【正文】 ，是一組基于IEEE 、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。3) 可靠性和安全性：在無線抄表系統(tǒng)中，通信的可靠性是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，如何更好地解決和避免通信中數(shù)據(jù)的碰撞和沖突是十分重要的。這些典型的應(yīng)用要求在無線抄表系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都最小化自身的能量消耗，獲得最長的工作時(shí)間。對于單個(gè)用戶來說，其所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量少、傳輸速率低、實(shí)時(shí)性要求不高。3) 受限的無線傳輸帶寬：無線抄表系統(tǒng)采用無線傳輸技術(shù)作為底層通信手段，由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的帶寬相對有線信道要低得多。但是這種方式的數(shù)據(jù)輪詢時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而線性增加，所組建的無線網(wǎng)絡(luò)的自管理功能非常有限，增加或者減少節(jié)點(diǎn)，都需要人工去修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫配置；節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也常常需要人工去診斷等等。 無線通信技術(shù)1) 紅外線：在紅外線可視范圍內(nèi)，能非接觸地讀取儀表數(shù)據(jù)，操作簡單方便，實(shí)現(xiàn)較可靠，且成本較低。這種方式可以做到全自動抄表，且達(dá)到極高的準(zhǔn)確率。2) RS485總線：是目前國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)采用較多的一種通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸速度較快，可靠、穩(wěn)定，通信質(zhì)量較高。 216。這些技術(shù)和產(chǎn)品在國外運(yùn)行情況良好，但在國內(nèi)的運(yùn)行情況就令人不甚滿意。像美國已經(jīng)開始使用車載自動抄表系統(tǒng)。對于電力行業(yè)，越來越多的用戶希望采用安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠、安裝簡便、容易維護(hù)的抄表系統(tǒng)。發(fā)展電能自動抄表技術(shù)是提高用電管理水平的需要，也是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。實(shí)現(xiàn)自動抄表主要有兩種方式：一種是通過表本身來解決，即是采用IC卡式的表。以某城市為例，國家規(guī)定供水漏收率為8%，而實(shí)際漏收率大于14%，即可增收1000多萬元。3) 管理費(fèi)用開資過高：如10萬戶燃?xì)庥脩?，抄表和管理人員有4080人，年費(fèi)用近100多萬元。這種收費(fèi)方式，存在著許多弊端。本文在單跳方式的基礎(chǔ)上，提出了一種自動搜索的尋的算法，通過中繼的轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)多跳，擴(kuò)大覆蓋范圍?；诜涓C網(wǎng)絡(luò)的無線抄表系統(tǒng)摘 要長期以來，三表數(shù)據(jù)抄送問題都是相關(guān)供應(yīng)部門非常想解決但又得不到切實(shí)解決的問題。關(guān)鍵詞：無線抄表，組網(wǎng)，射頻芯片，自動搜索WIRELESS METER READING SYSTEM BASED ON NETWORKABSTRACTFor a long time, how to read meters’ data is a question that the government wants to solve quickly. Automatic meter reading system is very important because it’s the original data. The data which is exact and timely is very important. For the moment, automatic meter reading system based on wireless RF chip all use one jump munication. For its limited send power, the covered area is very limited so that there are many blind spot. This article is based on multijump munication and via relay to spread the covered area.Key Words: wireless meter reading, network, RF chip, automatic searchii 目錄摘 要 iABSTRACT ii第一章 緒論 1 自動抄表的背景 1 自動抄表的通信方式 3 無線抄表技術(shù)的特點(diǎn)及面臨的問題 4 ZigBee簡介 6 ZigBee技術(shù)簡介 6 ZigBee技術(shù)特點(diǎn) 8 本文的主要研究工作及各章節(jié)安排 9第二章 無線通信的主要技術(shù) 11 介質(zhì)及頻段選擇 11 調(diào)制技術(shù) 12 擴(kuò)頻技術(shù) 14 直接序列擴(kuò)頻 16 跳頻 16 跳時(shí) 17 線性調(diào)頻 17 本章小結(jié) 18第三章 無線抄表方案 19 課題研究的意義 19 信道接入概述 20 尋的算法 21 窮舉法 21 區(qū)域算法 21 分區(qū)自動搜索算法 23 本章小結(jié) 25第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 26 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 26 無線收發(fā)模塊 27 芯片的選用 27 CC1100應(yīng)用電路 30 脈沖采集的可靠性設(shè)計(jì) 32 高速PCB電路的可靠性設(shè)計(jì) 33 掌機(jī) 35 控制芯片的選型 35 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 35 系統(tǒng)的主要參數(shù) 41 本章小結(jié) 41第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 42 程序的模塊化設(shè)計(jì) 42 無線模塊軟件的設(shè)計(jì) 42 掌機(jī)軟件的設(shè)計(jì) 43 終端軟件的設(shè)計(jì) 44 本章小結(jié) 45第六章 總結(jié)與展望 46 實(shí)地測試結(jié)果 46 工作總結(jié) 46 展望 47參考文獻(xiàn) 48附錄 52致謝 53攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄 54第一章 緒論 自動抄表的背景長期以來，三表數(shù)據(jù)抄送問題都是相關(guān)供應(yīng)部門非常想解決但又得不到切實(shí)解決的問題。