（通信与信息系统专业论文）基于多跳网络的无线抄表系统原理与实现方法研究.pdf

摘要 电力远程自动抄表系统是一个对客户电能消费情况进行远程监控，电量采集、 传输处理的实时系统。论文在对现有自动抄表系统的特点和应用现状进行全面分 析的基础上，提出新的抄表系统设计，即基于无线多跳网络的自动抄表系统。 该系统是一种基于射频收发器n r f 9 0 5 进行点对点无线通信，并通过组建 无线自组织网络来实现远距离通信的自动抄表系统。集中器、采集器和无线电 能表均是无线网络的节点，整个系统分为三级，集中器作为网络的中心节点， 其与主站之间的上层信道通过g p r s 方式进行数据传输。采集器和无线电能表 作为网络中的路由节点或网络的普通节点。集中器与两者之间的下层信道通信 采用无线自组织网络进行数据传输。无线自组织网络具有无中心、自组织、多 跳路由等特点，采用无线自组织网络，使得距离集中器较远节点可以由其他节 点转发后与集中器进行通讯。 与传统的无线抄表系统相比，其拓扑结构更加复杂，可以同时支持星型、 树型和网状等多种拓扑结构。因为多跳抄表网络的通讯模型在现有抄表系统通 讯模型的基础上引入网络层，建立了四层无线抄表通讯模型，包括：物理层、 m a c 层、网络层和应用层。网络层采用树路由协议和改进的a o d v 路由协议， 可实现树状网络和网状网络的设计。同时，根据多功能电能表计量的国家规约 和无线自组织网络中数据传输的特点，并结合射频收发芯片n r f 9 0 5 的硬件特 点，制定抄表通讯模型的其他三层协议。 最后，利用现有实验条件对四层抄表通信模型及所定义的协议进行测试和 验证，实验完成了点对点数据通信、星状拓扑结构网络的测试以及树状拓扑结 构网络的测试，测试结果有效的验证了模型及协议的实用性。 面向自动抄表系统的多跳抄表网络既可以省去布线的麻烦又可以使用微功 率无线模块，并通过组建多跳网络实现较远距离的无线通信。该系统具有永远 在线、可靠性高、设备成本不高、维护简单、收费便宜、连接速度快及实用性 大等优点。为此，全面实施该抄表系统具有重大的社会和经济价值。 关键字：自动抄表系统自组织网络通讯模型路由协议 a b s t r a c t r e m o t ea u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r ) i sar e a lt i m es y s t e mw h i c h c a nm o n i t o rt h ec o n s u m es i t u a t i o no fp o w e rc u s t o m e r s o nt h eb a s i so ft h eg e n e r a l a n a l y z i n go ne x i s t i n ga m r s ，a sw e l la st h ep r a c t i c a l l ya p p l i e dr e q u i r e m e n t s ，t h i s t e x td e s i g n e das e to fm e t e rr e a d i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h em u l t i - h o pw i r e l e s s n e t w o r k t h ep a p e ri n t r o d u c e sac o m m u n i c a t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nt h er a d i o f r e q u e n c yc h i po fn r f 9 0 5 i tp r o p o s e st os e tu pw i r e l e s sa d h o en e t w o r k s t h e w i r e l e s sa d - h o en e t w o r k sh a sl o t so fc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh a v i n gn oc e n t e r s e l f - o r g a n i z i n ga n dm u l t i - s k i pr o u t e d a t at r a n s m i tb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t o ra n dt h e c o l l e c t o ri nt h ef o r mo fw i r e l e s sa d h o en e t w o r k s c o n c e n t r a t o ra c t sa st h ec e n t e ro f a d - h o en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t e sw i t ht h eb a s et h r o u g hg p r sn e t w o r k s c o l l e c t o r a n dw i r e l e s se n e r g ym e t e ra c ta st h er o u t e ro rt h en o r m a lp o i n to ft h en e t w o r k s w i t h