（电力电子与电力传动专业论文）基于zigbee的嵌入式自动抄表系统的研究.pdf

基于z i g b e e 的嵌入式远程自动抄表系统的研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ew i r e l e s st r a n s p o r tt e c h n o l o g yi ns h o r td i s t a n c eh a sb e c o m e t h em o s ta m a z i n go n ea n di ti sd e v e l o p e di nt h eh i g h e s ts p e e d t h ez i g b e en l l st h e v a c a n tp o s i t i o no ft h el o w r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，a n db r i n go u tt h e b e s ti ne a c ho t h e ri na p p l i c a t i o n z i g b e ei sak i n do fn e ww i r e l e s st e c h n o l o g ym a j o r i nt h o s e i ti sn o tp o p u l a rf o ri t sr e c e n ta p p e a r a n c e ，w h i l ei ti sb e c o m i n gp o p u l a ra n da n e wh o tp o i n to fw i r e l e s sr e s e a r c hf b ri t ss p e c i a lc h a r a c t e r s b a s i n go nt h es t u d i e so ft h ez i g b e en e t w o r kt e c h n o l o g y ，i nt e x td e s i g n e dt h e r e m o t em e t e r r e a d i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ea n dc o m p i l e dt h ec o r r e s p o n d i n g s o f ：七w a r et oc a i t yo nt h er e l a t e dd e b u g g i n g ，t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ns y s t e m s r e l i a b i l i t y ，r e a l t i m ea n ds e c u r i t y i no r d e rt or e d u c et h ew a t tc o n s u m p t i o no ft h e r o u t e r 、et a k et h e1 阡e e + a o d v jra st h er o u t e ra r i t h m e t i ct o k e e pt h ep o w e r c o n s u m p t i o ns m a l l e ri nf o u n d i n gt h es t a rn e t w o r k t a k e i n ga r ms 3c 2 41oa st h ec o r e w h e nd e s i g n e dt h eb a s es t a t i o n ，a n dc o l l e c tt h em e t e rr e a d i n gd a t at h r o u g ht h eb a s e s t a t i o n t h r o u g hg p r s g s mm o d u l ew ea c h i e v et h eb a s es t a t i o n s ，m e t e rr e a d i n gd a t a c e n t e r sa n dr e a l t i m ec o n t r 0 1 b e s i d e s ，am e t e r r e a d i n gs y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e d t h r o u g hm a k i n gt h es i n g l ep o i n tt ot h es i n g l ep o i n ta n dt h es t a rn e t w o r kd a t a t r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ，w eh a so b t a i n e dt h e e m p i r i c a l d a t u m r e g a r d i n gt h e a g r e