（电子科学与技术专业论文）基于cc1110的电能数据采集器设计与实现.pdf

a b s t r a c t i nt h ea 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 e r ea r et w om e t h o d so ft h em e t e r u p l i n kc o m m u n i c a t i o nu s e dw i d e l y o n ei st h ef u l lc a r r i e rm o d e ，o rt h ec o n c e n t r a t o r t ot h em e t e ru s i n gp o w e rl i n ec a r r i e rt e c h n o l o g yf o rc o m m u n i c a t i o n a d v a n t a g eo f t h i sm e t h o di st h a tc a nb ea c h i e v e dw i t h o u t l a y i n ga n yl i n e so fc o m m u n i c a t i o n t h r o u g h o u tt h es y s t e m ，t h ed i s a d v a n t a g ei st h em e t e rr e a d i n gi s s l o w , i n e f f i c i e n t p r o n et oi n t e r f e r e n c e t h eo t h e rm e t h o di s h a l f - w a yc a r r i e rm o d e b e t w e e nt h e c o n c e n t r a t o ra n dt h em e t e rb y a d d i n ga ni n t e r m e d i a t e d e v i c e a c q u i s i t i o n t h e c o n c e n t r a t o rt ot h ec o l l e c t o rt oc o m m u n i c a t ew i t hp o w e rl i n e c a r r i e r ，t h ec o ll e c t o r t om e t e r su s i n gf i x e dw i r e4 8 5t oc o m m u n i c a t e t h i sa p p r o a c hc a ni n c r e a s es p e e d a n de f f i c i e n c yo fm e t e rr e a d i n g ，s h o r t c o m i n g sc a nn o tb ec r o s s p l a t f o r ma r e a sa n d a l s ov u l n e r a b l et oi n t e r f e r e n c e a st ot h ep o w e rl i n ec a r r i e rt e c h n o l o g yf o rt h es l o w t r a n s m i s s i o nr a t e ，c a nn o tb ec r o s s p l a t f o r ma r e a s ，v u l n e r a b l eh o u s e h o l de l e c t r i c a l m t e r f e r e n c ea n do t h e rs h o r t c o m i n g se t c ，i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g n e da s h o r t r a n g e w i r e l e s sa c q u i s i t i o nd e v i c e ，t h en e t w o r k i n gm o d eu s es e m i w i r e l e s s jh i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb 目t c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ea tf i r s t ，r e v i e w o tm i c r o 。p o w e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，h i s t o r ya n dc u r r e n t s i t u a t i o n ， t h e nr e s e a r c ha n da n a l y s i so fm i c r o - p o w e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa n dr e l a t e d t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，i n t r o d u c et h em i c r o p o w e r w l