基于无线传感器网络的远程智能抄表系统研究与设计毕业论文.doc

基于无线传感器网络的远程智能抄表系统研究与设计毕业论文目 录绪论1第一章 无线传感器网络技术历史背景21.1无线传感器网络相关的会议和组织31.2相关科研和工程项目31.3无线传感器网络技术的成熟度分析4第二章 无线传感器网络技术体系及其发展现状52.1 核心关键技术52.2 关键支撑技术7第三章 基于无线传感器网络的应用系统发展现状8第四章 无线传感器网络的定义和特点10第五章 需要解决的问题125.1 就目前的技术水平来说125.2 抄表技术概况12第六章 国内外远程抄表系统的发展概况146.1 国外自动抄表技术的发展146.2 国内自动抄表技术的发展14第七章 基于GPRS的远程抄表系统总体设计167.1 设计方案论述与选择167.2 GPRS通讯技术介绍177.3 无线抄表系统的总体设计方案19第八章 系统的硬件设计258.1 终端系统结构258.2 ARM控制单元及相关外围电路268.3 人机接口电路298.4 电源电路设计298.5 RS-485电路308.6 GPRS通信模块31第九章 系统的软件设计349.1 终端软件的设计思路349.2 上电初始化模块379.3 RS-485通信模块379.4 GPRS通信模块39参考文献41Abstract42绪 论本文提出了一种基于GPRS的无线抄表终端系统的实现方案，在以GPRS为通信手段的基础上，对无线抄表终端进行了完整的设计与实现，本文的主要工作在于对GPRS通信模块软硬件上予以了实现，我们选用Philips公司的 LPC2138微处理器和Siemens公司的MC55通信模块作为目标硬件，使用AT指令，完成与监控中心的通信。本文行文安排如下：第一章：介绍了无线传感器网络技术相关历史背景。第二章：介绍了无线传感器网络技术相关体系。第三章：介绍了基于无线传感器网络的应用系统发展现状。第四章：介绍了无线传感器网络的定义和特点。第五章：阐述了本文需要解决的一些问题。第六章：调研了燃气监测系统通信的发展现状，分析了燃气远程监测系统中几种传统的通讯方式，并指出这些通讯方式的优点和不足之处，并对GPRS应用于电力系统通信进行了可行性分析，明确了课题的研究意义和实用价值。第七章：介绍了GPRS无线通讯技术的基本原理、网络结构、通信协议及基于GPRS的数据传输；并将它与几种无线的通讯方式进行了详细的比较，从而证明了它在远程测控领域中有着独特的优势。第八章：根据燃气远程监测系统的功能需求，设计了无线抄表终端硬件系统，详细介绍了各主要功能模块的设计。对终端单元用到的主要器件作了介绍，详细地分析了其中的各硬件电路，并对硬件电路设计中涉及到电磁兼容性问题和抗干扰性措施进行了分析和讨论。第九章：针对终端的功能需求和主控制器的资源，终端软件系统采用了多任务调度机制；对各功能模块的软件实现进行了论述，详细论述了GPRS无线数据传输的软件设计思路。第一章 无线传感器网络技术历史背景无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。 它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院（MIT）技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。无线传感器网络的发展大致经历了以下几个阶段： 第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 第二阶段：二十世纪80年代至90年代之间美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。 因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一 。第三阶段：21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一 。在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，无线传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。1.1 无线传感器网络相关的会议和组织WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会（ACM）和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network（IPSN），为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.2 相关科研和工程项目美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络（DSN）、集成的无线网络传感器（WINS）、智能尘埃（Smart Dust）、?滋AMPS、无线嵌入式系统（WEBS）、分布式系统可升级协调体系结构研究（SCADDS）、嵌入式网络传感（CENS）等一系列重要的WSN网络研究项目。自2001年起，美国国防部远景研究计划局（DARPA）每年都投入千万美元进行WSN网络技术研究，并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把WSN网络作为一个重要研究领域，设立了Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量WSN网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型IT公司（如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等）通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目（CNGI）也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。1.3 无线传感器网络技术的成熟度分析Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年，Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在25年内走向成熟。2006年，Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些；而到了2007年，Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是10年以上。超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看，WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积（表面积）呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破；另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。