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1) 入戶難：由于居民生活水平的提高、家庭財(cái)產(chǎn)價(jià)值越來越高、越來越重視隱私權(quán)等原因，用戶不希望被人打擾；加之社會上不法分子乘機(jī)冒名入室搶劫，極易引發(fā)社會治安問題；同時(shí)入戶抄表只能在早、晚居民休息時(shí)間，抄表人員實(shí)際可利用抄表時(shí)間較短，因而使抄表率、收費(fèi)率達(dá)到專業(yè)公司要求很難，水、電、氣費(fèi)漏抄、欠收、漏收嚴(yán)重，實(shí)際收費(fèi)遠(yuǎn)低于統(tǒng)計(jì)值，費(fèi)用流失嚴(yán)重。特別是隨著城市的發(fā)展，抄表收費(fèi)問題更為突出，嚴(yán)重制約了相關(guān)企事業(yè)單位的發(fā)展。由此可見，傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，導(dǎo)致了相關(guān)營銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。比如用戶在售電機(jī)上買電后插入自己的表中即可用電，預(yù)先將使用的電量記錄在售電機(jī)中，實(shí)行先買電后使用；另一種就是利用自動抄表系統(tǒng)來解決。在用電管理方面，采用自動抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，更重要的是可提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計(jì)而造成帳單出錯(cuò)，使供用電管理部門能及時(shí)準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)信息。縱觀國外自動抄表技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)國家目前主要以集中抄表，銀行結(jié)算為主。抄表車主要按一定路線行駛，就可把用戶的數(shù)據(jù)接收過來。究其原因，是我國的供電質(zhì)量和社會環(huán)境造成的。 有線通信技術(shù)1) 低壓載波抄表：這種方式是利用現(xiàn)有電傳輸網(wǎng)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，無須另外布線，純數(shù)字通信。但布線工作量大，通信信道易受外界因素破壞，且被損壞后故障排除困難，信道后續(xù)維護(hù)工作量大。但是行業(yè)依賴性太大，受有線電視電話網(wǎng)分布的制約。但信息傳輸距離較短，對方位性要求高，且系統(tǒng)的自動化程度較低。這兩大類抄表系統(tǒng)各有其適用的應(yīng)用范圍，但就抄表系統(tǒng)的投資、建設(shè)、維護(hù)等幾方面而言，無線抄表系統(tǒng)顯然具有更大的優(yōu)勢。此外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的沖突、信號衰減、噪聲和信道之間干擾等多種因素，移動終端得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論上的最大帶寬。由此可見，無線抄表系統(tǒng)對無線通訊數(shù)據(jù)的傳輸和保存有著很高的要求，即數(shù)據(jù)可靠性要求很高；由于用電池供電，對功耗的要求也很苛刻；無線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的辦法，利用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)；基于以上原因，要求設(shè)計(jì)的自動無線遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)應(yīng)該具有計(jì)量準(zhǔn)確、通信可靠、抄表方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，以及節(jié)省人力、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)的功能。2) 低成本：無線抄表系統(tǒng)由成百上千的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格將極大地影響系統(tǒng)的成本。其次，系統(tǒng)的安全性也是必要的，由于采用無線信道通信，它更加容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)、剝奪“睡眠”等攻擊。ZigBee最顯著的技術(shù)特點(diǎn)是它的低成本、低功耗、無線自組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)容量大。能夠提供250kbps的傳輸速率；868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段。另外MAC層采用CSMACS機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。為了降低系統(tǒng)成本，IEEE ：1) 全功能設(shè)備（FFD）：支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，與任何其他設(shè)備對話，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的FFD或精簡功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)1) 設(shè)備省電：ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)點(diǎn)的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間；2) 通信可靠：ZigBee采用了CSMACA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；3) 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作；具備自組織、自愈能力的無線通信網(wǎng)絡(luò)才是自動抄表系統(tǒng)最理想的通信方式；4) 成本低廉：設(shè)備的復(fù)雜程度低，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的，這些可以有效地降低設(shè)備成本；ZigBee的工作頻段靈活，就是沒有使用費(fèi)的無線通信；5) 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在200多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；6) 數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。