e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，t h es y s t e mf e l i a b i l i t ya n dt h ep o w e rl o s ss i t u a t i o nh a dt h e o v e r a l la s s u f a n c e ，h a sb u i l tt h es o l i df o u n d a t i o nf o rt h ez i g b e et e c h n o l o g y sf u r t h e r r e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o n t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o nc e r t i n c a t e st h a ts c h e m eb r o u g h tf o r w a r di s c o n s c i e n t i o u s l yf e a s i b i e ，a d o p t i n gt h ez i g b e et e c h n o l o g yt h e r ea r es e v e r a la d v a n t a g e s u c ha s ：e c o n o m y r e s o u r c e ， c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y a n de a s yt o m a n a g e b a s es t a t i o n sa n dt h e s y s t e mm a k eu s eo fm o r em a t u r es y s t e m so f g p r s g s mn e t w o r kt oc o m m u n i c a t e ，i tm e e t sr e a l t i m et os u c hr e q u i r e m e n t sw i t h l o wc o s t s k e yw o r d s ：m e t e rr e a d i n gs y s t e m ；z i g b e e ；i e e e8 0 2 15 4 ；a m r ；u c l i n u x ；c c 2 4 2 0 i i 硕十学位论文 插图索引 图2 1 一般抄表系统的构成4 图2 2 公众电话网自动抄表系统的结构图6 图2 3 电力线载波远程自动抄表系统的结构图6 图2 4 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的结构图7 图2 5 基于短消息方式的远程自动抄表系统的结构图8 图3 1 几种无线通信技术的速率距离比较1 2 图3 2 星型网络结构1 4 图3 3 簇一树型拓扑1 4 图3 4 网型网络15 图3 5 典型的zig b e e 协议节点硬件2 0 图3 6z i g b e e 协议栈体系结构。2 1 图4 1 总体结构图2 5 图4 2c c 2 4 2 0 芯片及其外围电路图2 7 图4 3 脉冲取样模块基本原理图2 8 图4 4 终端节点及硬件组成框图2 8 图4 5 控制器硬件设计整体框图2 9 图4 6 多跳路由选择示意图一3 0 图4 7 嵌入式系统电源电路31 图4 8 嵌入式系统复位电路3 2 图4 9 嵌入式系统fia s h 存储器接口电路一3 2 图4 10 嵌入式系统s d r a m 接口电路3 4 图4 11 嵌入式系统r s 2 3 2 接口电路3 4 图4 1 2 嵌入式系统j t a g 接口电路3 5 图4 13r s 4 8 5 通讯接口电路3 6 图4 14g s m g p r s 电路图3 7 图5 1 交叉开发环境3 9 图5 。2 嵌入式的软件开发流程= 4 0 图5 3 驱动s p - w ri t e 函数的流程图4 3 图5 4zig b e e 树型结构4 7 图5 5 节点及脱离网络握手示意图4 9 图5 6 网络构成分析5 0 图5 7 消息应答5 1 基于z i g b e e 的嵌入式远科自动抄表系统的研究 图5 8 抄表管理系统软件图5 3 图5 。9 串口助手的显示界面5 4 图5 1 0 单点对单点通讯显示界面5 4 图5 1 l 串口调试输入界面5 6 图5 12 系统组网实验图5 6 图5 13 数据包采集界面5 6 图5 1 4 户信息表参数设置5 8 图5 1 5 系统管理软件界面5 9 图5 1 6 无线节点系统测试硬件图5 9 i v 硕士学位论文 附表索引 表3 1ie e e 8 0 2 1 5 4 定义的设备类型1 3 表3 2z i g b e e 协议的设备类型1 3 表3 3a p l 常用原语函数2 2 表4 114 针j t a g 接口定义3 5 表5 1 上位机与控制器通讯格式4 4 表5 2 控制器与仪表通讯格式4 5 表5 3 路由状态表4 9 表5 4 数据通信帧格式5 4 表5 5 单点对单点测试5 5 表5 6 星形网络测试5 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究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后果由本人承 担。 