r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nl o w v o l t a g em e t e rr e a d i n gs y s t e ms h o u l dp a y a t t e n t i o nt ot h e p r o b l e m ，t h e nc o n d u c t e daf o c u so nw i r e l e s sc c1 110 b a s e d h a r d w a r ec o l l e c t o ro v e r a l ld e s i g n ad u a l c p um o d ec o n t r o lm o d u l ei su s e di nt h i s p r o g r a mm o d u l et om a k et h ec o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l es e p a r a t i o n ，w h i c h c o m m u n ic a t io nm o d u l ec o m p a t i b l ew i t hc a r r i e ra n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a n d e n h a n c et h ea d a p t a b i l i t yo ft h ec o l l e c t o r a c c o r d i n gt of u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f e a c hh a r d w a r eu n i tt o d e s i g n a n d a n a l y s i s t h e p o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t s ， r e s p e c t i v e l y ，t h ec o n t r o lu n i tc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eu n i tc i r c u i t r v t h e w i r e l e s sm o d u l ei nt h e m a t c h i n gn e t w o r k i nt h ep o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t e x t e r n a lp o w e rs u p p l yc i r c u i t4 8 5a n dm c u p o w e rs u p p l yc i r c u i tw e r ed e s i g n e dt o e n h a n c ea n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t yo ft h ec o l l e c t o r ；i nt h ec o m m u n i c a t i o n sm o d u l e r e s e a r c h e dt h er f m a t c h i n g n e t w o r kr e l a t e d c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h e o r v a n a l y s i e do fi m p e d a n c em a t c h i n gi nr fc o m m u n i c a t i o nt h ei m p o r t a n c es i g n i f i c a n c e i i i d e s i g n e d a ni m p r o v e dr a d i of r e q u e n c y l cb a l u nc i r c u i tc h i p t ot h ea n t e n n a m a t c h i n gn e t w o r k t h em a t c h i n g n e t w o r kw a sc o m p l e t e d f o rb a l a n c e 。t h e c o n v e r s i o no fn o n - e q u i l i b r i u m t h ef o l l o w i n gw o r k i sac o l l e c t o ro fs o f t w a r ed e s i g n t h el c o s i i r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i sa d o p t e da st h es o t t w a r e p l a t f o r m ，a n dw ed e s i g nac o l l e c t o r s b o o tl o a d e rb o o tp r o c e s st oc o m p l e t et n e u p g r a d eo fl o c a lc o l l e c t o r a n dp a r a