【正文】 頻芯片，自動(dòng)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(dòng)抄表的背景 1 自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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。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。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(dòng)抄表系統(tǒng)來解決。縱觀國外自動(dòng)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。究其原因，是我國的供電質(zhì)量和社會(huì)環(huán)境造成的。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。但信息傳輸距離較短，對(duì)方位性要求高，且系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低。此外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的沖突、信號(hào)衰減、噪聲和信道之間干擾等多種因素，移動(dòng)終端得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論上的最大帶寬。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。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。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。 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(hào)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(dòng)，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(duì)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(dòng)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。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。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。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。 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。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(hào)波長相當(dāng)。而數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)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(hào)的變化而變化。然而簡單的ASK、PSK和FSK因傳輸效率低而無法滿足移動(dòng)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SK信號(hào)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。第一，信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展了。和的互換是通過改變信號(hào)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)。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)。具體說，就是將信源與一定的PN碼進(jìn)行模二加。 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(hào)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。 跳時(shí)跳時(shí)擴(kuò)頻用PN碼控制信號(hào)發(fā)送時(shí)刻及信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長短。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)。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。在通信網(wǎng)絡(luò)中，信道的共享方式通常有點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)和多點(diǎn)共享。本系統(tǒng)將接收終端作為主控端來解決這個(gè)問題。 將抄收到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄，并生成表，將未抄收到的節(jié)點(diǎn)用表表示，；216。其工作過程為：216。如圖34所示，A、C為普通節(jié)點(diǎn)，B為中繼節(jié)點(diǎn)。該CTS幀可同時(shí)被節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C收到。比如，則其代表的意思是2號(hào)抄表區(qū)域內(nèi)的第5號(hào)小區(qū)域內(nèi)的78號(hào)節(jié)點(diǎn)。通過這種方式可以靈活地選取中繼節(jié)點(diǎn)，比較選取不同的中繼節(jié)點(diǎn)取得的效果，從而選取一種最佳的方案。216。 掌機(jī)收到數(shù)據(jù)后就進(jìn)行處理，若正確就存入存儲(chǔ)器中；若接收不到或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤就打上出錯(cuò)標(biāo)記，然后，繼續(xù)向下一個(gè)用戶發(fā)送請(qǐng)求；216。216。高靈敏度，靈敏度可達(dá)110dBm，1%數(shù)據(jù)包誤差率。自動(dòng)頻率補(bǔ)償可用來調(diào)整頻率合成器到接收中間頻率。數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行曼切斯特編碼（TX）和曼切斯特解碼（RX）。當(dāng)正確的數(shù)據(jù)包被接收或發(fā)送時(shí)，輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒信號(hào)。 2kB可字節(jié)擦除的Flash程序存儲(chǔ)器，具有256字節(jié)的扇區(qū)和16字節(jié)的頁。具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯(cuò)誤檢測、自動(dòng)地址識(shí)別和通用的中斷功能；216?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。偏阻器R7用來設(shè)置一個(gè)精確的偏電流。由于電表度數(shù)必需是非易失性的，所以把它存儲(chǔ)在P89LPC917的內(nèi)部flash里，防止掉電時(shí)丟失數(shù)據(jù)。 