（计算机应用技术专业论文）基于近程无线集中抄表系统的研制.pdf

贵州人学硕i j 研究生学位论义 摘要 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术， 它在家用系统控制、楼宁自动化、：l ：业监控等诸多领域都具有j 阔的市场空间。相比之下， 监牙、w l a n 、g s m 等无线通讯技术，由于协议复杂、成本高、耗电量人等原冈，在上述应用 领域中的推广利应，h j 都有一定的凼雉。z i g b e e 有自己的一套基y - i e e e8 0 2 1 5 4 的无线电标 准，它有一个显著特点就是在一个z i g b e e 无线网络中，每个传感器就是一个终端，他们只需 要很低的功耗，就能以接力的方式通过无线i u 波将数据从一个传感器传到另一个传感器，从 而使数于个微小的传感器之间相互协凋实现通信，冈此它的通信效率1 r 常高。 本文通过比较传统人一l ：抄表、i c 预付费表、有线抄表及无线抄表系统的优缺点，认为 无线抄表系统以其技术先进、易丁实现、传输速率高、可靠性高、成本造价低、易丁警譬及等 特点，将成为木米集中抄表系统发展的趋势。同时，文章对无线局域网( w l a n ) 、g s m g p r s 、 监牙技术、等无线通信技术作了分析，得f i j 了z i g b e e 技术具有协议简单、成本低、功耗小、 纽网容易等优点，1 r 常适合麻川丁无线门动抄表系统的结论。 在这种背景。卜，本文选择基y - z i g b e e 网络无线电表集中抄表系统设计这课题为主要研 究方向，j ) - 1 纳起米，主要的研究+ j ：作包括： z i g b e e 网络无线电表集中抄表系统设计中硬什方案的选择及主要使f ，l ：电路的实现；供电 电源中电池的选择；应用层数据传输格式虑遵守的规约；z i g b e e 协议中数据结构的组织和组 网技术；讨论了一些网络路由算法的可川性、面临的问题、各种路由方案的电能消耗，并针 对这些问题提出了一些改进措施。最后，总结了全文并提出了朱米的j i ：作方向。 关键词：z i g b e e ，自动抄表，无线网络，协凋器，路由算法 基于近程无线集中抄表系统的研制 a b s t r a c t z i g b e ei san e wg l o b a ls t a n d a r df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o w - c o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wd a t ar a t e ，f o c u s i n go ns t a n d a r d i z i n ga n de n a b l i n g i n t e r o p e r a b i l i t yo fp r o d u c t sw i t h i nh o m ec o n t r o l ，b u i l d i n ga u t o m a t i o na n di n d u s t r i a lc o n t r o la n d m o n i t o r i n g t h ez i g b e et h o u s a n d sp r o t o c o lb a s e do n8 0 2 15 4s t a n d a r dw i l lo fs e n s o r s w h i c hc a n c o m m u n i c a t ee a s i l yb ee m b e d d e di nw i t hp o w e r - e f f i c i e n t i th a sa g o o dm a r k e ti nb u i l d i n g a u t o m a t i o na n di n d u s t r i a lc o n t r o l s i ti sn o ww i d e l yr e c o g n i z e dt h a ts t a n d a r d ss u c ha sb l u e t o o t h a n dw l a na r en o ts u i t e df o rl o wp o w e ra p p l i c a t i o n s w h i c hi sd u et ot h e s es t a n d a r d s h i g hn o d e c o s t sa sw e l la sc o m p l e xa n dp o w e rh u n g r yr f i c sa n dp r o t o c o l s w i t ha ni n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i cf u n d a m e n t a l so fz i g b e ea c c e s s o r i e s t h i sa r t i c l ep r o v i d e sa f r a m e w o r ko fw 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 em a i nt y p e so fh a r d