作者签名：导圣旅 日期：御年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：知哆年厂月，日 日期：稗莎月，日 硕十学位论文 第1 章绪论 随着社会的不断发展进步，越来越多的控制、采集仪表被引入到人们的生产生活中 来，由于各种仪表在各种场合应用的不断增多，人们对仪表的数据采集、仪表的管理也越 来越关心的问题i lj 。 早期的抄表方法都是抄表员现场手动抄表。这种抄表方式在仪表数量相对较 少、仪表位置相对集中的情况下效果很好。但在仪表数量较多、仪表位置比较分 散的情况下，这种传统的手动抄表方式存在着许多缺点【2 j ：例如在工业现场，一 些仪表可能被放置在距离很远或者是工作环境很恶劣的地方，这些都很不利于抄 表人员去现场手动抄表：如果某个仪表发生故障，工作人员也将很难发现；传统 的仪表手动抄写消耗大量的人力物力，效率低下。手动抄表不仅劳动强度大、效 率低，还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题。所抄 的数据要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化管理系统的 先进性【3 1 。 随着计算机、通信、网络技术的综合发展，人们进入了高度发达的信息社会。 在这样的背景下，八十年代诞生于美国的自动抄表( a m r ) 技术在世界各地得到了 迅猛的发展，它已经成为一门新兴的产业。自动抄表一一a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ， 简称a m r ，是指采用通信、计算机等技术，通过专用设备对各种仪表( 如水表、 电表、气表等) 进行自动采集和处理表计数据【4 1 。它一般是通过数据采集器对表具 的脉冲进行计数，然后通过传输控制器将信息传至计算机中心，由计算机对数据 进行处理、显示、存储、打印。必要时还可以通过网络和营业收费系统相连实现 抄表收费一体化【5 1 。自动抄表系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多 问题，并且提高了工作效率和数据的准确性。随着近年来计算机技术、网络技术 和微电子技术的飞速发展，越来越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降 低设备成本，提高可靠性、准确性和抄表效率，己展现出十分广阔的应用前景【6 】。 1 1 国内外自动抄表系统现状 8 0 年代中期以来，美国在a m r 技术的开发和应用上就己取得了长足的进步， 9 0 年代中期自动抄表技术应用己成规模吲：美国匹兹堡市的d u q u e s n e 电灯公司于 1 9 9 8 年己实现在其供电的8 0 0 k m z 区域内5 6 60 0 0 个电能表上安装自动抄表系统； 对西雅图和奥林匹亚供电的p s e 公司约有1 5 0 万个电能表，2 0 0 5 年已完成9 3 00 0 0 单元自动抄表装置的安装。根据a m r a2 0 0 5 年的s c o t t 报告，美国己安装和投 用抄过5 0 0 万单元自动抄表系统的电力公司有a m e r eu e 公司、p r e p a 公司、n s p 基于z i g b e e 的嵌入式远稃自动抄表系统的研究 和p e c o 公司。调查表明自动抄表系统在北美电力公司中4 5 己安装，1 6 在试点， 2 3 己列入计划【8 】。 欧盟各国都有自动抄表实施的报告。例如，英国2 0 0 4 年就己经实现对大约 8 0 万用户的电量进行数据采集。比利时i n t e r t e c t r a 公司在2 0 0 3 年就已用s i e m e n s 的s e m m s 系统对8 0 0 0 0 多用户自动抄表1 9 j 。 此外，拉美和日本也有自动抄表应用的报导。如今，在美国、加拿大、日本 和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，尤 其是煤气表的自动抄表，己经相当普及【l0 1 。 无线通讯技术的进步大大推动了无线自动抄表系统的发展。因此，参照国内 外的发展状况，结合客户和环境的要求，因地制宜地设计并实现自动抄表系统具 有很大的社会价值和经济价值。 目前国内外抄表方式主要人工抄表、有线抄表系统及无线抄表系统f 1 1 1 。人工 抄表具有抄表强度大、效率低、入户抄表繁琐、管理负担重等缺点。有线抄表系 统虽然能够解决人工抄表的弊端，但布线安装繁琐，成本高，且线路已受损，系 统扩展性差【1 2 】。而随着电子技术的快速发展以及管理要求的提高，基于z i g b e e 无 线技术抄表系统以其技术先进、易于实现、功耗较低、可靠性高、成本造价低、 易于普及等优点，将成为未来自动抄表系统发展的必然趋势。 