t h eh e l po fa d - h o en e t w o r k s ，c o n c e n t r a t o rc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h eo t h e rn o d e s w h i c hi so u to fs i n g l e - h o pd i s t a n c e t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo fm u l t ih o pm e t e r i n gn e t w o r k si n c r e a s e sal a y e r c a l l e dn e t w o r kl a y e r ，c o m p a r e dt ot h en o r m a lm e t e r i n gn e t w o r k s t h em o d e li s d i v i d e dt of o u rl a y e r s ：a p p l i c a t i o nl a y e r , n e t w o r kl a y e r ，m a cl a y e r ，p h y s i cl a y e r c l u s t e rt r e ea n di m p r o v e da o d vr o u t e rp r o t o c o la r eu s e di nt h en e t w o r kl a y e la n d t r e ea n dm e s hn e t w o r kc a nb er e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ec o u n t r ys t a t u t eo f e l e c t r i c i t ym e t e r , c o m b i n e dw i t hr f t r a n s c e i v e rc h i pn r f 9 0 5h a r d w a r ef e a t u r e s ，t h e o t h e rt h r e ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd r e wu p f i n a l l y ，u n d e rt h ee x i s t i n gl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，w ed os o m el a b o r a t o r i e st o t e s tt h ef o u rl a y sm e t e rr e a d i n gc o m m u n i c a t i o nm o d e la n di t sp r o t o c o l ，w er e a l i z e d p o i n t t o - p o i n t d a t ac o m m u n i c a t i o n ，s t a rt o p o l o g yn e t w o r ka n dt r e et o p o l o g y n e t w o r k t h er e s u l t sp r o v em o d e le f f e c t i v e l y r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do na dh o en e t w o r k sc a nn o to n l yl e a v eo u t t h et r o u b l ei nw i r i n gb u ta l s or e a l i z ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no i ll a r g es c a l eb y f o r m i n ga d - h o en e t w o r k s t h es y s t e mh a so n l i n ef o r e v e r , i n e x p e n s i v ec o s to f u e q u i p m e n t s ，s i m p l em a i n t e n a n c ec h e a pc h a r g e s ，q u i c k l yc o n n e c t i o n ，h i 【g hr e l i a b i l i t y a n d p r a c t i c a l i t ye t c a d v a n t a g e t l l l e r e f o r e i ti sf u l lo fi m p o r t a n ts o c i a la n de c o n o m i c v a l u e st h a tc a r r yo u tt h i sm e t e rr e a d i n gs y s t e m k e yw o r d s ：a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n gs y s t e m ；a dh o cn e t w o r k s ； c o m m u n i c a t i o nm o