w a r ea n da n a l y z e s t h ea u t o m a t i cn e t w o r kf o r m a t i o ns k i l l si nt h es y s t e ma sw e l la st h er o u t ep r o p o s a li nt e r m so f p o w e r u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，t h ed e s i g no fz i g b e ew i r e l e s se l e c t r o n i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi s m ym a i nt a r g e t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w ： i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rd e s c r i b e sh o wt oc h o o s eh a r d w a r ea n dd e s i g nt h em a i nc i r c u i t ，t h e c o n f i g u r a t i o nt h a tt h ed a t af o r m a ts h o u l do b e yi na p p l i c a t i o nl a y e r , t h eo r g a n i z a t i o no ft h ed a t a s t r u c t u r ei ne a c hl a y e r m e a n w h i l et h ea u t h o rd i s c u s s e st h eu s a b i l i t yo ft h er o u t i n ga l g o r i t h m ，p o i n t s o u ts o m ep r o b l e m si nu s i n gt h er o u t i n ga l g o r i t h m ，g i v e ss o m es u g g e s t i o no nh o wt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m s a f t e rt h a tt h ea u t h o rd i s c u s s e st h ep r o g r a mf l o wc h a r to ft h e e n d d e v i c ea n dt h ez i g b e e g p r sg a t e w a y n l ep a p e ri ss u m m e du pi nt h ee n da n dt h ef u t u r e e f f o r t sa r ed i r e c t e d k e yw o r d s ：z i g b e e ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mw i r e l e s sn e t w o r k ，c o o r d i n a t o r , r o u t i n g a l g o r i t h m 2 贵州大学硕1 ：研究牛学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州i 大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州i 大学可以将本学位论 文的全部或部分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论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鼍址导师签名：燃日 期：! q q g 生! 月 贵州人学硕 ：研究生学位论文 1 1 研究背景 绪论 随着测量技术的匕速发展，人们生活、家居条什的智能化水平越米越高，将室内户用计 量仪表中数据白动抄收已逐渐成为人们追求的目标。水、电、气、热等公共事业管理部l 、j 也 希望新技术的应川能解决kj i j 凼扰他们的抄表雉、收费雉等问题，从而实现节省人力、减少 企业流动资金占川、方便川户及提高管理水平的目的。各类自线远程抄表系统由丁长距离室 内外的布线，存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试维护i i j 难重重，而且停电 时间超过备用电池所负担时间情况下，系统计数不可避免地与机械表头读数出现误差。无线 抄表在发达国家和地区早已盛行，抄表乍在心户电表附近行走一遍，u 表的各种数据便可抄 入抄表乍的电脑中。 2 0 0 4 0 6 一0 1 实施的建改行业标准户川汁量仪表数据传输条1 i ，| ：( c j t1 8 8 2 0 0 4 ) 中规 定了户刚计量仪表数据传输的基本原理、接口形式( 可以是m - b u s 、r s 4 8 5 、无线方式及光电 式) 及物理性能、数据链路、数据标识及数据安全性利数据表达格式的要求旧“。 