1 2 本文的选题意义 近几年来，能源供应日益紧张，因此如何控制能源的有效使用具有十分重大 的战略意义。自动抄表系统作为能源营业管理自动化的一个重要手段和组成部分， 其研究应用具有十分重要的现实意义。目前实际应用的自动抄表系统的通信介质 都采用总线方式的，尤其是国内目前比较流行的r s 4 8 5 总线，其复杂的布线会对 用户家中的装修造成很大的破坏，这在很大程度上影响了自动抄表系统的推广应 用，所以迫切需要寻求一种无线的解决方案【l 引。 由于目前国内应用的绝大多数系统采用的协议是户用计量仪表数据传输技 术条件( 国标) ，己有的各种编码式远传户用仪表也都支持这一协议i l 引。如果要 抛开这一切重新设计所有的软硬件，那将是一笔很大的成本。因此，如何最大程 度的利用已有的有线抄表设备( 包括用户端的测量仪表、总线网络、集中器、集抄 器和管理中心端的软硬件设备) ，同时又能解决有线自动抄表系统带来存在的布线 问题，这样的无线自动抄表系统将具有非常巨大的市场前景i l 副。 1 3 本文的主要内容 本文是针对通用型自动抄表系统在应用中存在的问题，设计了基于z i g b e e 2 硕士学位论文 无线网络的嵌入式自动抄表系统。是一种集控制、采集、通信及传输等功能为一 体的嵌入式控制系统。这是一种全新的无线远程自动抄表系统，本系统根据无线 z i g b e e 网络传输原理，运用嵌入式系统技术与无线通讯网络技术，实现了一个在 无线通讯网上基于a r m 的远程网络自动抄表系统。同时该系统移植了u c l i n u x 实时嵌入式操作系统，能够实时地处理多任务，大幅提高系统的管理能力，这也 是传统前后台系统所不能比拟的。 全文共分六个章节。 第一章为绪论部分。首先对抄表系统的分类、国内外研究现状作了介绍和分 析，并归纳出本文的研究意义和内容安排。 第二章为自动抄表系统的研究部分。首先分析了其结构、工作机制，对其通 信协议进行了详细的介绍、比较。 第三章为无线通信部分。介绍了无线通信技术的基本知识，并对近距离无线 通信的现状和已有的一些协议作了进一步的探讨，对其中的z i g b e e 技术从参考模 型、逻辑设备、拓扑结构、协议结构等方面进行了较详细的介绍。 第四章为基于z i g b e e 协议的无线自动抄表系统方案设计。本章提出对集抄器 一一终端仪表间通信部分进行z i g b e e 无线网络改造，对其网络中的协调器、路由 器、终端节点的系统模块提出了设计方案，并对其网络中的z i g b e e 协议和有线协 议之间的兼容，提出了解决方案。而对于集抄器和抄表中心之间通讯采用常用的 g p r s g s m 网络来实现实时的数据传送和控制。 第五章为自动抄表系统软件设计部分。从已有的有线自动抄表系统软件设计 基础出发给出了基于l i n u x 平台下的无线自动抄表软件的详细分析和设计。 第六章是结论与研究展望。对本文的工作进行总结和分析，并且提出进一步 研究工作的方向和方法。 兰! ：坚! = 竺坚全銮兰生i 垫= = 耋垂鎏竺坐銮 第2 章抄表系统概述 2 1 远程自动抄表系统的基本组成 自动抄表系统一般由计量表、数据采集器、传输控制器、管理中心计算机四 级构成，如图2l 所示。 三厚：争i l i 学一镀三釜 图2l 一般抄表系统的构成 i 计量表：指用户使用的电表、水表、气袁，般分为传统机械型和脉冲输出 型两种。机械式表需要加装传感器，脉冲输出型则可以卣接输出脉冲信号到数据 采集器，使得系统的设计很方便【”j 。 2 数据采集器：负责对计量表发山的脉冲进行采集处理存贮结果，同时将得 到的数据送至传输控制器；并接收传输控制器发来的各种操作命令。采集器既可 以做成一表# 用型，也可以做成多表通用型。前者只能采集、存储一块计量表的 数据，后者则可以同时采集、存储多块计量袁数据【l ”。基于节约成本的考虑，我 们设计的就是这种类型。 3 传输控制器：主要完成两项任务，是完成与采集器的数据通讯工作，定时 或实时抄录采集器内计量表的数据，或根据系统要求接收某个计量表的数据，并 将数据存储在存储器内，供计算机随时调用。另外一个任务就是根据系统要求完 成与管理中心计算机的通信，将用户仪表数据等管理中心需要的信息传送到管理 中心数据库。传输控制器可根据采集器的多少来确定个数，它与采集器间的通讯 方式也有多种，常见的有4 8 5 总线；与管理中心汁算机通讯线路也有电话、无线、 卫星、网络、g p r s ，g s m 等多种方式，后面将逐一介绍【2 。 4 管理中心计算机：调用传输控制器内计量裘的数据，将数据处理、显示、存 储、打印，并向控制器发出各种操作指令，对其设置各种通讯、操作参数。系统 w 坠1 曼 ，b 一 蒜赢叠啦。一乒油蠹 一 。一 。一l 到一嚣 工夏 蠢 硕士学位论文 一般具有查询、管理、自动较时、定时或实时抄表、超载报警、断线检测功能。 如果与营业网联网，还可以进行费用结算、票据打印、统计报表、实时收费等功 斛2 1 1 。 由于系统中有控制命令和仪表数据需要传送，其通讯方式的选择就显得特别 重要。