d e l ；r o u t i n ep r o t o c o l ： i i i 独创性声明 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； l j j n 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它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名垄垃日期：学旦 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) 签名：勉导师签名；左尘：车日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 传统的户用计量仪表( 水表、电表、煤气表) 管理通常是由各管理部门派人 到装表地点抄表，由于用户面广、量大，极易造成差错。人工抄表不但效率低， 且不利于科学管理，给城市管网的建模、分析、规划等都带来很大的困难。 建设部2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则 ( 修改稿) 中已经明确提出：“推广应用户外计量( 含水、电、暖、燃气表) 技术”。 在中国住宅产品发展纲要中也明确提出：“实现方便查表，不干扰住户，使 大量人工查表工作逐步过渡到数字化传送，开发智能化的水、电、气、热计量 装置及接口箱框 l h 】。 随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术也都有了飞速的进 步，二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和通讯系统。传感技术的进 步，则促进了各种智能远传仪表的产生，这些都为自动抄表系统的实现提供了 条件。 因此，实现用户仪表的自动抄表已是必然趋势，也是近几年家庭自动化 ( h o m ea u t o m a t i o n ) 、智能小区研究中的一个热点【5 l 。 1 2 自动抄表系统特点 自动抄表系统【6 】( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 缩写为a m r s ，其具有 以下优点： ( 1 ) 方便抄表工作。远程自动抄表提供了电能表数据抄录的计算机管理，抄表 人员足不出户就可以对电能表的数据及时准确地进行抄录，极大地方便了抄 表工作。 ( 2 ) 系统运行稳定可靠、采集数据迅速准确。主站系统能随时对电能表的数据 进行采集，对采集到的数据进行统计分析。可随时对计量装置的运行情况进 行监测，及时发现异常情况，及时处理，以避免给企业带来经济损失。同时， 也为电量分析和电网商业化运营、即时结算提供了可靠的技术支持。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 原始数据的唯一性。抄表系统在设计上，严格遵循电能量数据唯一性、安 全性以及不可修改性的原则。抄表工作站的操作要经过严格安全检查和登录 操作，抄回的数据定义为只读不可修改，其余工作站的数据处理来源于抄表 工作站抄回的数据信息，各工作站的任何操作均不能改变原始的数据信息。 1 3 国内外自动抄表系统的发展及现状 国外在自动抄表方面的研究比较早，自动抄表系统的理论和技术目前已经 比较成熟，发达的国家如美国、日本、英国等国家基本都实现了自动远程抄表。 自动抄表系统中关键要解决的问题是数据通讯的问题川，因而远程集中抄 表系统也随着各种通讯方式的发展而不断发展起来。现阶段远程集中抄表系统 中的通信方式从数据传输的角度主要分为有线、无线两种方式i 引。 1 3 1 有线方式 ( 1 ) 低压载波抄表：直接利用高压电力线作为信道已有数十年历史。到8 0 年代， 美国出现能源危机后，在引进西欧电力负荷控制系统的基础上研制出载波电力 负荷监控及抄表系统。8 0 年代，以色列研制成低压电力线载波集中抄表技术， 1 9 9 3 年首次来华进行技术交流。 其主要特点是1 9 j ：在每块电表中安装一个模块，完成对电能量信息的采集 和处理，具有单向通信功能，把各分散的电能表的电能量数据通过低压配电线 传到接在同一低压配电网上的若干数据集中器，然后通过手持抄收机或公用电 话网将收集到的配电小区内所有电能表的电量数据传送到用电管理中心。 国内包括福星晓程在内的一些电力芯片供应商也已经开发出电力载波通信 的专用的芯片。青岛东软、湖南威胜仪表等其他电力仪表供应商和一些软件开 发公司，都建立相对比较成熟的电力载波抄表的通信模型，并提供开放的协议， 如青岛东软载波通信协议、福星晓程载波通信协议等。 电力线的传输环境具有以下一些特性i l ，并且这些特性都是不利于通信传 输的：变压器和用户设备如空调、冰箱等有着极低的阻抗，可以使传输信号严 重衰减；在线负荷变化大，如家电设备的瞬间起动等，使得通信设备无法设计 阻抗匹配；可变的分布阻抗几乎对所有频率的信号都起着衰减或隔离的作用， 并且这些变化没有规律，呈随机状态；噪声模型无规律：可为尖刺、宽带和谐 2 武汉理工大学硕士学位论文 波形式；高频时容性阻抗和低频时的感性阻抗使信号严重衰减。 解决的办法一方面是：当通信质量不佳时，可在电能表和集中器间加装双 向通信中继器，进行数据采集和中继放大；另一方面，针对不同的地区，抗干 扰能力的不同，采用不同的载波调制解调方式，即调制解调芯片的选择。