z i g b e e 是最近捉山的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术，主要适心丁白动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控 制而制定的。z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 技术的商业名称，该技术的核心由2 0 0 0 年1 2 月成立 的i e e e8 0 2 1 5 4 ：作组制定，高层虑， j 、互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年纽建的z i g b e e 联盟负责。z i g b e e 联盟由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及 荷兰匕利浦、i ，导体公司等射l 成，已经吸引了上白家：苍片公i = 1 ：】、无线设备开发商和制造商的加 入。i e e e 8 0 2 1 5 4 协议刚刚公布，标准化：r ：作正在转向相关的应j j 和测试，第一批芯片和产 品已经面市。市场分析人十认为z i g b e e 设备将在未米6 7 年内占据三分之二二的家庭自动化 市场。虽然目前已有许多开发成功的无线抄表系统，但是z i g b e e 的优良性能、极低的功耗、 高集成度利低价位，具有1 r 常强人的市场竞争能力。但作为一个全新的标准，将其应心丁自 动抄表系统将面临诸多问题。提出、研究并解决这些问题正时本项目的动机。 1 2 现有抄表方式 目前，国内外抄表方式土要人：i ：抄表、i c 譬预付费表、有线抄表系统及无线抄表系统。 1 2 1 人工抄表方式 传统的人i ：入室抄表是目前抄表的普遍做法，但由丁抄表人员抄表时往往居l 心上班家中 无人。抄表员常常冈不能入室抄表而采取f 占计水、l 乜、气j j 量的方法，造成计费不准的情况。 同时人l ：入室抄表也带米诸如安全隐患、i ：作效率低、劳动强度高、易出错等弊端。随着“一 户一表”1 ：科的发展，i j 户数量迅速增加，随之需要的抄表人员也人人增加。已使朋了儿十 年的人i ：抄农方式有i 比彩哆# 端，如：入户雉：】：j 小心生活水平的提高、家庭财广：价值越米 越高、越来越重视隐私权等原冈，朋户不希望被人打扰；同时入户抄表只能在早、晚居比休 息时间进行，抄表人员实际可利川抄表时间较短，冈而使抄表率、收费率达到专业公司要求 很雉。管理部门负担重：现行抄友收费结算方式给水、电、气部门经营带来凼难。管理费j j 3 皋十近程尢线集中抄表系统的叫制 扦支过高，严重制约了相关企事业单位的发展。抄袭劳动强度加人：由j ：楼层越来越高、各 住户逐步装修，抄表收费人员j t ：作条什差、效率低、劳动强度人：各地收费人员遭抢或犯罪 分子冒充收费人员入室作案时有发生，影响社会安定；现行抄表收费人多是人l ：抄表、人i ： 收费、手：t ：结算，效率低、误差大，已不适应企业管理现代化的要求。用户、收费人员窃气、 窃水、窃电、作弊、拒交费川时有发生，造成各类费用不能及时准确的收缴。为此人工入室 抄表已逐渐不适应现代社会发展的需要。 1 2 2i c 卡预付费表 随着电子技术的发展，i c 卡预付费表在9 0 年代出现了。它采用先付费后使川的方式对 管理部门较为有利，同时不需要现场抄表，部分解决人：i ：抄表的j u j 题，它可以实现：不入室 抄农、1 ，省人鼙人力。解决收费问题，可先付赞后使用。但实际操作过科中也存在一些问题： i c 卡表具直接与川户接触，易造成人为破坏。不能及时监控，朱能完全解决盗川及农具损坏、 故障问题。管理部门不能准确知道j j 户的实际使用情况。 1 2 3 有线抄表系统 有线抄表控制系统不但可完全具备i c 卡表的优点，同时还可以实现i c 卡表无法实现的 功能，这种技术充分利川l 乜话网络，电力线网络、闭路电视网、r s - 4 8 5 总线网。其主要有卜 列优点：可实现实时抄表、实时监测、实时控制，可检测出设备破坏、1 卜法使川等。速度快， 人员少，抄农率、准确性也人人提高。可实现预付费功能，用户充值后，数据通过网络远程 下装，可避免用户直接触表具，提高设备使川寿命。 有线系统存住的问题有： 涉及布管问题、穿线问题，故需要预先设计。 施1 ：周期k 、! i ：科安装成本及维护成本高。 系统的扩展升级和与其他网络的兼窬臀问题。 1 2 4 无线抄表系统 现阶段，无线技术正飞速地进入许多应用领域，与有线设备相比无线抄表设备具有成本 低、携带方便、无需布线等优点，特别适丁手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、 小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、专业数据采集系统、川户识别、信号采集、 水文气象监控、无线数字语音、数字图像传输等系统的应用。为有效解决抄表雉的问题，实 现户外自动抄农足一种对现有抄表难题行之有效的解决办法。 无线抄表是指采川近距离无线通信技术和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。 即每只表将状态及使刚信息以有线无线的形式传至室外的数据采集器。