本章先就自动抄表系统中常用的各种通讯方式进行分析，包括集中控制器 与集抄中心之间的上层通讯和底层仪表数据采集需要的底层通讯，然后综合比较 各种通讯方式的特点。 2 2 几种常见的远程自动抄表系统 远程自动抄表系统有两个特点【2 2 】：一是系统的覆盖面很广，具有分散性；二 是用户数量多，信息数据量较大。这些特点对系统所采用的通讯方式提出了较高 的要求：方面能将数据及时准确地传送，确保数据的实时性和安全性；另一方 面又要求成本不能太高，而且还要有较强的抗干扰能力。随着电子技术、网络通 讯技术的快速发展，目前出现了多种通讯方式可供选择。各种方式的性能、特点、 成本也各不相同，针对不同的要求和不同的客观条件，远程自动抄表系统的设计 也可以选用不同的通讯方式。下面对国内外常见的远程自动抄表系统所采用的通 讯方式进行分析f 2 3 1 。 2 2 1 公用电话网自动抄表系统 公众电话网p s t n ( p u b l i cs w i t c ht e l e p h o n en e t w o r k ) 自动抄表系统利用电 信系统铺设好的公共电话网作为载体，只需在终端仪表和抄表中心服务器上安装 调制解调器( m o d e m ) ，就可以利用电话网进行数据传输，其通信速率可达2 4 k p s ， 9 6 k p s 甚至5 6 k p s ，它是最早出现的远程自动抄表系统【2 引。 采用公众电话网的远程自动抄表系统的工作流程为：抄表中心计算机发出数 据接收指令，通过m o d e m 拨号上网将指令发给数据集中器，数据集中器根据指 令选择接通电路。接通电路的仪表数据通过数据采集器，由专用m o d e m 汇集到 数据集中器，然后通过公众电话网返回给抄表中心计算机。公众电话网自动抄表 系统的结构图如图2 2 所示。 公众电话网自动抄表系统最大的优点是采用现有的电话网，不必另外投资建 网，只要两地能通电话即可完成抄表和监控，节省系统建设的成本。公众电话网 抄表的技术己经比较成熟，信号的传输比较稳定，传输误码率低，抗干扰能力较 强，而且每个数据集中器的地址不同，确保了数据通讯的准确无误【2 5 1 。 这种方式的主要缺点是：线路的连通时间较长，需要几秒甚至几十秒；数据 传输速率较低，不适用于需要频繁抄送数据或者数据较大的系统；受限于电话网 的铺设场所，应用的地区有很大的局限性；抄表中心的计算机频繁的拨号读数形 5 兰2 j 坚! ：塑：鉴：奎= 崔! 翌2 奎耋釜旦： ：j f “ f 砖。囤”一。，。 嗵l l j | t 暑一 荔 _ i i 一 o 曼凳_ ；h 到 但目前在我国。电力网污染比较严重，在很大程度上影响了电力线载波的数 据传输质量。简单地说，影响电力线载波传输质量主要有两个因素2 9 】：一个是电 力网络的阻抗特性及其衰减：另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传 输距离，第二个因素决定着数据传输的质量。正是这些技术难题使得电力线载波 技术在传输距离和准确性方面难以实现突破，导致自动抄表系统很难真正地在国 内推广应用，目前只有一些试点。 2 23 无线自动抄表系统 前面两种远程自动抄表系统，无论是以公众电话网还是以电力线作为传输媒 介，它们都有一个共同点，就是需要依靠事先铺设的物理线路。对于一些无法铺 设物理线路的区域来说，这两种并不适合。随着无线通信技术的快速发展，人们 开始将无线通信技术引入到远程自动抄表系统中来。 无线通信是种广域通信手段，不需要铺设物理线路，以双工方式工作，适 _ h j 于分布范围比较广、比较分散的终端。目前在我国研究比较多的无线远程自动 抄表系统有两种【圳：一种是基于射频通讯方式的无线自动抄表系统：另一种是基 于g s m g p r s 网络的无线自动抄表系统。下面分别介绍这两种无线抄表系统。 2 2 31 射频通讯无线抄表系统 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的工作流程为：基站控制无线射频设 备发出呼叫命令，各仪表、数据集中器收到命令后进行地址对比，如果与自己的 地址相符则发出应答信号，完成数据链路的建立，进行数据通讯。基于射频通讯 方式的无线自动抄表系统的结构图如图2 4 所示。 融7 l 一一：岛 。 i ! 固嚣 囊。彳一u 吾吾函 。西 叠蔷矗画画画 图24 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统的结构图 基于射频通讯方式的无线自动抄表系统利用现有负荷控制系统资源，节约资 金投入，实现自动抄表，同时通过网络连接实现真正的营销抄、核、收一体化， j 主要优点自吲： 丛jz 1 2 b e e 旧嗽八式远程自动抄表系统j ! f 究 ( 1 ) 不受环境限制，不需要额外铺设专用线路和其他专用通讯设备，节约了成 本； ( 2 ) 数据采集器可以采用中继技术覆盖j l 阔范围的仪表设备； ( 3 ) 安装调试方便，设备现场仅需安装无线射频模块的仪表终端，方便施工。 但使用无线射频的通讯方式，也存在着无线通讯的距离受射频模块的发射功率影 响，如果距离过长，需要采用中继器的方法解决，增加了成本，增加了数据的延 迟。 这种通信方式的使用场合有一定的限制，多用于电力负荷大的无线点监控及 用电管理系统中。