第二章 无线传感器网络技术体系及其发展现状WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量（功率）供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。2.1 核心关键技术2.1.1 组网模式在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。（1）扁平组网模式所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由（Direct Diffusion）研究的就是这种网络结构。（2）基于分簇的层次型组网模式节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。（3）网状网（Mesh）模式Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。Akyildiz L F等总结了无线Mesh网络的应用模式。（4）移动汇聚模式移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。Bi Y等研究了多种Sink的移动汇聚模式。此外，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的Mesh网络进行数据通信（移动产生的通信机会），可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。2.1.2 拓扑控制组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换；空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果；逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通（实时连通或者机会连通）的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。 Kumar S等研究了在睡眠唤醒进行能耗控制的网络中实现k 连通的条件。Chen Ai等研究了栅栏（边界）防护应用中的拓扑覆盖问题。Li X则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等学者研究了如何利用连通的骨干网络减少网络活动开销，延长网络生命周期问题。2.1.3 媒体访问控制和链路控制媒体访问控制（MAC）和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制，WSN的MAC层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。Ye W等提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议S-MAC；Ahn G-S等研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应；Rajendran V等研究了WSN中无竞争访问的高能效方法；Zhai H和Kim Y等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议。MAC控制是WSN最为活跃的研究热点，因为MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同，短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多，因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。Ganeson D等，Zhao J等通过大量的实验验证了过渡区的存在；Zuniga M等分析了过渡区的成因。复杂的链路特征需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性，Zhu H等研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。 2.1.4 路由、数据转发及跨层设计 WSN网络中的数据流向与Internet相反：在Internet网络中，终端设备主要从网络上获取信息；而在WSN网络中，终端设备是向网络提供信息。因此，WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求，研究人员通常利用MAC层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外，网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点，因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。网络编码技术也是提高网络数据转发效率的一项技术。在分布式存储网络架构中，一份数据往往有不同的代理对其感兴趣，网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数，来提高网络容量和效率。 2.1.5 QoS保障和可靠性设计QoS保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制，将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络，而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变，造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。 2.1.6 移动控制模型随着WSN组织结构从固定模式向半移动乃至全移动转换，节点的移动控制模型变得越来越重要。Luo J等指出，当汇聚节点沿着网络边缘移动收集可以最大限度地提高网络生命周期；Bi Y等提出了多种汇聚点移动策略，根据每轮数据汇聚情况，估计下一轮能够最大延长网络生命期的汇聚点位置。Butler Z等针对事件发生频度自适应移动节点的位置，使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方，从而分担事件汇报任务，延长网络寿命。2.2 关键支撑技术 2.2.1 WSN网络的时间同步技术时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。2.2.2 基于WSN的自定位和目标定位技术定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求。GPS技术是室外惯常采用的自定位手段，但一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。传感器网络更多采用混合定位方法：手动部署少量的锚节点（携带GPS模块），其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。 