【正文】 考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。 最后，掌機(jī)通過串口把數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)，并生成一張Excel表，方便記錄和管理。 掌機(jī)先通過串口與PC機(jī)相連，將要抄收的表號(hào)下載到存儲(chǔ)器內(nèi)； 216。216。圖41 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)掌機(jī)無線模塊電表無線模塊電表無線模塊電表PC機(jī)各部分功能：216。 本章小結(jié)本章深入分析了現(xiàn)有無線抄表方案存在的問題，在基于無線射頻模塊抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種自動(dòng)搜索算法，使其具有多跳的路由功能。 中的節(jié)點(diǎn)通過中的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第二次抄收。地址段狀態(tài)字配置字?jǐn)?shù)據(jù)段地址段： 包含了節(jié)點(diǎn)的地址信息狀態(tài)字： 發(fā)送時(shí)，作為命令字節(jié)；接收時(shí)，顯示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息配置字： 包含了節(jié)點(diǎn)配置時(shí)的信息，比如該節(jié)點(diǎn)是普通節(jié)點(diǎn)還是中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)段： 包含了傳輸?shù)男畔D36 數(shù)據(jù)包格式分區(qū)自動(dòng)搜索算法就是基于此格式的地址進(jìn)行自動(dòng)搜索的，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)未抄收到時(shí)，它就會(huì)在已抄收到的節(jié)點(diǎn)中自動(dòng)搜索跟其小區(qū)域編號(hào)一致的節(jié)點(diǎn)，把該節(jié)點(diǎn)作為中繼進(jìn)行第二次抄收，其具體工作過程如下：216。這里，對(duì)區(qū)域算法進(jìn)行了一些改進(jìn)，提出了一種新的算法，即分區(qū)自動(dòng)搜索算法。由于RTS幀和CTS幀包含了本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，因此節(jié)點(diǎn)C會(huì)在等待一段時(shí)間之后再次發(fā)送RTS幀。如圖34所示，在節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)前，先向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS幀。如果在節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的過程中，節(jié)點(diǎn)C也想向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送，節(jié)點(diǎn)C要先監(jiān)聽信道，由于和節(jié)點(diǎn)A相距較遠(yuǎn)而不能聽到節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)，便認(rèn)為信道空閑而開始發(fā)送，使節(jié)點(diǎn)B正在接收的節(jié)點(diǎn)A信息幀受到破壞。該算法初始化時(shí)在中繼節(jié)點(diǎn)里生成了包含該中繼區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)地址的表，所以在多跳時(shí)能快速地確定未抄收到節(jié)點(diǎn)的路徑，在很短的時(shí)間內(nèi)抄收到其數(shù)據(jù)，大大提高了抄表的效率，縮短了抄表時(shí)間。 收到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將其保存；若沒有收到數(shù)據(jù)，就打上未抄收的標(biāo)記；216。圖33 區(qū)域算法接收終端中繼節(jié)點(diǎn)普通節(jié)點(diǎn)該算法中每個(gè)小區(qū)域的中繼節(jié)點(diǎn)都必須在接收終端的有效覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或損壞時(shí)，備用中繼節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)維持抄表網(wǎng)絡(luò)的正常工作。 將最終還未抄收到的節(jié)點(diǎn)作為故障節(jié)點(diǎn)處理。運(yùn)用此算法，系統(tǒng)所有的節(jié)點(diǎn)地位平等、功能一致，其功能都通過軟件實(shí)現(xiàn)，這種算法的主要思想是：216。其實(shí)質(zhì)就是通過把接收終端一跳范圍里的節(jié)點(diǎn)作為中繼去抄收一跳范圍外節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到擴(kuò)大覆蓋范圍的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，如果為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)獨(dú)立信道，往往要消耗很多的通信帶寬資源，這是不現(xiàn)實(shí)的，尤其是對(duì)于頻率資源本來就很寶貴的無線網(wǎng)絡(luò)而言。在廣播網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)共享一條通信信道，即網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)均可占用該信道發(fā)送信息，其他所有節(jié)點(diǎn)可以在該信道上接收該信息。因此，自動(dòng)搜索算法的確定是本系統(tǒng)的一個(gè)主要難點(diǎn)。圖31 單跳方式接收端盲點(diǎn)盲點(diǎn)上圖所述的系統(tǒng)，只有移動(dòng)接收終端的位置才能收到所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這給實(shí)際的操作帶來很大的不便和困難。