但是就目前來說，由于芯片和相關(guān)開發(fā)套件的價(jià)格都很高，要推廣和進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。第三章 無線抄表方案分析了現(xiàn)有無線抄表方案存在的問題，提出了課題研究的意義。第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)介紹了程序模塊化設(shè)計(jì)的重要性。電磁波是最主要的無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下無線通信。無線電波的傳播特性與頻率有關(guān)，在較低頻率上，無線電波能輕易地通過障礙物，但是能量隨著與信號源距離的增大而急劇減小，大致為 ；在高頻上，無線電波趨于直線傳播并受障礙物的阻擋，還會被雨水吸收。采用無線電波作為無線通信的傳輸介質(zhì)是目前應(yīng)用最多的，這主要是因?yàn)闊o線電波的覆蓋范圍較廣，應(yīng)用較廣泛。ISM頻段即工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段。 調(diào)制技術(shù)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實(shí)現(xiàn)的。2) 電波有效輻射：根據(jù)無線電波傳輸原理，為了有效地把電磁能量耦合到空間，天線直徑或長度至少與傳輸信號波長相當(dāng)。4) 減小干擾：因?yàn)楦蓴_信號的時(shí)間、頻譜位置是不斷變化的，可以通過調(diào)制減小干擾的影響，實(shí)現(xiàn)通信；另外，調(diào)制還可以將信號安排在人們特意設(shè)計(jì)的頻段中，是濾波、放大等變得容易實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化。無線通信信道具有以下基本的特征：1) 帶寬有限：它取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性。然而簡單的ASK、PSK和FSK因傳輸效率低而無法滿足移動通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高的調(diào)制方式，盡可能地提高單位頻率內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特率，以適用于無線通信的窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｄ壳皬V泛應(yīng)用的頻率鍵控方法主要有最小頻移鍵控（minimum shift keying，MSK）和高斯濾波最小頻移鍵控（gaussian filtered minimum shift keying，GMSK）。MSK信號以其恒包絡(luò)、連續(xù)相位、帶外輻射小、便于在非線性信道中傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。擴(kuò)頻采用高速編碼技術(shù)，擴(kuò)展傳輸信息的頻帶寬度，使傳輸信息的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身所占的帶寬。第一，信號的頻譜被擴(kuò)展了。第三，接收端采用相關(guān)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)。和的互換是通過改變信號波形實(shí)現(xiàn)的，即采用高速編碼技術(shù)，這就是擴(kuò)頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)。由此可見，擴(kuò)頻通信具有擴(kuò)頻碼調(diào)制和信號相關(guān)處理兩大特點(diǎn)。2) 可進(jìn)行多址通信：擴(kuò)展頻譜通信本身就是一種多址通信方式，稱為擴(kuò)頻多址（spread spectrum access，SSMA），實(shí)際上是CDMA的一種，用不同的擴(kuò)頻碼組成不同的網(wǎng)。4) 抗多徑干擾：在無線通信、室內(nèi)通信等通信環(huán)境下，多徑干擾是非常嚴(yán)重的，系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，才能保證通信的暢通。具體說，就是將信源與一定的PN碼進(jìn)行模二加。基帶信號的信號碼是欲傳輸?shù)男盘?，通過擴(kuò)頻將其頻譜展寬，頻譜展寬后的序列多采用PSK調(diào)制進(jìn)行射頻調(diào)制，其輸出則是擴(kuò)展頻譜的射頻信號，經(jīng)天線發(fā)射出去。 跳頻跳頻擴(kuò)頻是將數(shù)字信息與PN碼模二相加后，離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨PN碼的變化而跳變，發(fā)射頻率的次序決定于該編碼序列。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾，就將使通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷。 跳時(shí)跳時(shí)擴(kuò)頻用PN碼控制信號發(fā)送時(shí)刻及信號持續(xù)時(shí)間的長短。在發(fā)射端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器的擴(kuò)頻碼序列去控制通/斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后，再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射；在接收端，由射頻接收機(jī)輸出的擴(kuò)頻信號，經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)射端相同的擴(kuò)頻碼序列去控制通/斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲器和再定時(shí)后輸出數(shù)據(jù)。由于簡單的跳時(shí)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用，跳時(shí)一般和跳頻結(jié)合起來使用，兩者一起構(gòu)成一種“時(shí)頻跳變”系統(tǒng)。 本章小結(jié)本章首先介紹了無線通信的介質(zhì)、頻段選擇，以及調(diào)制、解調(diào)技術(shù)；最后詳細(xì)介紹了目前使用較多的擴(kuò)頻技術(shù)。因此，目前基于無線數(shù)傳模塊的抄表系統(tǒng)還有一定的潛在市場和應(yīng)用價(jià)值。圖32 多跳方式盲點(diǎn)盲點(diǎn)接收器然而，無線抄表系統(tǒng)不同于一般的結(jié)構(gòu)化無線網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，無線抄表網(wǎng)絡(luò)