2.2.3 分布式数据管理和信息融合分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中，WSN网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量；另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。2.2.4 WSN的安全技术安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。鉴于此，研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式；另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传感器网络的现实需求。2.2.5 精细控制、深度嵌入的操作系统技术作为深度嵌入的网络系统，WSN网络对操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本体系结构支持的各项功能，又不能过于复杂。从目前发展状况来看，TinyOS是最成功的WSN专用操作系统。但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂的嵌入式操作系统，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN网络所采用。2.2.6 能量工程能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风能等。2007年在无线能量传递方面有了新的研究成果：通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递。这项技术将对WSN技术的成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全面提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术是目前最有希望的技术之一。第三章 基于无线传感器网络的应用系统发展现状WSN网络是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，WSN技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗护理、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索、智能家居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。2005年，美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统，为救护、反恐提供有力手段。美国科学应用国际公司采用无线传感器网络，构筑了一个电子周边防御系统，为美国军方提供军事防御和情报信息。中国，中科院微系统所主导的团队积极开展基于WSN的电子围栏技术的边境防御系统的研发和试点，已取得了阶段性的成果。在环境监控和精细农业方面，WSN系统最为广泛。2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。在民用安全监控方面，英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个报警系统，他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面，通过侦测灯光的亮度改变和振动情况，来判断展览品的安全状态。中科院计算所在故宫博物院实施的文物安全监控系统也是WSN技术在民用安防领域中的典型应用。现代建筑的发展不仅要求为人们提供更加舒适、安全的房屋和桥梁，而且希望建筑本身能够对自身的健康状况进行评估。WSN技术在建筑结构健康监控方面将发挥重要作用。2004年，哈工大在深圳地王大厦实施部署了监测环境噪声和震动加速度响应测试的WSN网络系统。医疗护理 ，无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。在医疗监控方面，美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感器网络系统，作为美国“应对老龄化社会技术项目”的一项重要内容。另外，在对特殊医院（精神类或残障类）中病人的位置监控方面，WSN也有巨大应用潜力。在工业监控方面，美国英特尔公司为俄勒冈的一家芯片制造厂安装了200台无线传感器，用来监控部分工厂设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。西安成峰公司与陕西天和集团合作开发了矿井环境监测系统和矿工井下区段定位系统。在智能交通方面，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该系统综合运用大量传感器网络，配合GPS系统、区域网络系统等资源，实现对交通车辆的优化调度，并为个体交通推荐实时的、最佳的行车路线服务。目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡市已经建有这样的智能交通信息系统。中科院上海微系统所为首的研究团队正在积极开展WSN在城市交通的应用。中科院软件所在地下停车场基于WSN网络技术实现了细粒度的智能车位管理系统，使得停车信息能够迅速通过发布系统推送给附近的车辆，大大提高率了停车效率。物流领域是WSN网络技术是发展最快最成熟的应用领域。尽管在仓储物流领域，RFID技术还没有被普遍采纳，但基于RFID和传感器节点在大粒度商品物流管理中已经得到了广泛的应用。宁波中科万通公司与宁波港合作，实现基于RFID网络的集装箱和集卡车的智能化管理。另外，还使用WSN技术实现了封闭仓库中托盘粒度的货物定位。WSN网络自由部署、自组织工作模式使其在自然科学探索方面有巨大的应用潜力。2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把WSN技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。2005年，澳洲的科学家利用WSN技术来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。佛罗里达宇航中心计划借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索。智能家居领域是WSN技术能够大展拳脚的地方。浙江大学计算机系的研究人员开发了一种基于WSN网络的无线水表系统，能够实现水表的自动抄录。复旦大学、电子科技大学等单位研制了基于WSN网络的智能楼宇系统，其典型结构包括了照明控制、警报门禁，以及家电控制的PC系统。各部件自治组网，最终由PC机将信息发布在互联网上。人们可以通过互联网终端对家庭状况实施监测。WSN在应用领域的发展可谓方兴未艾，要想进一步推进该技术的发展，让其更好为社会和人们的生活服务，不仅需要研究人员开展广泛的应用系统研究，更需要国家、地区，以及优质企业在各个层面上的大力推动和支持。