但是基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)方式需要申請(qǐng)頻點(diǎn)使用權(quán)，對(duì)于家庭三表抄表來說，系統(tǒng)的運(yùn)行成本很高；而基于無線數(shù)傳模塊方式的抄表系統(tǒng)目前都采用單跳的通信方式，由于射頻芯片的發(fā)射功率限制，其覆蓋范圍有限，會(huì)出現(xiàn)許多的盲點(diǎn)，如圖31所示，虛線表示無法接收到。因其頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號(hào)的帶寬被展寬了。跳時(shí)也可看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，不同之處在于，它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片?？梢詫⑻鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。因此，跳頻通信具有抗干擾，抗截獲的能力，并能做到頻譜資源共享。接收端只有知道跳頻圖，才能正確接收。由頻譜擴(kuò)展對(duì)抗干擾性帶來的好處，稱擴(kuò)頻增益，表示為 （22）其中，為發(fā)射擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬，與所采用的PN碼速率有關(guān)；為信碼的速率。這樣信源速率就提高了10倍，同時(shí)使處理增益達(dá)到10dB以上，從而有效提高整機(jī)信噪比。擴(kuò)頻技術(shù)按其工作方式可分為以下幾種：直接序列擴(kuò)頻（direct sequence spread spectrum，DSSS）、跳頻（frequency hopping spread spectrum，F(xiàn)HSS）、跳時(shí)（time hopping spread spectrum，THSS）以及線性調(diào)頻（chirp spread spectrum，chirpSS）等方式。3) 安全保密：由于擴(kuò)展系統(tǒng)將傳送的信息擴(kuò)展到很寬的頻帶上去，其功率密度隨頻譜的展寬而降低，甚至可以將通信信號(hào)淹沒在噪聲中。對(duì)干擾信號(hào)而言，由于與擴(kuò)頻用的PN碼不相關(guān)，被擴(kuò)展到很寬的頻帶上，使之進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應(yīng)的增加了信噪比，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。擴(kuò)頻通信與一般的無線電通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過程。由香農(nóng)公式看出：可以通過帶寬和信噪比的互換達(dá)到信道容量保持不變的目的。第二，采用高速編碼技術(shù)，即采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制方式來展寬頻譜。在接收端使用相關(guān)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)所傳輸?shù)脑夹畔ⅰ?擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻是指發(fā)送端將待傳送的數(shù)據(jù)用擴(kuò)頻碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，再進(jìn)行傳輸，接收端采用同樣的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)處理及解調(diào)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式。在FSK方式中，每一碼元的頻率不變或者跳變一個(gè)固定值，而兩個(gè)相鄰的頻率跳變碼元信號(hào)，其相位通常是不連續(xù)的。由于振幅鍵控信號(hào)的抗噪聲性能不夠理想，因此目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制技術(shù)主要有頻率鍵控和相位鍵控兩大類。3) 存在多徑衰落：接收信號(hào)起伏變化。今天，通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(shù)字制式過渡，因此數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類型，又可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。3) 頻率分配：隨著通信、廣播、電視等的發(fā)展，空間頻率資源越來越緊張，為了利用頻率資源，需對(duì)頻率進(jìn)行分配，使通信、廣播、電視等互不干擾。調(diào)制是通信系統(tǒng)中非常重要的技術(shù)，具有如下作用：1) 信號(hào)與信道匹配：因?yàn)樽匀唤缰幸獋魉偷男盘?hào)大多數(shù)為低通型信號(hào)，然而，信道大多為帶通型，為使低通型信號(hào)在帶通型信道中傳輸，這就需要調(diào)制?；鶐盘?hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因此必須把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)以適合于信道傳輸。應(yīng)用這些頻段無需許可證，只需要遵循一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對(duì)其他頻段造成干擾即可。這一方面使通信非常安全，基本避免了通信信號(hào)的偷聽和竊取，具有很高的可用性。另外，由于無線電波傳播距離遠(yuǎn)，用戶間的相互串?dāng)_就是個(gè)大問題。無線電波很容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，很容易穿過建筑物因此被廣泛用于室內(nèi)或室外的無線通信。第六章 總結(jié)與展望對(duì)整個(gè)課題的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)無線抄表系統(tǒng)未來的發(fā)展做了一些展望。