同时， 电力载波通信所用的调制与解调芯片，仍需要进一步的改进，目前的载波通讯 一次抄读的成功率在9 0 左右，国内电表公司在实际应用的过程中，广泛的采 用多次抄读来弥补这一缺点。 ( 2 ) r s 4 8 5 方式1 1 1 】：通常由一个采集终端通过r s 4 8 5 总线采集几十块电能表的 数据，电能表为具有4 8 5 输出口的电子表或加装电能量数据采集模块的机械表。 采集终端通过专用电缆( 如专用电话线) 或4 8 5 总线，将采集的电能量数据送入 集中器迸进行数据集中和处理，抄收区域较大时多个集中器可以级联，一般由 最上一级集中器通过调制解调器接入公用电话网，由此传送到供电企业的电能 量抄收中心。一些多功能电能表亦可直接经r s 4 8 5 总线与集中器连接。 r s 4 8 5 总线的特点1 1 2 l ：其数据传输速度较快，可靠、稳定，通信质量较高。 但布线工作量大，通信信道易受外界因素破坏，且被损坏后故障排除困难，信 道后续维护工作量大。 ( 3 ) 光纤通信：这种通信方式具有频带宽、通信距离远、传输速率高、抗干扰 能力强等优点，但是连接节点造价和安装费用都比较高。 ( 4 ) 利用有线电视电话网抄表：这种方式是先将各用户数据集中到固定的集中 器，由集中器经有线电视电话网传输相关的数据。这种方式可以做到全自动抄 表，且达到极高的准确率。但是行业依赖性太大，受有线电视电话网分布的制 约。 显然，有线通信技术虽然能解决一些问题，但有其固有的不足。 1 3 2 无线方式 美国早在7 0 年代己开始使用无线集中抄表系统【1 3 】，它是在每块电能表内安 装一块微处理芯片，负责收集和存储电能表的累计电能量，另安装一个微型无 线收、发信机。电力公司的抄表员通常持车载式无线抄表器，到各个区域( 半径 为1 k m 左右) ，进行分区集中抄表，然后回到电力公司将抄录的数据输入到数 据处理机进行集中处理。这种系统的每块电能表附加成本较高，且只能为收费 提供数据，不能提供用电管理所需的实时信息。 3 武汉理工大学硕士学位论文 无线传输的技术主要包括以下几种： ( 1 ) 红外线【l 6 j ：在红外线可视范围内，能非接触地读取仪表数据，操作简单 方便，实现较可靠，且成本较低。但信息传输距离较短，对方位性要求高，且 系统的自动化程度较低。 ( 2 ) g p r s ：这种方式的准确率高、抗干扰能力强，实时性较好，而且覆盖面积 广，但是需要申请频点使用权，对于家庭三表抄表来说，系统的运行成本很高， 目前还很难推广。 ( 3 ) 使用无线数传芯片：这种方式准确率高、抗干扰能力较强，且它使用的是 无需申请的i s m 频段，成本较低，是一种较为理想的自动抄表方案。但是这种 方式的数据轮询时间随着节点数的增加而线性增加，所组建的无线网络的自管 理功能非常有限，增加或者减少节点，都需要人工去修改相应的数据库配置。 节点出现故障，也常常需要人工去诊断等等。 这两大类抄表系统各有其适用的应用范围，但就抄表系统的投资、建设、 维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大的优势。 1 4 无线抄表技术的特点及面临的问题 目前市场上的无线抄表系统大致可分为基于无线数传模块、基于 g p r s c d m a 数字蜂窝网络、或者是二者结合等几种方式。从应用角度看，无 线抄表技术具有以下显著特点i r 飞 ( 1 ) 无控制中心：无线抄表系统中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等， 控制中心与节点通过点对多点的方式连接。 ( 2 ) 干扰因素多：在无线抄表系统中，无线收发装置的天线类型多种多样、发 送功率随着携带能量的变化而变化。无线信道间的相互干扰、地形和天气等综 合因素的影响，都容易给无线通信的干扰。 ( 3 ) 受限的无线传输带宽：无线抄表系统采用无线传输技术作为底层通信手段， 由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的带宽相对有线信道要低得多。此 外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰等 多种因素，终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。 ( 4 ) 终端的能力有限：无线抄表系统中移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好 处，但是也存在固有缺陷，如能源有限、内存较小、c p u 性能较低等，从而给 4 武汉理工大学硕士学位论文 应用程序设计开发带来一定的难度，屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的 业务。 ( 5 ) 数据特点：从总体上讲，由于是抄收每家每户的数据，因此其数据总量十 分庞大，而此数据又直接关系到全社会每个人的经济利益，因此对数据的准确 性、可靠性、安全性要求非常高。对于单个用户来说，其所要传输的数据特点 是数据量少、传输速率低、实时性要求不高。 无线抄表技术不同于传统的抄表技术的特点给无线抄表系统的设计与实现 提出了新的挑战，主要有以下几点【1 8 。1 9 l ： ( 1 ) 低能耗：无线抄表系统长期在无人职守的状态下工作，对系统中节点的平 均能耗提出了更高的要求。如水表的无线抄表系统，为大量的水表频繁地更换 电池是不现实的。这些典型的应用要求在无线抄表系统运行的过程中，每个节 点都最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。 ( 2 ) 低成本：无线抄表系统由成百上千的节点构成，单个节点的价格将极大地 影响系统的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求 较低的简单的网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是 减少系统管理与维护的开销。 ( 3 ) 可靠性和安全性：在无线抄表系统中，通信的可靠性是系统正常运行的关 键，如何更好地解决和避免通信中数据的碰撞和冲突是十分重要的。其次，系 统的安全性也是必要的，由于采用无线信道通信，它更加容易受到被动窃听、 主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠等攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和 其他安全措施都需要特别考虑。 由此可见，无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求 【舡2 ，即数据可靠性要求很高。无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用 数据通讯协议传输数据。基于以上原因，要求设计的自动无线远传抄表系统应 该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等优点，以及节省人力、远程 监控、远程维护的功能。 1 5 论文的主要内容 论文首先在介绍国内外的自动抄表系统现状后，着重分析了无线抄表系统 的特点，并针对现有无线抄表系统中存在的一些缺点，提出通过组建网络，设 5 武汉理工大学硕士学位论文 计具有路由功能的多跳无线抄表系统。 通讯网络，最后，通过实验做出论证。 第1 章绪论 随后，进一步设计系统中的智能节点及 论文的主要内容和任务包括： 回顾了国内外自动抄表系统的发展状况及自动抄表的通信方式，介绍了无 线抄表技术的特点、面临的问题及未来的发展趋势。 第2 章基于多跳网络的无线抄表系统体系结构 介绍并分析现有自动抄表系统总体架构及其工作过程，提出在数据传输方 式中，采用射频收发器n r f 9 0 5 12 2 】进行无线通信的方法，通过组建无线自组织网 络来实现远距离的自动抄表。 第3 章无线抄表系统的智能节点设计 无线抄表网络的硬件节点包括，中心节点集中器以及普通网络节点无线电 表。论文侧重于无线收发模块的硬件及模块与节点的接口电路设计，并通过终 端模块实现网络节点的点对点无线通信。 第4 章无线抄表系统的抄表通讯网络设计 介绍了改进的抄表网络的通信模型，并设计了无线多跳抄表网络协议。协 议提供统一的应用层接口，与现有的电能表通讯协议透明兼容。 第5 章无线多跳抄表网络的实现与测试 以两跳为例，验证抄表通信模型及其协议的实用性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于多跳网络的无线抄表系统体系结构 在绪论中已经提到目前市场上的无线抄表系统大致可分为基于无线数传模 块、基于g p r s c d m a 数字蜂窝网络、或者是二者结合方式。但是基于 g p r s c d m a 数字蜂窝网络方式需要申请频点使用权，对于家庭抄表来说，系 统的运行成本很高，而基于无线数传模块方式的抄表目前都采用单跳的通信方 式，由于射频发射功率的限制，其覆盖的范围有限，因此必定会出现很多盲点。 另一方面，虽然近年来推出的z i g b e e 技术有很广的发展前景，但是由于高价位 的芯片及开发系统，使得该技术在抄表系统中的应用还有一段距离。因此，目 前基于无线数传模块的抄表系统还有很大的市场和应用价值。 论文提出基于多跳网络的进行无线抄表的方案，即通过组建网络的方式来 解决目前基于无线数传模块方式的抄表系统应用中所出现的问题，改变原来点 对点的单跳通信方式为点对多点多跳通信方式。显然，该方案并未改变原无线 抄表系统的组成和总体结构，而只是改变了其数据传输的通信方式。 2 1 无线抄表系统的一般组成结构 自动抄表系统从数据传输方式上划分为有线和无线两种，但是两种抄表系 统在系统的总体结构和组成上并没有区别。一个典型的远程自动抄表系统主要 是由电能表、采集器( 数据采集模块和采集终端) 、集中器、主站( 数据处理中心) 以及将这些设备连接起来的高效的、可靠的数据传输通信方式组成的系统，其 基本的组成结构如图2 1 所示。 由图可以看出，整个系统的体系结构是一个典型的集散控制系统。系统可 划分为三级：一级是系统主站( 含中心端的数据转接器) ：二级是远程终端单元 ( 集中器或负荷终端，含远端的数据转接器) ；三级是带有通信接口的智能电表。 一级和二级之间的数据传输可利用各种类型的通信网络，既可利用现有的布线 系统，如：电话网、有线电视网、电力网和无线通信网等，也可利用各种网络 资源，如小区综合布线系统( p d s ) 或光纤同轴混合i 网( h f c ) 。涉及的两段通信网 络也称为信道，即数据传输的通道。每段可以相同也可以不一样，因此可以组 7 武汉理 大学硕士学位论文 合出各种不同的自动抄表系统。从集中器的角度看，从集中器到控制中心之间 通信规定为上行信道。从集中器到采集器或智能电能之间通信规定为下行信道。 上层信道符合d i m s 通信协议标准，采用基于c o - r d l c 数据链路层的三层协 议栈( c o s e m ( 电能测量配套规范) 应用层、面向连接的基于i - i d l e ( 高级数 据链路控制) 的数据链路层、物理层) 。