第四章 无线传感器网络的定义和特点无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。 无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定义为：SensingCPURadioThousands of potential application。哈尔滨工业大学的李建中教授将WSN定义为：WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从硬件上看，WSN节 点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。 WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。 无线传感器网络具有以下特点：（1）硬件资源有限WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。 （2）电源容量有限为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量（太阳能）。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何WSN技术和协议的研究都要以节能为前提。 （3）无中心在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心, 是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。（4）自组织网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。（5）多跳（Multi-hop）路由WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。（6）动态拓扑WSN是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。（7）节点数量众多，分布密集WSN节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。（8）传输能力的有限性无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。 （9）安全性的问题无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。第五章 需要解决的问题5.1 目前的技术水平让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题。 （1）网络内通信问题无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。 （2）成本问题在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。 （3）系统能量供应问题目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。 （4）高效的无线传感器网络结构无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。 总之，无线传感器网络应用前景非常诱人。无线传感器网络（WSN）被认为是影响人类未来生活的重要技术之一，这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。由于WSN本身的特点，使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别，给人们提出了很多新的挑战。由于WSN对国家和社会意义重大，国内外对于WSN的研究正热烈开展，希望能够引起测控领域对这一新兴技术的重视，推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。 5.2 抄表技术概况（1）传统人工抄表传统人工抄表是通过电力运营商雇佣相应电能抄表员登门查表,完成电能抄表校对工作。随着电网规模的扩大,加上电力用户分散,给供电企业抄表带来的巨大的困难。抄表员需要花大量的时间进行抄表和电能数据校对工作,大大增加了电力运营商的负担,造成了大量的人力浪费,同时由于人为误差的存在,给电力用户带来了许多不便,整个电能的抄录过程在时间上存在着明显的离散性,不利于电力运营商的统一管理。 （2）远程自动抄表随着电力电子技术和计算机通信技术的不断成熟,远程自动抄表技术已经逐步取代传统人工抄表技术,成为电力运营企业电能抄表的核心技术。远程抄表系统一般由电能检测表计、视频数据采集模块、数据储存模块、数据通信模块、计算机综合数据管理模块五大部分构成,整个系统采用集散式典型结构,具有明显的树型综合通信结构,利用综合通信技术实现了对电能数据的实时动态采集,便于电力运营商进行电能的检测、综合数据分析管理和收费自动化的要求的实现。 （3）改进BP神经网络改进BP是一种基于误差反馈综合比较的神经网络,由于该模型不需要具有精确的数学模型,只需要将外界已知的原始数据作为系统的输入,对整个网络模型进行“学习”训练,网络层通过输入层（INPUT）获得相关的数据信息,通过中间层（Recurrent）进行数据信息处理,再通过输出层（OUTPUT）获得对应的数据信息。 （4）图像识别数字识别技术包括图像处理和数据识别两项重要的任务,是利用计算机对图像分析处理的核心,在目前较多的图像识别、图像复原、图像预测等领域得到了广泛的发展。 第六章 国内外远程抄表系统的发展概况自动抄表技术自八十年代诞生于美国后，在世界各地得到迅猛发展，最先在供水企业中应用，后扩展到电、气等各个领域。直到九十年代，自动抄表技术才被引进到中国。6.1 国外自动抄表技术的发展在自动抄表系统中，一个重要的抉择，就是通信方式的选择。上世纪70年代至80年代，一些发达国家相继开始对远距离电能表数据的采集和传送进行了探索性研究。此阶段，自动抄表系统主要采用有线通信，如用电力线载波、波导管、电缆、光缆等作为传输媒质。1982年英国的THORNEMI系统利用公用电话网实现了自动抄表；1985年日本九州电力公司试用电力输配电线载波，地线载波及光缆通信于远方读表和监测表计误差的系统；澳大利亚借助邮电线路进行远程电能表数据抄记系统；美国波士顿边生公司以及费城电力公司的配电线载波远程读表系统等。这些系统曾先后投入试运行，但由于投资较大，均仅用于用电大户、联网结算或部分住宅区的集中电能表数据的读取。1988年美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机，用户消耗的电能数据被一次性经键盘存入微机，完成统计与处理。1990年以后，AMR得到较快的发展。1992年埃及开罗配电公司开发出双模式住宅电能监视抄表系统，用于自动记录、获取和处理电能消耗数据的完整系统。为了满足美国加州电力市场150方案的要求，美国最大的电能计量计费系统TMR于1998年投入运行。2000年度，美国有2840万自动抄表设备单元应用，其中1300万用在电力，1080万用在煤气，460万用在供水。