m e t e rs e t t i n g s i ni - t c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m ， c r e a t i n gt a s k ，c o m p a r t m e n t a l i z i n gt a s k ，a n df l o wc h a r to f t h ev a r i o u st a s k sc a r r l e a o u tad e t a i l e da n a l y s i s f i n a l l y ，f o rt h ea u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e mr e q u l r e m e n t s ， t e s t sw h i c hu s i n gt h es a m ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e o nt h ed e v e l o p m e n to fp r o t o t y p e h a v eb e e nd o n e i nc h a n g s h ac i t yt oi n t e r f e r el a r g e rw i t ht h et v s i g n a lt o w e r ，w e s e l e c t e d13t e s tp o i n t s ，o b t a i n e dt e s tr e s u l t sa n da n a l y z e dt h e m a f t e rt h et e s t ，t h ec o m m u n i c a t i o nr a n g ea n di n t e r f e r e n c eo f t h ec o l l e c t o rm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ec o l l e c t o rh a db e e np i l o t e di ng u a n g d o n g ，g u a n g x l ， s h a n d o n g ，s i n g a p o r er e s p e c t i v e l y r e s u l t sf r o mt h ep i l o t t os e e ，t h ec o l l e c t o rr u n s s t a b l ea n dr e l i a b l e ，d e s i g n e dt oa c h i e v et h ed e s i r e dg o a l k e y w 。r d s ：a u t 。m a t i c m e t e rr e a d i n g ；c 0 1 1 e c t o r ；m i c r 。1 p 。w e r w i r e l e s s ； i m p e d a n c em a t c h i n g i v 硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 目前，能源紧缺制约着全球经济的发展，节约能源不仅对世界的可持续发展 而且对于中国的可持续发展都具有非常重要的意义t 。国务院2 0 0 3 年9 月1 日 就已提出，供水、电、气、热单位要抄表到户，实现抄表到户是必然趋势。传统 的抄表( 水、电、气、热) 需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后， 再到各家索取，这样的抄表方式误差大、工作量大，既不方便又不安全。同时， 电力、自来水、煤气、热力以及物业管理等部门处于对数据统计及收费管理的需 要，也迫切要求对传统的人工上门抄表方式进行变革。这个时候，自动抄表系统 就应用而生。自动抄表系统( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，a m r ) 是指利用微电子和 计算机网络、传感等技术自动读取和处理表计数据，将城市居民的用水、电、气 信息加以综合处理的系统【2 】。自动抄表技术使各水、电、气公司及物业管理部门 从根本上解决了入户抄表收费给用户和抄表人员带来的麻烦，避免了许多不必要 的纠纷。准确而便捷的收费系统，不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代 用户对用水、用电、用气缴费的需求。 经过几年的发展，自动抄表系统已经在部分城市和大用户当中实施。该系统 包括电能表级、采集器级、集中器级、主站级。主站通过g p r s 、c d m a 无线公 网或者以太网等有线网络与集中器进行链接，继而从集中器获得各采集器传输来 的实时电能表数据，对电用户进行量的统计、查询、报表打印等工作，并对集中 器、各种表的参数进行设置，完成小区楼宇、单元、层数、楼道、表地址、用户 档案的建立。集中器完成对各采集器数据的收集、存储和管理。采集器是通过 4 8 5 方式对每户电能表进行通信，并完成电能表数据的采集。