此外无线远程自动抄表系统还需要符合我国电力部标准 “d l t 6 4 51 9 9 7 通讯公约”川。 2 2 3 2g s m g p r s 网络的无线抄表系统 利用当今功能完善的g s m o p r s 全球无线通信网及功能强大的通信模块，借 助手机短信这个载体可实现数据的远程传输，由于g s m g p r s 已经相当成熟，稳 定，与之相配套的g s m g p r s 模块也具有很强大的数据通信功能，加上电信系统 的手机短信服务方便快捷，使得用其传输数据具有现实可能性p 。 基于短消息方式的远程自动抄表系统就是利用电信部门提供的s m s 功能实 现仪表数据的远距离传送，只需将具有s m s 服务功能的g s m g p r s 模块装到每 只集l 】控制器和管理中心计算机上，就可以实现远程无线抄表。在实际抄袭过 程巾，由管理中心计算机发送抄表命令，抄袭命令被封装成短消息格式发给远端 仪表或是数据集中器，远端仪表或是数据集中器再把相应的仪表数据以短消息的 格式返回给管理中心计算机，从而完成抄表过程。基1 。短消息方式的g s m o p r s 远程自动抄表系统的结构图如图25 所示【3 ”。 涵 睡一 图25 基千g s h g p r s 方式的远程自动抄表系统的结构图 基于短消息方式的远程自动抄表系统具有以下几个优点【3 6 1 ： 固 乏。糕 胤 一一谚垂 黑百 硕士学位论文 ( 1 ) 系统结构简单。系统由主站和抄表终端两部分组成，利用现有的 g s m g p r s 网络，不需要额外的设备，也不受时间、空间的限制。 ( 2 ) 安装、维护运行方便，对有线网络依赖少。系统安装比较方便，只要在设 备仪表附近安装带g s m g p r s 模块的数据采集装置即可。此系统基本不需要任何 维护工作。 ( 3 ) 覆盖范围广。只要在g s m g p r s 网络能覆盖到的范围内，都可以快速地建 立一个远程自动抄表系统。 ( 4 ) 运行成本低。只需支付短消息费用，无需支付其它运行维护费用。 考虑到以上两种无线通讯方式的抄表系统的基本原理，本文采用电表数据采 集数据和电表信息都通过z i g b e e 无线网络来实现表具和集中控制器的数据通讯， 而集中控制器和远方的抄表中心采用基于g s m g p r s 技术来实现两者之间的数 据传输控制以及实时的监控。这样既利用z i g b e e 无线网络实现了下位表具信息的 采集，避免了有线方式的繁琐和手工抄表的失误，同时通过g s m g p r s 技术实现 了远方抄表中心和集中控制器的实时的控制。便于分时计费可实时控制，从而有 效实现远程抄表信息的实施。 2 3 ，j 、结 本章为自动抄表系统的研究部分。首先分析了其结构、工作机制，对其常用 的公用电话网、电力线载波以及无线抄表等几种抄表技术进行了详细的介绍、并 进行了其相应的优缺点的分析比较，基于无线通讯技术的飞速发展和普及，本文 采用基于z i g b e e 技术和g s m g p r s 技术相结合的方式来实现远程抄表技术的实 现。从而解决了常用抄表系统中的有线抄表系统的局限性和实时自动抄表系统的 实施，同时也降低了系统的成本。 9 基，z i g b e e 的嵌入式远样自动抄表系统的研究 第3 章z ig b e e 技术及其应用 3 1 z i g b e e 技术简介 z i g b e e 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本 的双向无线通信技术，主要适用于自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f 3 7 1 。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 工作组制定，高层应用、互联 互通测试和市场推广由2 0 0 2 年组建的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飞利浦半导体公 司等组成，已经吸引了上百家芯片公司、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，标准化工作正在转向相关的应用和测试，第一批芯 片和产品已经面市f 3 引。市场分析人士认为到2 0 1 0 年，z i g b e e 设备将达到每年4 3 亿台的市场规模，并在6 7 年内占据三分之二的家庭自动化市场。 z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳z i g z a g 形舞蹈来告知同 伴，达到交换信息的目的，是一种通过简捷方式实现“无线 沟通的方式。人们 借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信 技术，也包含了这种寓意【3 9 1 。 3 1 1z i g b e e 特点 z i g b e e 的特点突出，主要表现在以下几个方面【4 0 】： 低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作6 2 4 个月，甚至更长。