二级和三级之间传输可通过电话线方式、 低压电力线载波方式、双绞线方式和无线方式等获取电表示数或电表的脉冲信 号量。下行信道按照d i d t 6 4 5 1 9 9 7 t 习规约与各种表计通信。 蕊耳函算 魏堪磋匿篚 图2 - 1 自动抄表系统组成结构 在各种通信方式的自动抄表系统中，系统的工作过程都是相同的。客户安 装电子脉冲电能表经过采集器和数据集中器，通过一定的通信信道，将数据 集中收集传输到远方的集中抄表中心。对抄收的电能数据由中心计算机进行 电费统计、营业管理。具体工作过程如下： ( 1 ) 营业中心的主站计算机，在营业计费系统设定的抄表时刻，将抄收命令下 发给集中器。 匮翌 t 一 二 & 辫 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 集中器接收采集命令，通过一定的通信信道，将命令转发给相应的采集终 端。 ( 3 ) 采集终端根据命令向客户的电表发送数据采集命令，将客户电能表的电量 信息采集到采集终端中，根据规约将数据打包后传回集中器。 ( 4 ) 集中器将数据包反馈回主站计算机。 2 2 基于多跳网络的无线抄表系统的拓扑结构 目前，国内基于无线数传模块的无线抄表系统的网络拓扑结构一般是星形， 即在下层信道的数据传输网络中，以集中器为网络的中心节点，抄读其单跳通 信距离内的采集器或是无线电能表的电量数据。由于容易受到障碍物、天气、 电磁等多方面的干扰因素，导致其可靠性不高。因此，国内许多小区在实际应 用此类方式进行无线抄表时，均选择将网络的中心节点放置在楼顶等较高的位 置，克服障碍物的影响，来提高系统的可靠性。显然，这种方式，并未改变网 络通信方式和拓扑结构，并未从根本上解决基于星型网络的无线抄表在实际应 用中的问题。 论文提出的基于多跳网络的无线抄表即在自动抄表系统的上下两层信道 中，均采用无线方式来传输数据。该系统的拓扑结构如图2 2 所示。 该设计在上层信道数据传输方式上，集中器选择g p r s 网络与控制中心的 微机系统( 主站) 进行通讯。多个集中器以控制中心为中心通过g p r s 网络组成 星型通讯网络。集中器通过串口与专用的g p r s 模块如( g t m 9 0 0 ) 等通讯，使其 通过g p r s 网把数据发送给控制中心。 在下层信道数据传输方式上，选择以集中器为中心节点，采集器或无线电 能表为网络节点，组建无线多跳抄表网络来完成数据的抄读。区别于星状网络 的是，一部分采集器和无线电能表将作为网络的中继节点，负责将位于中心节 点单跳范围外的网络节点数据转发至中心节点。即通过多跳延长无线射频通信 的点对点之间的通信距离。 在硬件设计中选用射频收发器n r f 9 0 5 组成的无线数传模块作为实现无线 通信的核心部件。无线抄表系统的集中器、采集器和普通电能表通过插槽外接 无线数传模块，这样设计既减少了干扰，又便于调试和维修。 在软件设计中，因为改变了抄表网络的拓扑结构，组建了网络，需要进行 9 武汉理工大学硕士学位论文 网络地址查找、分配和网络数据转发等。因此，在常见抄表网络的三层通讯模 型基础上，引入网络层，设计并实现四层抄表通讯模型及协议。包括：应用层、 网络层、m a c 层和物理层。该网络能够有效的提高集抄系统的可靠性。 l l 系统主站 l 串，- p 无线电能表2 采集终端n 图2 2 基于多跳网络的无线抄表系统拓扑结构 2 3 无线抄表系统工作过程 在各种通信方式的自动抄表系统中，系统的工作过程都是相同的。客户安 装电子脉冲电能表，经过采集器和数据集中器，通过一定的通信信道，将数据 集中收集传输到远方的集中抄表中心。对抄收的电能数据，由中心计算机进行 电费统计、营业管理。 在无线抄表系统中，系统在主站发出抄表命令之前，应该首先建立上下两 层的通信信道。上层信道的g p r s 网络服务，需要到开通s i m 卡的g p r s 服务， 然后对所集中器所连接的g p r s 模块进行一定的设置，如波特率、a p n ( a c c e s s p o i n tn a m e ) 等，其设置的方法比较简单，步骤也比较简单。因为，它使用的现 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 存已有的网络。 论文重点研究的是以集中器为核心的，下层信道的多跳无线抄表网络的设 计。作为一种自组织网络，其拓扑结构一般分为平面( 树状、网状) 和星状两种 结构，如前所述，并且系统考虑网络的节点移动性差，节点之间相对静止不动， 网络的拓扑结构基本不变，各个节点在网络中地位可以一样。因此选择平面结 构来组建无线多跳网络。其具体组网与抄读数据的过程如下： 集中器在上电后，会首先建立多跳网络。并给每个加入网络的节点分配网 络地址。在返回网络建立成功后，其将等待主站通过g p r s 网络发送的抄表命 令，在通过中断的方式收到主站的抄表命令后，集中器首先查询其邻居表，查 看目的节点是否属于其邻居节点，即是否在单跳范围内。若目的节点不是邻居， 查看其路由表，查找目的节点网络地址信息。因为，抄表命令中的目的节点的 地址并非网络地址，因此，必须首先完成网络地址的查找和转换。 若查找到目的节点的网络地址信息，将添加到抄表命令帧中直接发送到下 一跳目的节点。当目的节点的路由信息不存在时，说明节点还没有加入网络， 集中器作为源节点开始发出路由请求帧，直到接收到目的节点返回的路由请求 响应帧，这样就建立了中心站和目的节点的通信链路。