其中各级的主要通 信通道有电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ，p l c ) 、以太网、综合业务数字网 ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) 、公共交换电话网( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ，p s t n ) 、g p r s 、c d m a 等方式。电力线载波技术利用现有 的电力线，通过载波方式将模拟或者数字信号进行传输的技术。最大的特点是不 需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传输。电力线载波技术无疑在自 动抄表系统中占据了很大的比重，但是这种技术易受到电力线负荷及家用电器等 其它开关电源的干扰，对用电环境要求较高，而且抄表速度缓慢，很难实现实时 性的要求：以太网、i s d n 、p s t n 三种通信方式实现集中器到电能表的抄表方式 所需要的通信工作量非常庞大，不适用于普通低压用户；而最近几年发展起来的 基于c c l1 1 0 的电能数据采集器设计与实现 g p r s 和c d m a 无线通信方式，以其低廉的价格大规模的应用于大用户抄表系 统中，但是对于庞大的低压用户来说，这种方式在费用上就显得没有优势。 1 1 2 课题研究意义 随着电子和通信技术的发展，电力线载波技术、无线通信技术的快速发展为 自动抄表系统提供了强大的技术支持，使得整个电网区域内的电能表数据实现自 动抄读成为了可能。目前在广大的低压用户中，自动抄表系统只是处在初级阶段， 只有在些走线比较规范的小区进行试点，在这些试点中，各个小区的通信方式 一般有两种：一种是全载波方式，一种是半载波方式，全载波方式就是从集中器 到电能表采用载波的方式通信，这种通信方式的优点是不用架设线路就可以通 信，但是集中器对电能表数据的采集需要很长的时间，使得通信的效率非常低， 半载波的方式是在集中器到电能表之间加入了采集器，采集器的上行采用载波通 信，下行通过4 8 5 和电能表通信，这种方式优点是减少了通信路由的跳数，节省 了路由的时问。在一些走线规范的小区，电力线载波技术以其特有的技术优势得 到了广泛的应用，但是在一些旧的、走线不规范的以及用户分散的小区，载波通 信易受到干扰，造成通信的效率就低下，难以满足应用的要求。 现阶段，为了丰富低压集抄系统的通信方式，本文开发了一种微功率无线的 采集器，该通信方式中，上行采用短距离无线，下行采用有线4 8 5 ，这种通信方 式不但能够降低成本，而且也能有效提高通信的速度。本采集器主要针对低压集 抄系统，为广大的低压用户提供可靠的无线通信产品，以实现数据的远程传输。 经过在广西、广东、山东和新加坡等地的试点，短距离无线的通信方式达到了应 用的要求，对推动国家电网的信息化建设有极其重要的意义。 1 2 微功率无线通信技术的发展历史及应用现状 1 2 1 微功率无线通信技术的发展历史 由于设备的发射功率有限，信号覆盖的区域有限，早期的微功率无线通信设 备一般用在点对点的应用中，比如在对讲机、设备控制中的使用。在这类应用中， 要达到点对点的通信效果，只能采用加大发射功率，改善接收机的接收性能等一 些改善物理信道的措施，而发射功率又受到一定的限制。由于受自然界电磁噪声、 工业污染和电子元器件固有噪声的影响，1 2 3 d b m 通常被认为是现代无线电通信 中纯硬件实现的接受灵敏度的极限值，即使加上前向纠错等措施，也只能改善 1 - 3 d b 。如果通信系统的接收灵敏度已经接近这一极限值，就无潜力可挖了。目 前，射频芯片的接收灵敏度一般为9 0 d b m 11 0 d b m ，即使再提高硬件的接受灵 敏度，也无法从噪声中提取有效的信号【3 】。 后来随着移动通信网络技术的发展，组网通信的概念被引用到微功率通信中 硕l j 学位论文 来，利用节点同时具备信号发射和接收的特点，采用中继转发，通过一次或者多 次转发，补偿信号在空中的传播衰减。早期对微功率组网通信的研究起源与1 9 世纪6 0 7 0 年代美国军方对水下传感网络的研究，后来又兴起多个国家军事部 门、工业界和学术界对无线传感网络、a d h o c 网络的研究热潮。微功率设备及其 组网通信方式逐步在军事、科学研究、环境保护、医疗健康、家庭、工业、商业 等领域得到应用。目前微功率无线通信技术的研究热点包括通信、组网、管理、 分布式信息处理等多个方面，形成多层次的研究领域，如底层的物理层通信技术， m a c 层的链路控制，网路层的路由生成、选择与管理，传输层的数据流的传输 控制，应用层、支持层的节点管理安全控制、能量管理、任务管理以及对时技术、 定位技术等应用技术【4 j 。 通过近1 0 年的研究，通信协议、网络支撑技术及应用技术方面取得了很大 的进展。在网络通讯协议、路由协议、m a c 协议和拓扑控制方面提出了很多算 法。在国际上，在相关的应用领域，已经有了相关的技术规范，各标准定义了相 应的网络协议规范，对组网、路由、拓扑结构、物理层、m a c 子层协议、安全 服务协议做了详细的规定 5 1 。比较典型的有蓝牙技术( b l u e t o o t h ) ，z i g b e e 技术、 z w a v e 技术等。当前主流的几种微功率无线通信技术主要有以下几种：蓝牙、 近场通信、无线局域网、红外通信、z i g b e e 技术和i s m 单片机射频通信。 1 2 2 微功率无线通信的应用现状 由于对通信距离、通信速度、功耗、网络容量等特殊的要求，目前没有一个 专门针对集中抄表的规范。