这是z i g b e e 的突出优势。相比较，蓝牙仅工作数周、w i f i 可 工作数小时。 低成本。通过大幅简化协议达不到蓝牙的l 1 0 ，降低了对通信控制器的要 求，按预测分析，以8 0 5 l 的8 位微控制器测算，全功能的主节点需要3 2 k b 代码， 子功能节点少至4 k b 代码，而且z i g b e e 免协议专利费。 低速率。z i g b e e 工作在2 0 2 5 0 k b p s 的较低速率，满足低速率传输数据的应 用需求。 近距离。传输范围一般介于10 1o o m 之间，在增加r f 发射功率后，亦可 增加到l 3 k m 。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力， 传输距离将可以更远。 短时延。z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5 m s ， 节点连接进入网络只需3 0 m s ，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3 1 0 s ，w i f i 需要3 s 。 l o 硕七学位论文 高容量。z i g b e e 可采用星形、树形和m e s h 网络结构，由一个主节点管理 若干子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点；同时主节点还可由上一层网 络节点管理，最多可组成6 5 5 3 6 个节点的大网。 高安全。z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清 单( a c l ) 防止非法获取数据，同时采用高级加密标准( a e s l2 8 ) 的对称密码，以灵 活确定其安全属性。 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( i s m ) 段，2 4 g h z ( 全球) 、 9 1 5m h z ( 美国) 和8 6 8m h z ( 欧洲) 。 3 1 2z i g b e e 产品应用 z i g b e e 主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典 型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它 的应用目标主要是：工业控制( 如自动控制设备、无线传感器网络) ，医护( 如监 视和传感) ，家庭智能控制( 如照明、水电气计量及报警) ，消费类电子设备的遥 控装置、p c 外设的无线连接等领域【4 。 一般而言，z i g b e e 技术应用在以下几方面具有显著的优势： 1 需要无线通信交换信息的低成本装置； 2 数据的交换量较小、传输的速率要求不高； 3 功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间； 4 需要多个( 尤其是大量) 设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场 合。 3 2z i g b e e 技术与其他无线技术的比较 目前市场上的无线通信技术主要有无线局域网w i f i 、蓝牙和一些专用标准 ( 如a d - h o c 网等) 的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制 定一些新的无线组网通信技术标准，如无线u s b 、超宽带通信u w b 和w i m a x 等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较。 蓝牙技术发展从1 9 9 9 年起已经历了多个年头，蓝牙( b l u e t 0 0 t h ) 技术专为近 距离无线数据传输而设计，其有效传输距离为1 0 1 0 0 米，传输速率为1 m b p s 。从 蓝牙技术正式公布到现在，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限 制及抗干扰能力差等问题的困扰，没有得到预期的大范围的应用，因此其通讯芯 片以及开发设备价格相对较高。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽 的领域，且互通性方面也存在问题【4 2 1 。 w i f i 在i n t e l 的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用i e e e8 0 2 1 1 b 标准，使用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为1 l m b p s ，并可根据信号 基丁z i g b e e 的嵌入式远氍 1 动抄袭系统的研究 强弱把传输率调整为5 5m b p s ，2m b p s 和lm b p s 带宽；采用最新的8 0 2 1 1 9 时， 速率可达5 4m b p s ，是目前应用最广的无线网络传输协议【4 引。 