采用无线自动抄表技 术，不仅能：1 ，约人力资源，更重要的足可提高抄表的准确性、实时性，使管理部门能及时准 确获得数据信息。无需架设电缆，：1 了省了人力物力，投资是相当1 了省的。无线的方式可迅速 建起通信链路，i ：程周j l 】人人缩短。相比彳线系统有更女r 的扩展性。出现故障时，只需维护 无线数据模块，能快速找i 【j 原闪，恢复系统正常运行。由丁：不同部门的管理方式以及刖户不 川情况，必然将导致抄表及【恢费办的多样r e 。可以颅测，任朱米水、电、气、热能辰抄收 将出现人i ：抄表、i c 卡表、有线抄表以及无线抄表多种形式k = 期存的局面。但随着电子技 术的快速发展以及管理要求的提高，无线通讯技术以其技术先进、易丁实现、传输速率高、 可靠性高、成本造价低、易丁* 及等优点，将成为未来发展的必然趋势。随着无线通信披术 4 贵州人学硕 j 研究生学位论文 的发展、芯片价格的降低，将无线技术川j ：抄表是人势所趋，准走往前面，谁将获得无法估 量的收益。 1 3 论文组织结构 本沦文共分7 章。第l 章介绍了论文的研究背景、现有各种抄表方式的优缺点与论文组 织结构。第2 章首先对目前土要的儿种无线通信技术及其主要性能作了比较，然后深入分析 了z i g b e e 技术各层协议的基本原理、技术及主要特点。第3 章则是对整个系统的总体没计。 第4 章研究了基1 - z i g b e e 技术的自动抄表系统的主要硬件组成，以及内置钝电池的选型。第 5 章则分析了无线白动抄表系统的组网特性以及应川层的数据格式。第6 章则是对各种设计 方案以及所选芯片的试验。第7 章讨论和研究现有机制的应川可行性、面临的问题及改进方 案。最后，总结了全文，并提出了未米的+ i ：作方向。 5 幕于近程无线集中抄表系统的研制 2z i g b e e 通信协议介绍 2 1 几种无线通信技术的比较 目前，各种无线传输技术林立，戌川j 泛。每个技术都有其立足的特点，或毖丁传输速 度、距离、耗电鼙的特殊要求；或着眼丁功能的扩充性；或符合某些单一戍川的特别要求； 各种短距离无线通信技术都住争取成为t i j 场标准。 2 1 1 无线局域网( w l a n ) 2 0 世纪9 0 年代初，i e e e8 0 2 1 1 一j ：作纽被指派制定一种全球性的w l a n 标准，其j ：作频率 为l l ：v f f 证的i ：业、科学利医疗( i s m ) 频段，最人数据传输速率可达2 m b i t s 。1 9 9 7 年，标准 被批准。标准主要足制定物理层和媒体接入控制( m a c ) 层的规范。8 0 2 1 1 标准经过一段时间 的发展，分别产生了儿个不同的扩展标准，即8 0 2 1 l b a g 标准簇，它们住技术神p 陛能上备 有筹异。在i ：作频段上，8 0 2 11 标准簇j ：作在2 4 g h z 或5 g h z 廿许可证频段上，而在2 4 g h z 频段上，在物理层的传输技术上，有两个选择，即：直接序列扩频( d s s s ) 利跳频扩频( f h s s ) 。 对丁8 0 2 1 l a 标准，物理层还可以i ：作在红外线( i r ) 频段，其波k 为8 5 0 9 5 0 n m ，信号传输 距离住1 0 m 左右。w l a n 是在有线局域网( l a n ) 的基础上发展起来的，各种相应的w l & n 技术或 标准是根据川户的移动需求而出现的。较之有线l a n ，w l a n 有以卜优点：川户可移动性、便 捷与快速建网、缃网的灵活性、低成本等。 2 1 2g s m g p r s g p r s 是通j i j 分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，足在g s m 系统 上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 川户提供分组形式的数据业务。g p r s 采心与 g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。g p r g 允许心户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利 3l 毡路交换模 式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。g s m 终端设备之间能够 通过s m s 进行数据传输。利川该功能，将s m s 服务功能加入到每一只表具终端中，即可以实 现无线抄表。该方法技术成熟，利川现有的g s m 网，不需要昂贵的系统设备，抄表不受距离 和空间的限制。由丁单个模块成本较高，目前g s m g r p s 技术还不能川丁比川川户，土要用丁 对总表的抄收上。或l 心用用户室内表具以其它低成本的方式集中采集后，管理单位以此方式 与小区集中器间交换信息。 2 1 3 蓝牙技术 蓝牙技术南爱置信、东芝、i b m 和英特尔五家公司t1 9 9 8 年提i 【：。t 要川水打破以红外 线或l u 缆线联系不同产1 l i i h j 。受剑的限；6 4 ，2 0 0 0 年做剑使移动电话等：设备与个人电脑或住f l l j 其 他设备、仪器之间，能够住约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。 