微功率无线通信的集中抄表方案按组网方案标准有2 种：一是基于标准的z i g b e e 技术的方案；二是基于为方案提供商自定义的协议规 范。目前，国内采取第一种方案的优势在于有标准的通信协议支持，同时也方便 与不同厂家设备之间的互联互通。但是也存在着一些问题，如目前大多应用的工 作频段为2 4 g h z ，信号波长短，通信距离有限；协议栈比较复杂，需要较多的 资源。第二种方案，缺乏标准，不同厂家的通信芯片特性、协议方案不一致，不 利于设备的替换【6 j 。现在，国家已经出台了针对微功率无线抄表的无线电使用规 定，对通信模块的工作频率、有效发射以及其他参数有了相关的规定，同时为规 范行业发展，对通信协议也即将制定相应的规范。目前，微功率无线抄表方案的 推广还处于小范围试点的状态，比如在山东、广西、广东等多个省市地区的小区 试点，以及一些农村地区的试点，从试点情况看，都能很好地满足实用化的要求。 1 3 项目来源 本课题来自于威胜信息技术有限公司的开发项目。本项目的主要任务是开发 设计一个工作频率范围为4 7 1 m h z 、可自组网的微功率无线采集器。本采集器的 设计要求是：下行连接4 8 5 电能表，上行通信模块可根据客户需求选择载波和无 基于c c l l1 0 的咆能数据采集器设计j 实现 线两种通信模式，并且具备现场升级和免设置功能。本采集器主要用于低压集抄 系统，作为集中器和电能表通信中间设备，。以提高电量采集的成功率和可靠性。 1 4 论文研究的主要内容 论文的结构和主要内容安排如下： 第l 章为绪论，论述了本课题的研究背景和意义，总结了微功率无线通信技 术的发展历史和应用现状，介绍了本课题的来源。 第2 章为微功率无线通信相关技术及在低压集抄中的应用，阐述了微功率无 线通信的相关技术，重点研究了微功率无线通信在低压集抄系统中的应用和在集 抄系统中应注意的问题。 第3 章为采集器总体方案设计及外围单元电路设计，根据采集器主要技术性 能指标，提出了采集器总体硬件框图，设计了采集器的电源管理电路、控制单元 电路、通信接口电路内部器件通信电路和红外通信电路，这些外围电路共同组成 了采集器的硬件平台，并详细分析了射频芯片阻抗匹配的重要意义，设计了一个 改进型的l c 巴伦电路作为天线和射频芯片的阻抗匹配网络。 第4 章为无线采集器的软件设计，本文首先介绍了微功率无线通信协议，然 后介绍了采集器所采用的软件平台，采集器的软件设计采用了g c o s i i 嵌入式 实时操作系统作为软件平台，在这个平台上搭建了整个系统的框架。接着设计了 软件引导程序b o o tl o a d e r ，在引导程序中，实现了采集器的本地升级功能和参 数的设置等功能，设计了系统软件驱动层，该驱动层采用分层的框架，做到了驱 动和接口的分离，在不做任何改动的情况下可以很方便实现软件驱动的升级。最 后详细介绍了任务堆栈的分配、任务的划分和任务的创建，并详细介绍了采集器 主要任务的流程图。 第5 章为采集器在不同地点下的同频干扰测试及分析，本文研制了本课题的 实验样机，并对样机在各种环境中的通信能力进行了一系列同频干扰测试，给出 了试验数据、波形，试验结果表明了本课题的设计方案可靠、可行。 硕l ：学位论文 第2 章微功率无线通信相关技术及在低压集抄中的 应用 2 1 微功率无线通信技术简介 通信是将信息从发送者传送到接收者的过程。自古以来，信息就如同物质和 能量一样，是人类赖以生存和发展的基础资源之一【7 1 。人类通信的历史可以追溯 到远古时代，文字、信标、烽火及驿站等作为主要的通信方式，曾经延续了几千 年。按照传输的媒介通信可以分为两大类：一类是有线通信，另一类是无线通信。 狭义上现代的有线通信是指有线电信，即利用金属导线、光纤等有形媒质传 送信息的方式，光或电信号可以代表声音，文字，图象等。而无线通信是利 用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式， 近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。无线通 信系统的类型很多，根据传送消息的不同，可分为电话、电报、广播、电视 等；根据传送信号的不同，可分为模拟通信和数字通信两大类，模拟通信中 根据调制方式，又可分为调幅( a m ) ，单边带( s s b ) 和调频( f m ) ；数字通信中 根据调制方式可分为频移键控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 等i s ；根据多址方式， 可分为频分多址( f d m a ) ，时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。 只要通通信收发双方通过无线电波传输信息，并且发送功率限制在很小的范 围内( 通常是1 0 0 m w 以下) ，就可以称为微功率无线通信【引，其通信距离在几十 米到几百米的范围内。它们主要使用全球通用的i s m ( 工业、科学和医学) 频段， 这部分频段在全球大部分国家都得到了官方的使用许可，只要在许可的功率范围 之内，都可以自由使用，只需要通过相关的认证，而无需提出申请。 2 2 微功率无线通信的相关技术 2 2 1 蓝牙 蓝牙( b l u e t o o t h ) t 作在2 4 g h z 的频段，最早是由爱立信公司在1 9 9 4 年开始 研究的一种能使手机在与其附件( 如耳机) 之间相互通信的无线模块，采用f h s s 扩频方式，蓝牙信道带宽为1 m h z ，异步非对称连接最高数据速率为7 2 3 2 k b i t s ； 连接距离一般小于l o m t l 0 】。