每幢单元设置一个z i g b e e 远端节点，负责数据收发或者作为一个路 由器，由z i g b e e 远端节点上传到z i g b e e 中心节点。 ( 2 ) 采用了z i g b e e 无线网络结构类型，在一个小区或者一个工业园，组成 一个无线网络。在此无线网络区域内，可以通过协调器、路由器等设备与家用 电户电表相连，一部分作为z i g b e e 数据采集终端，数据采集后通过无线网络传 输，再由协调器将数据传送到电表集抄中心，实现无线抄表技术。 ( 3 ) 利用g p r s 网络传输基于z i g b e e 无线传感器汇接点数据的完整无 线网络设计，网络采用星形或者网状网络拓扑和需求时唤醒z i g b e e 模块的通 信方式，有效降低了每个z i g b e e 传感器节点的功耗，减少了传感器节点上报 数据时相互碰撞的频率，并利用g p r s 网络