离、支持点剑点和点剑多点的通信的无线通信技术，它具有以卜特点： 蓝牙系统使j j2 4 g h zi s m 频段，无需申请频率许可证。 6 贵州大学硕 ：硐f 究生学位论文 采川跳频扩谱技术，并采用快跳频( 跳频速率达1 6 0 0 跳秒) 、短分组及快速等方法进抗 干扰，提高传输的可靠性。 低功率、短距离。监牙额定输山功率o d b m ，传输距离l o c m l o m ，增人功率可达l o o m 。 信息分组传输，同时支持话音利数据。 采用t d d 全双工方式，基带协议采川电路交换和分组交换混合方式，组网方便灵活。 采用f m 调制方式，降低设备的复杂性平成本。采用1 3 f e c 、2 3 f e c 和a r q 等纠错方式 改善误码性能。 从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好。 支持点到点及点到多点连接。 监牙技术具有强人数据通讯优势，j j 丁抄表领域住技术上是完全可行的。目前市场上早 已有监牙技术的抄表模块。但由监牙技术主要针对的是数据交换及语音信号传输，同其它专 有的抄表技术相比，有协议过丁复杂、芯片成本较高的缺地点。 2 1 4z ig 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，它是一种介丁无线标记技术和监牙 之问的技术提案。z i g b e e 协议比监牙、高速率个人区域网( p a n ) 或8 0 2 1 1 x 无线局域网更简 单实用m l 。z i g b e e 技术的主要特点包括以。i - j l 个部分： 数据传输速率低只有l o k b p s 2 5 0 k b p s ，专注于低传输应用； 功耗低在低耗电待机模式下，两节普通5 号千电池可使川6 个月以上。 成本低，冈为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。 网络容量人，每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说每个z i g b e e 设备可以 与另外2 5 4 台设备相连接；有效范围小，有效覆盖范同1 0 7 5 m 之间，具体依据实际发射功 率的人小和各种不同的虑川模式而定。 ji ：作频段灵活使朋的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m i z ( 美国) ，均为免执照频 段。 z i g b e e 主要应川在短距离范嗣之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之问。其典型 的传输数据类型有周期性数据( 如传感器数据) 、间歇性数据( 如照明控制) 和重复性低反应时 问数据( 如鼠标) 。 2 1 5 几种无线通信标准的性能比较 总之，考虑剑自动抄表无线网络小数据流量、对适时性要求不高的特征，选用任何无线 通信技术必须考虑以下几点：低成本：户刚计量仪表是低成本的。冈此这些川米联网的元件 也必须是低成本的。低功耗：内置电池正常使j i j 时间，热量表应不低于五年、水表与燃气表 不戍低丁入年。性能可靠，无须人量维护：这些应川需要在无人照料的情况下运转。伸缩性 能好：需要联网儿百至儿干个设备。通过表2 1 对几种主要无线通信技术的比较旧，可以得 山：z i g b e e 是目前比较适合州丁自动抄表系统的短距离无线通信技术。 7 皋于近程无线集中抄表系统的研制 表2 1 儿种无线通信技术的比较 z i g b e e bl u e t o o t hw i - f i g p r s g s m 8 0 2 1 5 48 0 2 1 5 18 0 2 1 l b g 应j j 范闱监视与控制短距离有线的替w e b 、视频、w a n 、卢音 代品e - m a i l 与数据 电池寿命1 0 0 1 0 0 0 + 1 7 1 5l 一7 ( 大) 网络1 ，点 2 5 5 6 5 k +73 01 0 0 0 数 带宽 2 0 2 5 01 0 0 01 1 0 0 0 + 6 4 1 2 8 ( k b p s ) 通信距离 l 一7 5 + 1 1 0 +l 1 0 01 0 0 0 + ( m ) 优点可靠、低功耗、低成本、易 高速、适应性传输质量女r 、 低成本、安全 操作强分前i 地域j 2 2 z i g b e e 协议 2 2 1 协议的架构 完整的z i g b e e 协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 如图2 1 所示，网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定，i e e e8 0 2 1 5 4 负责物理层和链路层标 准。 应j f l 忿按 1 安令 3 2 _ 6 ，i - 1 2 8 侮翻惭 嘲络忿 l 媒介接入控制 l b a c 物瑗缓( p h y ) 8 6 8 m h z 9 1 5 z 2 唾g h z 图2 1z ig b e e 协议的架构 8 z i g b e e 驻能l l f i e e e 8 0 2 1 5 4 1 贵州人学硕：l ：研究生学位论文 2 2 2 物理层 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层 管理服务。