蓝牙被归入了i e e e 8 0 2 15 1 ，规定了包括物理层 ( p h y ) 、m a c 层、网络层和应用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支 持，需要协议栈提供2 5 0 k b 系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。此 外，由于蓝牙对每个微微网最多只能配置7 个节点，因此制约了其在大型多节点 基于c c l l l 0 的f 也能数掘采集器设计与实现 网络中的应用。目前，新的蓝牙标准和技术也在加强速率和距离方面的研究，其 2 o 版拟支持高达1 0 m b i t s 以上的速率，使用蓝牙技术的无线电收发器的连接距 离可达1 0 m ，使用高增益天线可以将有效通信范围扩展到1 0 0 m 。鉴于蓝牙在睡 眠状况下消耗的电流及激活延迟，一般电池使用寿命为2 4 个月。由于蓝牙的上 述特性，使得它可以应用与无线设备、图像处理设备、智能卡、身份识别等安全 产品，以及娱乐消费家用电器、医疗健身和建筑等领域。 2 2 2 近场通信 近场通信( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，简称n f c ) 是由p h i l i p s 、n o k i a 和 s o n y 公司主推的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术 标准【i 。与r f i d 不同，n f c 采用了双向的识别和连接技术，在2 0 c m 距离内工 作于13 5 m h z 频率。n f c 最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已经 发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝、蓝牙或w i f i 设备提供一个“虚拟连接”，使设备可以在很短距离内进行通信。通过n f c ，可 实现多个设备( 如数码相机、p d a 、机顶盒、电脑、手机等) 之间的无线互连，彼 此交换数据或服务。与蓝牙等短距离无线通信标准不同的是，n f c 的作用距离 进一步缩短且不像蓝牙那样需要对应的加密设备。 2 2 3 红外线数据通信 红外线是波长在7 5 0 n m 至l m m 之问的电磁波，它的频率高于微波而低于可见 光，是一种人的眼睛看不到的光线【l2 1 。红外通信一般采用红外波段内的近红外 线，波长在0 5 1 a m 至2 5 p m 之间。红外数据协会( i r d a ) 成立后，为了保证不同厂商 的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光 波波长的范围限定在8 5 0 n m 至9 0 0 n m 之内。红外通信有着成本低廉、连接方便、 简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。这些 设备包括笔记本电脑、掌上电脑、机顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、 仪器仪表、m p 3 播放机、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。在红 外通信发展早期，存在着规范不统一的问题，即许多公司都有着自己的一套红外 通信标准，同一个公司生产的设备自然可以彼此进行红外通信，但却不能与其它 公司有红外功能的设备进行红外通信。为了建立一个统一的红外数据通信的标 准，19 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司发起成立了红外数据协 会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，简称i r d a ) 。 1 9 9 3 年6 月2 8 日，来自5 0 多家企业的12 0 多位代表出席了红外数据协会的首次 会议，并就建立统一的红外通信标准问题达成了一致。一年以后，第一个i r d a 的红外数据通信标准发布，即i r d a l 0 简称为s i r ( s e r i a l l n f r a r e d ) ，它是基于 h p s i r 开发出来的种异步的、半双工的红外通信方式【l3 1 。s i r 以系统的异步通 硕i ：学位论文 信收发器( u a r t ) 为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号 电脉冲的波形扩展这一编码解码过程( 3 1 6 e n d e c ) 实现红外数据传输。由于受到 u a r t 通信速率的限制，s i r 的最高通信速率只有1 15 2 k b p s 。 1 9 9 6 年，i r d a 发布了i r d a l 1 标准，即f a s t l n f r a r e d ，简称为f i r 。与s i r 相比， 由于f i r 不再依托u a r t ，其最高通信速率有了质的飞跃，可达至l j 4 m b p s 的水平。 