在19992000年度供水方面有55%的高速增长，电力有20%的增长，煤气有13%的增长。随着无线网络技术的不断发展，基于无线网络技术的应用逐渐成为当前无线通信的主流，无线网络技术自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制，使无线网络通讯技术迅速成为国内外远程数据采集系统中解决监控点地域广、设备布局分散等问题的主流技术。目前，远程抄表监控系统主要基于微处理器，通过GPRS、CDMA等无线通信网络，向能源管理系统传送采集的数据。6.2 国内自动抄表技术的发展国外抄表系统的发展进程影响着国内抄表系统的发展方向，上世纪80年代末90年代初，中国开始了自动化抄表系统的试点工作。全国各供电企业基本建立了无线电电力负荷控制系统，虽然其主要建设目的是控制负荷，但也逐渐用于大用户的电能表抄表。1989年全国第一套跨省网的电量计费系统在华北电网投入运行，北京供电局的电话抄表系统在90年代开始投入运行。1994年以色列居民集抄系统进入中国，全国各地供电企业大多都开展了低压电力载波技术试点。90年代中期，国内己有研制成功一批自动抄表系统的报道，如常州的“YH5551型集中自动抄表系统”，太原的“煤气表读数遥测系统”，中科院合肥智能所的“煤气表户外自动抄表装置”和上海市公用事业研究所的“水、煤气表合抄集中自动抄表系统”。2000年经全国电工仪器仪表标准化技术委员会秘书处召集生产、用户以及计量检测等20个成员单位组成自动抄表系统国家标准起草工作组，通过标准的制定有效地规范了市场和引导技术的发展。2004年现场用电管理终端作为负控和抄表需求的融合产品产生，并陆续在浙江电网和广东电网大量推广使用。2005年国家电网公司颁布关于加强电力营销现代化的建设意见的406号文后，中国迎来了AMR发展的黄金时期。从2005年到2007年各电力公司基本实现了发电侧、供电侧及终端侧3巧kVA及以上大用户的电能自动抄表，全国估计有几十万个AMR采集终端投入应用，成为目前世界发展最快的AMR市场。2007年部分省市电力公司又重新启动居民用户集中抄表系统工程，中国将至少具有十年的AMR发展黄金时期。随着智能化小区的建设的推广，三表自动抄表系统在我国已逐渐普及，但由于种种因素，绝大多数自动抄表系统却都未能正常运行，投了自动抄表系统的钱却仍用人工抄表的现象仍较为普遍。如果这种情况不能得到有效解决，自动抄表行业必将受到严重影响，其负面影响将波及到房地产行业、自来水等专业公司、智能化产业以及广大居民的日常生活。第七章 基于GPRS的远程抄表系统总体设计本章通过对远程智能抄表系统的性能要求进行分析，在综合当前多种通信模式的优缺点的前提下，采用了GPRS通讯方式，随后详细介绍了GPRS的原理及构成，最终在经过方案的论证与选择之后，确定了远程抄表系统的总体设计，并给出了系统整体的框图。7.1 设计方案论述与选择7.1.1 方案论述通信是自动抄表技术中的关键，也占据了投资的大部分。因此，方案的选择主要是通信方式的选择。数据通信的设计要综合考虑地理环境、用户用能行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。在国外己有许多发展成熟的自动抄表系统，他们采用的信息传输方式有：电视电缆、电力线载波、无线电波和公用电话网等。自动抄表系统呈现多元化发展，有着多种实现方案，目前比较流行的方案有：（1）电力线载波抄表以电力线作为传输信道，将数据信号调制为高频信号叠加在电力线上进行通信。此方式无需另外布线、易施工、成本低、与电网建设同步。目前国内10kV以上电压等级的高压电力线载波技术已较成熟，但低压电力线载波还未能达到令人满意的水平，制约了电力线载波抄表在我国的应用。原因在于电力载波信号存在着脉冲干扰，传输距离越远，信号衰减越大。低压电器电磁兼容性的控制尚不十分严格，低压电力线上存在的电磁污染严重，干扰大，影响载波通信的质量；另外，用户负载千变万化造成网络传输特性复杂多变，难以用准确的数学模型加以表征。因此，抗干扰是低压电力线载波技术必须克服的问题。（2）总线抄表总线通信是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式，其数据传输速度较快，可靠、稳定，通信质量高。目前使用的总线通信方式有RS-232、RS-485、LonWorks等。但这种方式布线工作量大，通信信道易遭外界因素破坏，信道后续维护工作量大。（3）红外抄表抄表员将录有用户信息的红外手持抄表器拿到居民区数据集中器附近，通过红外通讯方式集中采集各耗能表的数据，然后返回主站将数据传输到计算机中。这种方式在红外可视距离内能非接触的读取仪表数据，操作简单方便，实现较可靠，且成本较低，被众多的软件和硬件平台所支持。其缺点是速率较低，易受外界环境的影响。（4）GSM短信息抄表GSM短信息抄表系统在用户端安装集控器和无线发射终端，将用户的耗能数据通过GSM网以短信息（SMS）的形式上传到GSM网的SMS中心，SMS中心将接收到的数据通过专线传递给能源管理部门。GSM短信息抄表不占用话音通信的信道，费用低。GSM网的覆盖面几乎遍及全国，故不需要建新基站，抄表不受距离和空间的限制。但每条短信息通信容量有限，系统实时性及可靠性较差，可能发生信息拥塞和丢失现象，不适合在业务量大的系统中应用。（5）GPRS抄表GPRS抄表系统通过GPRS网连接到Internet网与主站计算机进行通信。用户的耗能数据经过GPRS发射模块处理、协议封装后发送出去，由GPRS接收模块接收经Internet网络传送至主站，实现用户耗能数据和主站的实时在线连接。GPRS以GSM网络为基础，采用分组交换的高效率传输方式，克服了GSM电路变换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的GSM网络资源。它的传输速率高，接入时间短，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本，特别适合突发性小流量数据传输。7.1.2 方案选择结合国内外抄表系统的发展，在自动抄表技术应用到的所有通信模式中，各种方案都存在着不同程度的缺陷，尤其是我国目前的燃气网络问题很多，因此任何一种采用单一技术的通信方案都很难完全满足客户的多重要求。即使在很大程度上达到了要求，但须付出的代价也难以承受。为解决这类矛盾，本文提出了复合通信方案。所谓复合通信方案，就是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式。根据抄表系统的结构及传输距离，系统的通信分为底层通信和上层通信。对于数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段（耗能表到采集器，采集器到集中器）可以使用有线通信，以保证数据传输速度和质量；对于传输距离较远的上层通信（集中器到主站），则可采用无线通信，减少施工量，节约成本。选择什么样的方式相互配合，需根据实际情况统筹考虑，混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰。在方案论证的前提下，出于对数据传输可靠性的考虑，用户耗能表与采集器，以及采集器与集中器之间传输距离短，系统采用RS