第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在基于無線射頻模塊抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架及完整的硬件電路。本文的主要內(nèi)容和任務(wù)包括：第一章 緒論回顧了國(guó)內(nèi)外自動(dòng)抄表系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及自動(dòng)抄表的通信方式，介紹了無線抄表技術(shù)的特點(diǎn)、面臨的問題及未來的發(fā)展趨勢(shì)。預(yù)計(jì)從近幾年開始，基于ZigBee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)迅速得到普及和高速發(fā)展。[注] 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，功能最復(fù)雜、存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、安全層（Security Layer）、應(yīng)用層（Application Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）；而由國(guó)際電子電機(jī)工程協(xié)會(huì)（IEEE），則是定義了物理層（PHY Layer）及媒體存取層（Media Access Control Layer；MAC Layer），如圖11所示。由于這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。兩個(gè)物理層都基于直序擴(kuò)頻（DSSS），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為ZigBee,它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域以及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等。此外，降低系統(tǒng)成本的另一個(gè)重要因素是減少系統(tǒng)管理與維護(hù)的開銷。如水表的無線抄表系統(tǒng)，為大量的水表頻繁地更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。5) 數(shù)據(jù)特點(diǎn)：從總體上講，由于是抄收每家每戶的數(shù)據(jù)，因此其數(shù)據(jù)總量十分龐大，而此數(shù)據(jù)又直接關(guān)系到全社會(huì)每個(gè)人的經(jīng)濟(jì)利益，因此對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、安全性要求非常高。2) 干擾因素多：在無線抄表系統(tǒng)中，移動(dòng)終端能夠以任意速度和任意方式在系統(tǒng)內(nèi)移動(dòng)，并可以隨時(shí)關(guān)閉；無線收發(fā)裝置的天線類型多種多樣、發(fā)送功率隨著攜帶能量的變化而變化；無線信道間的相互干擾、地形和天氣等綜合因素的影響，移動(dòng)終端變化的方式和速度都難以預(yù)測(cè)。3) 使用無線數(shù)傳芯片：這種方式準(zhǔn)確率高、抗干擾能力較強(qiáng)，且它使用的是無需申請(qǐng)的ISM頻段，成本較低，是一種較為理想的自動(dòng)抄表方案。216。4) 利用有線電視電話網(wǎng)抄表：這種方式是先將各用戶數(shù)據(jù)集中到固定的集中器，由集中器經(jīng)有線電視電話網(wǎng)傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)。但有其固有缺點(diǎn)：大系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差，抗干擾能力差，大型電力設(shè)備引起的電磁干擾無法消除，影響了這種系統(tǒng)的大面積推廣。 自動(dòng)抄表的通信方式目前的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類。我國(guó)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的應(yīng)用比國(guó)外晚了十幾年，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的產(chǎn)品，大部分都是國(guó)外的現(xiàn)成技術(shù)。還有的國(guó)家采用類似以色列的抄表方式，各用戶將用電的各種數(shù)據(jù)按一定的采集時(shí)間傳輸?shù)焦╇娮儔浩鞲边叺募衅髦?，把各用戶的用電?shù)據(jù)處理后，利用有線或無線定期傳輸?shù)诫娏值挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算后，用有線把各用戶的電費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姐y行劃撥。自動(dòng)抄表系統(tǒng)發(fā)展始于20世紀(jì)80年代初，目前正在使用的任何一種自動(dòng)抄表方式都因其自身存在的缺點(diǎn)，導(dǎo)致沒有任何一種系統(tǒng)占有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)抄表（Automatic Meter ReadingAMR）是指采用通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)。研制開發(fā)一種涵蓋各類計(jì)量客戶的全方位實(shí)時(shí)自動(dòng)抄表系統(tǒng)是商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的迫切需求。5) 問題多：用戶、收費(fèi)人員竊氣、竊水、竊電、作弊、拒交費(fèi)用時(shí)有發(fā)生，造成各類費(fèi)用不能及時(shí)準(zhǔn)確的收繳，如日供氣100萬立方的能力下，收費(fèi)率提高一個(gè)百分點(diǎn)，每年就可增收365萬立方的氣費(fèi)，而實(shí)際上少收、漏收遠(yuǎn)高于此，有的地區(qū)高達(dá)20%以上，供水、供電更為嚴(yán)重。