FMADRL = addramp。 if( (FMCONamp。 no) { *dat_buf = *readp。圖44 比較器外部電路RRGND5V()CIN1A+VrefCC中斷，也就是正向輸入電壓小于Vref時(shí)，產(chǎn)生中斷進(jìn)行掉電數(shù)據(jù)保護(hù)。=0xFE。這里提出一些注意點(diǎn)：1) 高速電路器件管腳間的引線彎折越少越好。5) 各類信號(hào)走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。從該特性獲益的另一種方法是將時(shí)鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。PCF8574 是PHILIPS公司推出的一款帶總線,具有CMOS電路。鍵盤應(yīng)用電路如圖46所示。該模式的波特率可變，由定時(shí)器1/2的溢出速率決定，本系統(tǒng)的波特率為9600bps。前期的FRAM的每個(gè)存儲(chǔ)單元使用2個(gè)場效應(yīng)管和2個(gè)電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個(gè)存儲(chǔ)單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡化的2T2C存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖49（a）所示。把這個(gè)充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。因鐵電晶體的固有缺點(diǎn)，訪問次數(shù)是有限的，超出限度，F(xiàn)RAM就不再具有非易失性。下面是讀寫FRAM的相關(guān)程序。 SPI_write(WRITE)。 P_SCLK=0。 F_CS=1。0xFF)。對(duì)于Output管腳，通過74LS07接到3V器件的管腳上，并將3V端的管腳上拉，對(duì)于Input管腳，通過三極管跟5V器件相連，具體電路見圖410。小塊程序更容易理解和調(diào)試。 無線模塊軟件的設(shè)計(jì)無線通信部分工作的可靠與穩(wěn)定是整個(gè)系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的前提保證。初始化單元主要完成無線模塊硬件的初始化以及系統(tǒng)的一些初始信號(hào)的提取。2) 當(dāng)同類的需求較多時(shí)，可把程序放入庫中以備以后使用。第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 程序的模塊化設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊和掌機(jī)的程序用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)。jno。}/*Read Memory*/void Memory_RD(uint16 addr, BYTE xdata *dat_buf, BYTE no){ BYTE j, value。i10。 SPI_write(addramp。 F_CS=0。鐵電存儲(chǔ)器在性能方面與EEPRON和Flash相比有三點(diǎn)優(yōu)勢之處：首先，鐵電存儲(chǔ)器的讀寫速度更快。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變，需要電路自動(dòng)恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預(yù)充”過程來對(duì)數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個(gè)參考位，而不是對(duì)于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨(dú)立的參考位。圖48 串口電路4) 鐵電存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)要經(jīng)常更改，擦寫的次數(shù)較多，并且每次更改的數(shù)據(jù)量較大，為了加快速度，本系統(tǒng)采用了鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）。因此，本系統(tǒng)除了鍵盤，還加入了顯示屏，能及時(shí)反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。該器件包含一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口和一個(gè)總線接口。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節(jié)省編程成本和上市時(shí)間。圖45 無線收發(fā)模塊實(shí)物圖 掌機(jī)掌機(jī)作為抄表系統(tǒng)的接收終端，要求攜帶方便、操作簡單，主要包括了無線收發(fā)模塊、鍵盤、顯示、串口和存儲(chǔ)器五部分。2) 高頻電路器件管腳間的引線越短越好。EA=1。PT0AD=0x10。 readp++。 else return(1)。 while(1) { FMDATA = *dat_buf。這里用到了P89LPC917 flash存儲(chǔ)器的IAP_Lite功能，把未加密的扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同一個(gè)合適LC網(wǎng)絡(luò)一起，平衡轉(zhuǎn)換器元件也將阻抗轉(zhuǎn)換以匹配50歐的天線。CC1100的平衡RF輸入和輸出共享2個(gè)公共引腳，應(yīng)用于印制電路板上的簡單、低價(jià)匹配和平衡轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)。可選擇RC振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)；216。 256字節(jié) RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；216。本系統(tǒng)對(duì)兩種芯片都進(jìn)行了調(diào)試，雖然nRF905配置簡單、編程方便，但是最終選用了CC1100，理由有幾點(diǎn)：1) 雖然nRF905數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到100 kbps，但是最大接收靈敏度只有100 dBm，所以有效接收距離就較近；而CC1100的最大接收靈敏度為110 dBm，傳輸距離相對(duì)就較遠(yuǎn)， kbps，可由于本系統(tǒng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少， kbps的速率足以滿足系統(tǒng)的要求；2) nRF905有32個(gè)管腳，而CC1100只有20個(gè)腳，因此其相應(yīng)的硬件電路就簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對(duì)較高；3) CC1100有工作狀態(tài)寄存器，可以監(jiān)視其工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而nRF905卻沒有；4) 此外，CC1100的價(jià)格也遠(yuǎn)低于nRF905。RF收發(fā)器由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體震