但是这样将会增加整个 网络的负担和冗余。因此，系统对于查找不到网络地址的节点，将返回主站抄 读失败的命令。 无线电能表或是采集器，在上电初始化后，一方面开始电能计量处理，另 一方面准备加入无线抄表网络。当收到路由节点或是中心集中器发送的信标帧， 就会获取相关网络信息，并添加到邻居表中。节点选择邻居表中的最小网络深 度节点发出连接请求帧，等待接收到连接应答。这样，一个孤立的网络节点就 会加入到无线抄表网络中。网络中的目的节点在接收到抄读命令帧后，就返回 本节点中的相关电量数据至源节点。 2 4 小结 本章提出论文将要研究的无线抄表是自动抄表系统的种方式。论文研究 的无线多跳抄表系统在通过无线信道传输数据时，通过组网的方式，能有效的 克服无线传输距离短，易受干扰等缺点。最后，详细的介绍了基于无线自组织 网络的自动抄表系统的体系结构和工作过程。 武汉理：f 大学硕十学位论文 第3 章无线抄表系统的智能节点设计 无线抄表系统把电能表作为目标对象，组建无线多跳网络，最终采集电能 表中的相关电量数据。在现有抄表系统应用中，集中器、采集器和电能表，硬 件设计已经比较成熟，因此，在进行无线抄表及抄表网络的节点硬件设计时， 采用模块化设计思想，原节点通过外接无线数据收发模块来实现节点间无线通 信。 3 1 无线收发模块硬件 3 1 1 射频芯片的选用 无线射频芯片是整个无线通信模块单元的核心部件，它的选择成功与否将 直接关系到整个无线通信系统的性能、成本和开发周期。 选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵 敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本和数据传输是否需要进行曼彻 斯特编码等。本系统在设计无线模块时，考虑了两款较常用的射频收发芯片： c c l1 0 0 1 m 1 和n r f 9 0 5 。 c c l l 0 0 是c h i p c o n 公司推出的单片可编程r f 收发芯片，它基于c h i p c o n s s m a r tr f 技术，可工作在i s m 频段( 3 1 5 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z ) 。c c l l 0 0 集成了射 频发射、射频接收、p l l 合成、f s k 调制解调、可编程控制等多种功能。体积 小，采用2 0 脚4 x 4 m m 的封装。 n r f 9 0 5 是n o r d i c 公司为4 3 3 8 6 8 9 1 5 m i zi s m 频段设计的单片u h f 多段 无线收发芯片，采用3 2 脚5 x 5 m m 的封装。它采用优化的g f s k 调制解调技术， 抗干扰能力强，采用d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达 1 0 0 d b m ，发射功率可以调整，最大发射功率是+ 1 0 d b m 。g f s k 调制较普通的 频移键控在更宽的带宽传输连接有效。数据在内部进行曼切斯特编码( t x ) 和曼 切斯特解码( i 。通过采用内部曼切斯特编解码，微控制器不需要制定编解码 规则。 最终选择n r f 9 0 5 作为数传芯片，理由有几点： ( 1 ) n r f 9 0 5 配置简单、编程方便。 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 ( 2 ) n r f 9 0 5 数据传输率达到1 0 0 k b p s ，适合于实时性比较高的场合。 ( 3 ) 硬件电路相对简单，保证系统的稳定性。 在抄表过程中，由于要满足d 坍6 4 5 1 9 9 7 规约的要求，数据一次抄读的时 间在5 0 0 m s 以内，所以选择传输速率更快的芯片。 3 1 2 无线模块电路 在无线抄表网络中，设置n r f 9 0 5 无线收发模块的工作频率为4 3 3 m 。无线 模块有两种天线连接方式，分别是环行天线差分连接和单端连接5 0q 阻抗天 线。为了调试与使用的方便，系统中使用的单端外接天线方式。只需要少量的 外部元件，其外围电路如图3 1 所示。在该模块硬件电路中，最重要的是天线 匹配电路的设计。 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁 波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，天线接收电磁信号，并通过馈线送 到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备， 没有天线也就没有无线电通信。即没有天线，无线模块就不可能通信。因此， 天线作为射频系统设计的关键器件，直接影响着系统的性能。 无线模块调试的初期阶段，也可以用普通导线代替天线，作为简易天线， 并将l c 天线匹配网络短接。这样，无线模块可以正常工作，当然，这样数据 收发距离会受到极大的限制。通过测试，通信距离在1 0 m 的范围内。但这种方 法只适合于开发初期，用于验证模块是否正常工作。 本系统的天线部分使用的是5 0 q 单端天线。必须确保天线阻抗与r f 前端 相匹配，以使功率传输最大化，从而增加发射的有效距离。如图3 1 所示，电 容c 9 、c 1 0 、c l l 、c 1 2 与电感l 1 、l 2 、l 3 等共同组成了l c 天线阻抗匹配网 络。