物理层数据服务主要完成的功能有：激活休眠无线收发设备，对当前频道进行能 量检测，链路质量指示、载波检测多址与碰撞避免( c s m a c a ) 进行空闲频道评估、频道选择。 数据的发送及接收。 1 ) ：l ：作频段和数据速率 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种物理层标准提供选抒，不过都足基丁直接序列扩频技术，分 别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 姗物理层。使川相同的物理层数据包格式，区别在于1 ：作频 率、调制技术、扩频码k 度和传输速率。2 4 g h z 波段为全球统一的无需中请的t s m 频 段，有助丁z i g b e e 设备的推广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层通过采用高阶调制技术 能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，有助丁获得更高的吞吐量、更小的通信时五正和更短的。l ：作周 ； i 】，从而更加省电。 9 1 5 m h z 是美国的i ：s m 频段，8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，这两个频段的引入避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m t t z 的传输速率为2 0 k 6 s 91 6 m l l z 是4 0 k b s 。由丁 这两个频段上无线信号传播损耗较小，冈此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有 效通信距离，从而可以川较少的设备覆盖给定的| 又：域。 2 ) 调制和扩频 在8 6 8 m k z 和9 6 5 m k z 这两个频段上，虽然数据的速率不同，但是信号处理过程相同，处 理的过科如图所看剑的。首先将物理层协议数据单元( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ) 的二进制数 据差分编码，然后将差分编码后的每一个位转换长度为1 5 的片序列，如图2 2 所看到。最 后使刚b p s k 调制剑信道上。 = 相的相移 差分箱码 二进制位啼i 跬控调制 数据码片 c b f s k ) 图2 28 6 8 9 1 5 m k z 频段调制过程 8 6 8 9 1 5 m h z 物理层先将p p d u 二进制数据进行差分编码，差分编码足将当前数据位与前 一编码位以模为2 异或而成。经编码的数据位又被映射成1 5 位伪随机噪卢数据码片( c h i p ) ， 如表2 2 所示。数据码片序列采用二相的相移键控技术( b p s k ) 凋制。 发送：e n = r no e n 一1 接收：r n = e n o e n 一1 r n ：进行编码的原始数据； e n ：对应的编码位； e n 一1 ：前一编码位； 表2 2 数据符号一数据码片映射表 辅入值数据码片 o1 1 1 1 a 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 10 0 0 0 1 0 1 0 0 1 i o l l i 3 ) p p d u 格式 p p d u 报文数据由川丁数据流同步的同步头( s h r ) 、含有帧长度信息的物理层报头( p h r ) 以 基于近程无线集中抄表系统的研制 及承载有m a c 帧数据的净荷组成。具体结构如农2 3 所示。 表2 3p p d u 格式 l 字节：4 l1可变 前同步码帧定界符 。侦长度l 保日 物理层数据 ( p r e a a b le ) c s f d ) ( 7 b i t 墨) i c 1 6 i t )c f s 【7 ) ；同步头物理层报头物理层净荷 lc s h r )( p h r )( p h yp a y lo a d ) 前同步码域川米为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步。帧定界符川米标识同步 域的结束及报文数据的开始。帧k 度域川7 b i t s 定义物理层净荷的字。1 y 数。物理层数据域k 度根据情况可变( k 度为5 字。1 了或人丁7 字1 了) ，承绒了物理层报文数据，包含有m a c 层数据 帧。 2 2 3m a c 层 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 协议包括以下功能：设备问无线链路的建立、维护和结束； 确认模式的帧传送与接收：信道接入控制；帧校验；预留时隙管理：j 播信息管理。m a c 子 层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点( s a p ) 访问高层。通过m a c 通川部分子层 s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，j f jm a c 层管理实体s a p ( m l m e - s a p ) 访问m a c 管理服务。 