2) 水、電、氣部門負(fù)擔(dān)重：現(xiàn)行抄表收費(fèi)結(jié)算方式給水、電、氣部門經(jīng)營(yíng)帶來困難。當(dāng)前，我國(guó)水、電、氣的計(jì)量收費(fèi)管理，大多采用管理單位的抄表員登門入戶進(jìn)行人工抄表收費(fèi)的方式。目前使用的基于無線數(shù)傳模塊的抄表系統(tǒng)都是采用單跳的通信方式，由于射頻芯片發(fā)射功率的限制，其覆蓋范圍有限，會(huì)出現(xiàn)許多盲點(diǎn)。在行業(yè)信息化過程之中，戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化抄送具有非常重大的意義，因?yàn)閼舯頂?shù)據(jù)是相關(guān)行業(yè)銷售過程中最原始的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和及時(shí)性直接影響了行業(yè)內(nèi)部其它信息化水平。在行業(yè)信息化過程之中，戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化抄送具有非常重大的意義，因?yàn)閼舯頂?shù)據(jù)是相關(guān)行業(yè)銷售過程中最原始的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和及時(shí)性直接影響了行業(yè)內(nèi)部其它信息化水平。比如，全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)的差費(fèi)率高達(dá)20％，天津更高達(dá)40％。4) 抄表勞動(dòng)強(qiáng)度加大：抄表收費(fèi)人員工作條件差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；由于樓層越來越高、各住戶逐步裝修，所以入戶難，且只能在早、晚入戶抄表收費(fèi)；各地收費(fèi)人員遭搶或犯罪分子冒充收費(fèi)人員入室作案時(shí)有發(fā)生，影響社會(huì)安定；現(xiàn)行抄表收費(fèi)大多是人工抄表、人工收費(fèi)、手工結(jié)算，效率低、誤差大，已不適應(yīng)企業(yè)管理現(xiàn)代化的要求。一般手工抄表都按月抄表，對(duì)于用戶計(jì)量來說是可行的，但對(duì)于相關(guān)供應(yīng)部門進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠。估計(jì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，世界上大多數(shù)國(guó)家以發(fā)展后者為主，我國(guó)也不例外。由于電力用戶因此不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時(shí)間，還能迅速查詢帳單，故這種技術(shù)越來越受到用戶歡迎。有的國(guó)家利用有線定時(shí)撥通各用戶后，發(fā)出問答信號(hào)，然后用戶的電能表把用電數(shù)據(jù)通過電話線傳到電力局，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，把各用戶的電費(fèi)通過有線傳輸?shù)姐y行劃撥。這種水、電和煤氣計(jì)量表上裝有一種低功率的收發(fā)兩用機(jī)，當(dāng)抄表車從附近發(fā)出一種特定信號(hào)時(shí)，收發(fā)兩用機(jī)就會(huì)立即將上述計(jì)量表的讀數(shù)和用戶ID號(hào)發(fā)射到空中，安裝在汽車?yán)锏挠?jì)算機(jī)就接收這些數(shù)據(jù)，并記錄下來。能否根據(jù)我們的實(shí)際情況開發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的產(chǎn)品，才是這個(gè)系統(tǒng)能否在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用并長(zhǎng)久生存下去的關(guān)鍵所在。正常情況下其準(zhǔn)確率可以很高，通過中繼的方式可以傳輸?shù)木嚯x也很長(zhǎng)。3) 光纖通信：這種通信方式具有頻帶寬、通信距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是連接節(jié)點(diǎn)造價(jià)和安裝費(fèi)用都比較高。顯然，有線通信技術(shù)雖然能解決一些問題，但有其固有不足，難于推廣和滿足市場(chǎng)的需求。2) GPRS：這種方式的準(zhǔn)確率高、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性較好，而且覆蓋面積廣，但是需要申請(qǐng)頻點(diǎn)使用權(quán)，對(duì)于家庭三表抄表來說，系統(tǒng)的運(yùn)行成本很高，目前還很難推廣。 無線抄表技術(shù)的特點(diǎn)及面臨的問題目前市場(chǎng)上的無線抄表系統(tǒng)大致可分為基于無線數(shù)傳模塊、基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)、或者是二者結(jié)合等幾種方式，從應(yīng)用角度看，無線抄表技術(shù)具有以下顯著特點(diǎn)：1) 無控制中心：無線抄表系統(tǒng)中沒有絕對(duì)的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，控制中心與節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式連接。4) 移動(dòng)終端的能力有限：無線抄表系統(tǒng)中移動(dòng)終端具有攜帶方便、輕便靈巧等好處，但是也存在固有缺陷，如能源有限、內(nèi)存較小、CPU性能較低等，從而給應(yīng)用程序設(shè)計(jì)開發(fā)帶來一定的難度；屏幕等外設(shè)較小，不利于開展功能較復(fù)雜的業(yè)務(wù)。無線抄表技術(shù)不同于傳統(tǒng)的抄表技術(shù)的特點(diǎn)給無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，主要有以下幾點(diǎn)：1) 低能耗：無線抄表系統(tǒng)長(zhǎng)期在無人職守的狀態(tài)下工