f i r 采用了全新的4 p p m 调制解调( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) ，即通过分析脉冲的 相位来辨别所传输的数据信息，其通信原理与s i r 是截然不同的u 4 1 。继f i r 之后， i r d a 又发布了通信速率高达1 6 m b p s 的v f i r 技术( v e r y f a s t i n f r a r e d ) ，并将它作为 补充纳入i r d a l 1 标准之中。更高的通信速率使红外通信在那些或要进行大数据 里传输的设备上也可以占有一席之地，而不再仅仅是连接线的替代。随着移动计 算和移动通信设备的日益普及，i r d a 标准已经获得了业界的广泛认同和支持。 但红外线技术有一些严重的缺陷，由于发射机与接收机必须相互可见地进行通 信，它们的联系是非常的脆弱的，任何东西，甚至一张纸都可以轻易截断两个节 点之间的射线束，从而使通信链路立即失效，这极大束缚了红外通信技术的应用。 2 2 4z i g b e e 技术 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无线标 识技术和蓝牙技术的技术提案。它此前被称作“h o m e r fl i t e ”或“f i r e f l y ”无 线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传 感器之间相互协调实现通信【l5 1 。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式 通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以他们之间通信效率非 常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或是被另外一种无线技术( 如 w i m a x ) 收集。z i g b e e 是一组基于i e e e 8 0 2 15 4 无线标准研制开发的有关组网、 安全和应用软件方面的通信技术。i e e e8 0 2 15 4 是i e e e 确定的低速无线个域网 的标准，这个标准定义了物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和介质访问层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o ll a y e r ，m a c ) 。z i g b e e 协议栈的网络层和应用层a p i 由z i g b e e 联盟进行标准化，z i g b e e 被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感网路、 家庭监控、安全系统等领域的无线技术。 2 2 5 基于i s m 单片射频通信 尽管前面讨论的几种技术都可以提供相对可靠的近距离通信服务质量，但是 他们的应用还是有着各自的限制。蓝牙技术很有优势，且对语音和数据通信都可 适用，但其市场上所提供的成熟的商用产品却不多见，这种对于用户存在着应用 风险和相对较高的应用成本。近场通信距离只有几十厘米，只适合相隔比较近的 可移动手持设备之间的通信。红外技术更是由于其通信的双方必须处于可见位置 而且其应用会带来致命的缺陷，在自动抄表系统中，集中器、采集器和电能表所 基于c c i1 1 0 的r l 三能数据采集器设计与实现 处的位置不是固定的，设备之间也不是可见的，因此红外通信不能应用于自组网 的网络中，在本设计中采用红外通信和手持设备( 如掌机) 进行通信。z i g b e e 技术 作为一种新兴的短距离无线网络技术，以其低功耗优势在传感网络中得到广泛的 应用，但是在抄表系统中，采用z i g b e e 技术需要更多的硬件资源，会增加设备 成本，不利于大规模的推广。 幸运的是，i s m 单片射频通信技术为简单的嵌入式环境中的近距离无线通信 提供了简单、经济、实用的解决方案。这种集成式的射频通信通常由一颗射频收 发芯片作为其核心部件，外加一些少量的辅助外围电路一起协同工作。由外界提 供的标准u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 通信协议作为接 口，对于需要使用m c u 作为中央控制器的应用系统，无论硬件集成或是软件设 计都十分的方便。另外其低功耗的特性也为其应用于低压集抄系统带来优势。 目前，全球的很多知名半导体厂商如德州仪器公司、国家半导体公司、摩托 罗拉公司以及北欧集成电路公司( n o r d i cv l s i ) 等等，在i s m 频段都各自的芯片 产品。主要分布在4 3 3 m h z 、8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 三个频段上。这种简单、方便 且可靠的射频通信方式有着广阔的应用环境。在很多简单的无线数据传输应用 中，如报警和安全系统、无线键盘、无线操纵杆、家庭自动化、无线计算机外设、 遥测和玩具、汽车防盗、智能家居、餐饮服务等等场合，这种基于u a r t 的单 片集成射频通信技术都有着十分广阔的应用前景。本设计就是采用t i 公司的 c c l llo 进行了短距离无线通信采集器的研制和开发工作，并已经在广西、山东、 广东、新加波等地应用，目前基于无线的集抄系统运行良好，达到了应用的要求。 