这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。灵活的m a c 帧结构适应了不同的廊川及网络 拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。图2 3 描述了m a c 子层组成及接口模型。 图2 3 p h y 层参考模型 i e e e8 0 2 1 5 4 基本上足席j j 类似i e e e8 0 2 1 1 的c s m a c a 方式竞争沟通，其中 可以分为有信标网络( b e a c o n e n a b l e dn e t w o r k ) 与无信标网络( n o nb e a c o n e n a b l e d n e t w o r k ) ：无信标网络的协凋器( c o o r d i n a t o r ) 一直处在监听的状态，在装置要同传信息时会 先彼此竞争，等通知协调器后，再传送资料给协调器。而有信标网络中，含有超帧( s u p e r f r a m e ) 的结构，其l 州定将包含信标及超帧分为1 6 个时隙( s l o t s ) ，超帧持续时间( s u p e r f r a m e d u r a t i o n ) 与信标间距( b e a c o ni n t e r v a l ) 依照协调器使州信标级数( b e a c o no r d e r ，b o ) 及超 f 陨级数( s u p e r f r a m e o r d e r ，s 0 ) 米控制，彼此关系足0 s o b 0 1 4 ，如此可限制超帧持续时 问会小丁等丁信标问距：协凋器发送f _ 标，除了川作同步化外，也包含h 络棚天信0 葛：超 帧以有无使川保址时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ) 米区别，有保证时隙的超帧w 分成两部分， 一是竞争存取周期( ( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) ，另一是无竞争周期( c o n t e n t i o nf r e e p e r i o d ，c f p ) ，而无保证时隙的超帧则全都足c a p 。如此可限制超帧持续时问会小丁等丁信 贵州大学帧仁研究生学位论文 标间距；协凋器发送信标，除了川作同步化外，也包含网络相关信息等；超帧以有无使用保 证时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ) 来区别，有保证时隙的超帧可分成两部分，一是竞争存取周 期( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) ，另一是无竞争周期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ， 而无保证时隙的超帧则全都是c a p 。 ( 1 ) 超帧结构 ； 超帧结构( s u p e r f r a m es t r u c t u r e ) 在i e e e8 0 2 1 5 4l r w p a n 是属丁选择使刚的部份。 其格式是由网络中的协调器( c o o r d i n a t o r ) 米定义，而超帧结构的大小边界是由网路中的信标 所设定，一个超l 帧结构包括了1 6 个相同人小的时隙。在网络中的任何设备要做通讯时，会在 竞争存取周期( ( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) 采j hs l o t t e dc s m a c am e c h a n i s m 去对频 道做竞争。 超帧结构( s u p e r f r a m es t r u c t u r e ) 还包含了另一部份叫做无竞争周期( c o n t e n t i o nf r e e p e r i o d ，c f p ) ，在这部份我f f j , q 做保证时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ，g t s ) ，采州预先请求 的方式，让在c f p 中配置剑g t s 的设备可以不川竞争就可以直接传送。表2 4 为有保证时隙 超帧结构。 表2 4 有保证时隙超帧结构 倌标帧竞争访问时段非竞争时段不活跃时段信标帧 0l234561 11 21 5 l 1 41 5 ( 2 ) 数据传送模式 在i e e e8 0 2 1 5 4 的数据传送模式里，存在有二种方式。一是终端器什传送数据剑协 凋器，二二是协调器传出数据剑终端器件，二是在两对等器什间传送数据。在星形网络中，仅 有前两种方式，即数据交换只在协调器与终端器什间进行。而在对等网结构中，所有二二种方 式均有可能，即数据交换可在任两器什间进行。 ( a ) 数据传送到协调器 在信标使能方式( b e a c o n e n a b l en e t w o r k ) 中，器件必须先去取得信标( b e a c o n ) 来与协调 器同步，之后使用开槽绒波检测多址与碰撞避免( s l o t t e dc s m a c a ) 方式传送资料。 