借助u s b 在p c 上的广泛应用，无线u s b 也受i n t e l 、h p 、微软等几家p c 领域大公司的力推，已于近期制定了无线u s b 规范。使用w i m e d i a 联盟的m b o f d m 超宽带m a c 和p h y 层，通信距离在3 1 0 m ，最高速率在4 8 0 m b p s ，有望 短期内在p c 周边设备的无线连接上得到大量应用【4 4 1 。 u w b 是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的 载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频中频转换模块，实现了低成本、 低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离 5 1 0 m ，速率甚至可高达l g b p s ，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据 传输。 作为w i f i 下一代技术的w i m a x ，被设想成一项无线城域网接入技术，在传 输距离和速度方面均胜过w i f i ，最高接入速率为7 0 m b p s ，信号传输半径可达到 5 0 k m 【4 5 1 。 1 1 0 盟 皇 旃 制 0 譬巨同，灯 图3 1 几种无线通信技术的速率距离比较 从上图可以看出，主要的无线技术都集中在1m b p s 以上的速率，新的标准还 在追求更快的速率；而z i g b e e 恰恰是填补了低速率无线通信技术的空缺，与其他 标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自 动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活，同样具有广 泛的市场。 3 3z j g b e e i e e e8 0 2 15 4 标准 3 3 1i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议使用i e e e8 0 2 1 5 4 规范作为介质访问层( m a c ) 和物理层 ( p h y ) 。i e e e8 0 2 1 5 4 总共定义了3 个工作频带：2 4g h z 、9 1 5m h z 和8 6 8 m h z 。每个频带提供固定数量的信道。例如，2 4g h z 频带总共提供1 6 个信道( 信 道1 1 2 6 ) 、9 1 5m h z 频带提供1 0 个信道( 信道1 1 0 ) 而8 6 8m h z 频带提供l 1 2 硕士学位论文 个信道( 信道o ) 。协议的比特率由所选择的工作频率决定。2 4g h z 频带提供的 数据速率为2 5 0k b p s ，9 1 5m h z 频带提供的数据速率为4 0k b p s 而8 6 8m h z 频 带提供的数据速率为2 0k b p s 。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会 小于规定的比特率【4 6 1 。 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 数据包的最大长度为1 2 7 字节。每个数据包都由头字节 和1 6 位c r c ( 冗余校验) 值组成。1 6 位c r c 值验证帧的完整性。此外，i e e e 8 0 2 15 4 还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊a c k 标 志位置1 的帧，均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。 如果发送帧的时候置位了a c k 标志位，而且在一定的超时期限内没有收到应答， 发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。注意：接收到 应答仅仅表示帧被m a c 层正确接收，而不表示帧被正确处理，这是非常重要的。 接收节点的m a c 层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源， 该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应【4 。 3 3 2 设备类型 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两种设备类型。表1 中给出了定义的设备类型，表2 中 列出了z i g b e e 协议中的三种设备类型，以及他们与i e e e 设备类型的关系【4 8 1 。 表3 1 le e e8 0 2 15 4 定义的设备类型 设备类型提供的功能供电电源接收器配置 全功能设备( f f d )所有交流电空闲时开启 简化功能设备( r f d )受限