在调试过程中，一般是限制电感，来改变电容的值，如图中c l l 的电抗值 是不固定的，可调的。天线其长度可以由下面的公式计算得出： 天线长度l = a 4 l i b v 4 厂t 3 x 1 0 8 4 3 3 1 0 6 4 ；1 7 3 2 1 c m( 3 1 ) 此外，p c b 板布线的好坏也直接影响无线传输距离。 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 v c c l2f 砌 1 0 a f 1 t r xc e：7p w rc 6 c 5 = 4 j 吁 3 3 p 1 ：- 目篡高习：l 。_ u p c l k | | | | - 蚕辈圣莹；量； 亨点叫i i 珠一o i i a m二 m i s o $ c k g n d 1 i ju t xe n 型t r x c e t “- - c ，7 v s s p mu e2群 螋c l k f j “a 苔阱v s s 掣2 2 _ 4 渊然：加 享c d ；6 誉。j v 蟋l q ) y a # 妄 篙姿氮黧温寿 i 了 i j - j】_ 一赢 s c kl | | 口1 爿= 1 一四 一1 3 d f l a= 陴事笠一 亨 图3 1n r f 9 0 5 外围电路 3 2 无线模块与网络节点接口电路 在抄表多跳网络中，电能表和采集器作为网络的普通节点，由于所需处理 的任务和数据较少，性能要求较低，所以一般选用8 位单片机。而集中器，作 为网络中心的节点，一方面要完成同基站通信，另一方面需要处理和抄读网络 中所有节点数据。其任务完成的实时性和数据处理速度等性能要求比较高，一 般选用3 2 位单片机。 3 2 1 电能表与无线模块接口电路 节点在组网时，需要使用组网协议。协议程序运行会占用较大的f l a s h 和 r a m 空间。考虑成本和硬件设计简单等因素，系统使用处理器内部r a m ，即 电能表和采集器的处理器选用内部r a m 空间较大的单片机。且n r f 9 0 5 的端口 电压为3 3 v 左右，若选用单片机的端口电压与之匹配，则不需多余的电阻来进 行端口电压匹配。综合以上因素，电能表和采集器处理器选用a v r 系列单片机 a t m e g a 6 4 l 。微控制器与无线模块的接e l 框图如图3 2 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p b 7s c k p b 6m i s o p b 5mo s l a t p b 4s p i c s n mp a 2p w r u p 盖 c p a l t r x c ef g ap a 0 t x e n ： 6 p a 3 c d 5 4 lp a 6a m p a 4d r p a 7u p c l k vcc vcc gndgnd 图3 2 a t m e g e a 6 4 l 与n r f 9 0 5 接1 2 1 框图 n r f 9 0 5 无线收发芯片工作电压为3 1 3 6 v ，与a t m e g a 6 4 l 兼容。微控制 器通过片上s p ii ( p i m 、p b 5 、p b 6 、p b 7 ) 来读写n r f 9 0 5 。通过t r x c e 、t x e n 来控制n r f 9 0 5 工作模式。通过检测c d 、a m 等输入端口电平来判断是否收到 属于本节点数据的无线射频信号，通过检测d r 端e l 输入，判断是否将本节点 的数据发射结束。 3 2 3 集中器与无线模块接口电路 集中器以周立功公司的e a s y a r m 2 2 0 0 为平台，该平台提供多个外设接口， 包括串口、以太网、i d e 和c f 卡等接口，为模块化设计提供了极大的方便。 其硬件结构框图如图3 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 集中器平台结构框图 节点所占用的平台硬件基本资源包括：电源处理模块，微处理器l p c 2 2 1 0 ， 5 1 2 k 的1 6 位s r a m ( i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ) 、2 m 的1 6 位的f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) 、 两个串口分别为u 姗、u a r t l 等。无线模块通过平台上的a 蝌插槽与平台 连接。p o 2 6 ( t d l ) 是芯片缺省空置引脚。其它引脚都作为g p i o 与无线模块连 接。此连接，一方面，有效合理的利用了平台的资源，节约了成本。另一方面 利用排线，减小了布线的难度，提高了模块抗干扰性。 j p 5c a n 接口 一5 v p 0 1 2 d s r lc d p 0 1 3 d t r ld r p 0 1 0 r t s lt r xc e p 0 1 1 c t s lt xe n p 2 2 8 d 2 8a m p 2 2 9 d 2 9u c l k 图3 4c a n 接口与无线模块连接电路 无线模块的通过j p l ( 如图3 - 4 所示) 与c a n 接1 3 通过排线连接，由于n r f 9 0 5 的工作电压为3 3 v 左右，因此，需要进行电压转化转换。电压匹配电路设计如 图3 5 所示，电路利用的是较常见的5 v - 3 3 v 芯片a m s l l 7 。 1 6 武汉理一 人学硕士