2 3 微功率无线通信技术在低压集抄中的应用 2 3 1 微功率无线集抄方案 网络通信技术的发展，使其基于微功率无线通信的集抄方案成为可能【l6 1 。 图2 1 是一个典型低压集抄系统示意图。 网络由四类设备组成：主站、网关、采集器和计量仪表。网关是网络设备 的数据中心和管理中心，负责网络的初始化和实时管理，这里的网关在低压集抄 系统中称为集中器。根据和计量仪表的连接方式的不同，网络分为无线方式和半 无线方式。采集器通过有线4 8 5 直接和电能表相连接的方式称为半无线的方式， 通信设备为上层抄表管理软件( 主站) 之间建立一个无线的数据通信信道。根据所 连接的不同仪表或者电能的供应情况，通信模块可分为不休眠模块和休眠模块2 类。休眠能够长时间休眠，只唤醒短暂的时间来完成无线通信，并且可以保证较 高的唤醒时间同步，从而最大限度降低功耗，适合于水表和煤气表等没有持续电 源供应的表计。根据不同的应用，节点还可以具备以下功能： 1 协议转换功能。可将通信协议转换为电能表所支持的通信协议，或进行 硕f ：学位论文 图2 1 微功率无线抄表系统结构示意图 逆转换，从而可实现实时抄收。 2 数据冻结和数据管理。可定时向表计发送抄表命令，获得表计的当前数 据，并对这些数据进行适当的处理、存储。 根据实际的应用，模块也可与专门的抄表设备相连，如采集器等。设备通过 其他通信方式与采集器通信，再通过采集器与集中器之间的无线链路建立通信。 网关节点是外界访问无线网络的接口。能够建立并初始化网络，同时具备路由能 力。网关功能：为外界访问无线自动抄表网络内部提供了双向的接口，通过这个 接口可以将所会聚的数据传递到网络之外，也可以接收控制命令，执行特定的操 作并返回相应的结果。网络由网关发起初始化，完成网络的建立，给节点分配地 址、建立通信链路，并管理网络的运行，完成节点的管理。 2 3 2 微功率无线集抄方案特点 微功率无线通信的抄表方案有如下5 个特点： 1 网络自组自管。通信节点具有自组能力，能够自动进行配置和管理，通 过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发数据的多跳无线网络系统【l 引。 2 网络稳定性好。无线网络的拓扑结构可能会因为环境因素等情况使得传 感器节点故障或失效，造成无线通信链路变化。而节点与集中器之间有多条通信 路径，个别节点的失效不会影响整个网络的通信。节点与集中器之间的通信动态 幕于c c l1 1 0 的电能数据采集器设计与实现 采用最优路径。在拓扑网络中，甚至网关节点的失效也不会影响网络运行。 3 网络容量大。由于无线通信速度快，一般为几十k b p s 至0 几百k b p s 。网络 能达到几万个节点的容量。能满足台区、厂区、甚至一个地区集中抄表的需要。 在实际应用中，一般以一个台区或者一个厂区组成一个抄表系统，这样做的优点 是，不会使网络过于庞大，降低集中器抄表的负荷，增加系统的稳定性。 4 安装维护方便。网络自组自管，完全不需要人工干预通信网络的配置、 管理，安装维护方便。 5 安全性好。一般的射频芯片都提供芯片级的加密( 比女n a e s l 2 8 、d e s 等) ， 有效地保证空中传播的数据交换的安全性。 2 3 3 无线集抄系统的关键问题 根据实际运行情况，目前应用无线抄表应注意以下问题： 1 通信距离。可视距离已能满足实用化的要求，但是在小区里楼宇墙体对 信号的衰减，实际的通信距离受限，特别是频率超过1 g h z 的信号。通常影响无 线通信距离的因素包括：地理环境，电磁环境，气候条件，发射机的射频输出功 率，接收机的接收灵敏度，系统抗干扰能力，软件纠错，天线类型、位置及其增 益等，其中墙体对信号的衰减是影响通信效果的主要原因。当地理环境和电磁环 境一定时，为了保证无线通信的稳定和可靠，在工程设计中可考虑以下措施：调 整天线的位置，降低设备外壳以及放置设备的箱体对无线信号的屏蔽作用；采用 高增益，定向天线，在关键位置提供路由转发或者处理一些网络边界设备；尽量 缩短射频电缆的长度，减少因为射频电缆对射频信号的损耗。 2 协议栈的稳定性。协议栈管理着网络的初始化，节点管理、路由发现及 管理等是微功率组网通信的核心，决定着整个网络的通信效果。实际中要考虑集 抄系统的要求，对协议栈进行优化，达到更好的效果【l 刀。 3 提高系统抗干扰能力。 ( 1 ) 选择合适的调制及解调方式。在调幅( a m 或a s k ) 、调频( f m 或f s k ) 、调 相( p m 或p s k ) 3 种基本调制方式中，调幅的抗干扰能力最差，在系统成本允许时 应优先采用调频或调相( 调频与调相的抗干扰能力相当) ，以及其他增强型调制解 调方式。 ( 2 ) 抑制同频干扰。目前国内有很多设备，包括车载寻呼、电台、对讲机以 及无线遥控产品等，几乎都是采用标称频率为315 m h z 到5 0 0 m h z 的载波频率。在 i s m 频段则有着更多的设备，对集抄系统的同频干扰严重。目前针对同频干扰 的方法主要是采用多信道技术，具有多信道功能的多套同类无线通信产品分别工 作在不同的信道上，由于每套的工作频率互不相同，即便是多套同类产品在同一 时间、同一区域同时使用也不会相互干扰。当系统有很多个信道可选用时，可根 据使用的环境，选择合适的工作信道，甚至根据干扰的情况实现跳频通信。 硕 ：学位论文 ( 3 ) 采用合适的编码方案，提高信号接收的可靠性。 ( 4 ) 采用软件纠错技术。软件纠错技术可以降低数据在传输过程中因受到短 时的突发尖峰