在1 卜信标使能方式( n o nb e a c o n e n a b l en e t w o r k ) 中，器件简单的利州无槽载波检测多址 与碰撞避免( u n l o t t e d c s m a c a ) 米传送资料。 数据传输到协议器的流程如图2 4 所示 图2 4 数据传输剑协议器 ( b ) 数据从协调器传山 在信标使能方式( b e a c o n e n a b l en e t w o r k ) 中，协调器会利川信标( b e a c o n ) 中的字段米告 知有资料要传送。而终端器什则足周期性的监听信标，如果自己是协调器传送对象，9 j 该器 件利川开礴钱波检测多址碰撞避免( s 1 0 t t e dc s m a c a ) 将m a c 命令请求控制信息传给协渊 器。 在1 卜信标使能方式( n o nb e a c o n e n a b l en e t w o r k ) 中，终端器什利川无槽载波检测多址与 碰撞避免( u n l o t t e dc s m a c a ) 传送m a c 命令请求控制信息给协凋器，若协调器有数据要传送， 皋于近程无线集中抄表系统的研制 则利j l ju n s l o t t e dc s m a c a 方式将资料给送出。 数据从协议器传出的流程如图2 5 所示。 协调器 c oo r d i n a t o r ) 叫络器件 e w d i _ kd e v i c e ) 信标( b e a c o n 数据谛v 求四e t e r e q u e 呐 虑替( a c k ) 数据( d a t a 虑答( a c 图2 5 数据从协议器传出 ( c ) 对等数据传送 一 在对等p a n 中，任一器什可同其射频范同内的其它器件通信。预通信的器什要么定时的 接收，要么彼此完全同步。前者简单地使川无干| f i i 载波检测多址与碰撞避免( u n l o t t e dc s m a c a ) 传输数据，后者需要实现同步。 ( 3 ) m a c 层数据帧格式 表2 5m a c 帧的通h j 格式 i 。i i i i t 一t j ! i 字二谬l2i 1 ；0 1 2；0 1 2 1 8 ；0 1 2；0 1 2 1 8 ； r 氆! 12； ： m a c 按搬久i； ：二一j 一： 帧控制域： 有1 6 b i t s 长度，定义了帧类型、地址域及其它控制标忠。 钽：o 一234567 91 0 一1 11 2 1 31 唾一1 5 j 矗续, n i，起粹t 疗 i i 哇 一。 li 的地匐啄j 也山l ： i p 贞0 瞧j 议力u 盼f 晓p a n 童旨保断f 聚l 钳 窀沌f 晓求j l l ： 键j = 模匕 町 表2 6 帧控制域格式 帧类型子域： 有3 b i t sk = 度，虑川中戍设置成表2 7 中的某一1 卜保留值。 1 2 贵州人学硕 j 研究生学位论文 表2 7 帧类型子域值 桢类型值c b 2 b l b o )掘述 0 0 0信标帧 0 0 1 ；l l 据楼 0 1 0应番帧 0 1 1x c 命令帧 1 0 0 - 1 1 1 保目 加密控制子域： = 0 ：当前帧不需m a c 子层加密； = l ：当前帧川存贮在m a cp i b 中的密钥加密； 后续帧控制位： = l ：表明传输当洳| j ! 的器1 i ，l ：有后续的数据要发送，冈此接收器应发送额外的数据请求以 获得后续的数据。 = o ：表明传输当前帧的器件没有后续的数据。 应答请求位： = 1 ：接受器在确认收到的l 帧数据有效后，应当发送出虑答帧。 = 0 - 接受器什不需发出应答帧。 同一p a n 指示： = 1 ：表明当前帧足住同一p a n 范围内，只需要目的地址与源地址，而不需源p a n 标识符。 = o ：表明当前帧是不在同一p a n 范同内，不仅需要目的地址与源地址，源p a n 标识符与 目标标识符均需要。 目的地址模式： 目的地址模式子域2 b i t sk 度，虑当设置成表2 8 中某一值。如果此子域值为o 且帧类 型子域表明此帧不是应答帧或信标帧，则源地址模式子域应当为1 零，从而指出此帧是直接 送至源p a n 标识符域所指定的p a n 标识符所在的协调器。 源地址模式： 源地址模式子域2 b i t s 长度，应当设置成表2 8 中某一值。如果此子域值为0 且i | | ! ；i 类型 子域表明此帧不是应答帧或信标帧，则目的地址模式子域应当为l 卜零，从而指出此帧足米至 目的p a n 标识符域所指定的p a n 标识符所在的协调器。 1 3 皋于近程无线集中抄表系统的研制 表2 8 目的源地址子域值 地垃模式( b l b o ) 撼述 0 0 无p a n 惦i j 琵彩l 地毙 = 0 1 住瞅 1 0 j 也j i i ：城钽身翰足1 6 觏瓤i 地蝰 1 1 j 生j l ：城也身盼址6 - i 似扩碰地毙 ： 序列号域： 具有8 b i t sk 度，为帧指定了唯一的序列标识号，仅当确认帧的序列号与上一次数据传 输帧的序列号一致时，才能判断数据传输业务成功。 目的p a n 标识符： 具有1 6 b i t s 长度，指山接收当前帧的器什唯一p a n 标识符。如此值为o x f f f f 代表广播 p a n 标识符，所有当前频道的器件均可作为有效p a n 标衫 符接收。 目的地址域： 根据帧控制子域中目的地址模式，以1 6 位短地址或6 4 位扩展地址j - 口匕- - 5 山 i