陳立萬，汪宋良

CHEN Li-wan1, WANG Song-liang2

（1.重慶三峽學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，萬州 404000；2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，寧波 315100）

0 引言

智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)可以提高燃?xì)獬硐到y(tǒng)的自動(dòng)化程度，簡(jiǎn)化抄表流程，隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)的研究必將有新的和更大的突破！無線集抄器不僅負(fù)責(zé)范圍內(nèi)燃?xì)獗硗ㄐ?，而且?fù)責(zé)把表數(shù)據(jù)上傳給GPRS/GSM模塊，即總集中器。本文主要從硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程、集抄器之間數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議三方面進(jìn)行闡述。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求低、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、靈敏度高、性能穩(wěn)定,達(dá)到智能抄表系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)[1]，這些良好的性能特點(diǎn)使得它能很好應(yīng)用于無線抄表行業(yè)。

1 無線集抄器功能模塊

無線集抄器通過收發(fā)模塊接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，此種方式不需敷設(shè)線路，而且維護(hù)、安裝方便。一般每棟居民樓安裝一個(gè)集抄器，負(fù)責(zé)自動(dòng)抄取本棟樓所有燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，集抄器通過無線收發(fā)模塊與外界通信，一方面通過無線方式抄取本樓所有表數(shù)據(jù)；另一方面通過無線方式把表數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。集抄器抄取表數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于內(nèi)存中，主控制器通過讀/寫存儲(chǔ)器得到數(shù)據(jù)。有線接口是備用方式，如果無線收發(fā)模塊無法通信時(shí)，可以使用有線接口現(xiàn)場(chǎng)抄取表數(shù)據(jù)。功能模塊圖如1所示。集抄器主要實(shí)現(xiàn)功能有：1）負(fù)責(zé)集抄器范圍內(nèi)燃?xì)獗頂?shù)據(jù)收集（比如抄表、關(guān)閥、開閥和測(cè)試等）；2）負(fù)責(zé)上傳燃?xì)獗頂?shù)據(jù)給GPRS/GSM模塊；3）實(shí)現(xiàn)集抄器之間數(shù)據(jù)中繼功能。

圖1 集抄器功能框圖

2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

一個(gè)小區(qū)中，系統(tǒng)規(guī)定每棟樓有一個(gè)集抄器，這么多集抄器收集的燃?xì)獗頂?shù)據(jù)都必須通過無線形式發(fā)送到小區(qū)總集中器（即GPRS/GSM模塊）。由于小區(qū)建筑分布不規(guī)則，正方形、長(zhǎng)方形、圓形、扇形、不規(guī)則形等都有；這給集抄器之間數(shù)據(jù)通信造成很大困難。如圖2所示，數(shù)字表示建筑不同棟號(hào)，即集抄器，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)總集中器，負(fù)責(zé)與集抄器數(shù)據(jù)通信，虛線表示集抄器之間任意無線通信。正是由于建筑物不規(guī)則分布，如何有效將各個(gè)集抄器數(shù)據(jù)發(fā)送到總集中器，如何中繼這些數(shù)據(jù)等問題是集抄器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所要解決的。當(dāng)集抄器與總集中器不能直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而需要中間節(jié)點(diǎn)（其他集抄器）時(shí)，路由選擇是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法必需重點(diǎn)解決的，比如15號(hào)集抄器無法直接與總集中器通信，必須通過中繼節(jié)點(diǎn)2或1或5等，發(fā)送數(shù)據(jù)到總集中器。

圖2 小區(qū)建筑不規(guī)則分布

2.1 新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

從源節(jié)點(diǎn)經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，這樣構(gòu)成一條通信路徑（路由）。本文采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為最基本的自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——泛洪（Flooding）[2～13]技術(shù)，并結(jié)合新的網(wǎng)絡(luò)路由方法實(shí)現(xiàn)，其工作原理是：源節(jié)點(diǎn)向所有的鄰近節(jié)點(diǎn)廣播分組，中間節(jié)點(diǎn)判斷是否是目的節(jié)點(diǎn)，如果不是且第一次收到該分組，則繼續(xù)廣播；否則，直接丟棄。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有效地克服了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的盲目性，通過隨機(jī)退避時(shí)間，有效避免泛洪技術(shù)的隱藏和暴露節(jié)點(diǎn)問題。在幀格式中順序控制域表示不同信息的序列號(hào)，以及同一信息的重發(fā)序列號(hào)，網(wǎng)絡(luò)通過該標(biāo)志，判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)信息。如果收到順序控制域與前一順序控制域相同，則不作任何處理；如果不相同則轉(zhuǎn)發(fā)（本機(jī)地址和目的地址不相同時(shí)）；當(dāng)目的地址為本機(jī)地址時(shí)，則進(jìn)入本機(jī)處理程序。以此大大提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性和縮短了延時(shí)時(shí)間。通信過程如圖3所示，當(dāng)12號(hào)集抄器發(fā)送數(shù)據(jù)給總集中器時(shí)，10和13同時(shí)收到，兩者通過隨機(jī)退避信道競(jìng)爭(zhēng)，先后發(fā)送數(shù)據(jù)到8號(hào)，8號(hào)集抄器最后發(fā)送到總集中器。

圖3 通信過程示意圖

由于距離和穿墻性制約，集抄器不能直接與GPRS/GSM模塊通信，而需要通過中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，本文提出一種新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)集抄器與GPRS/GSM模塊之間通信。集抄器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖如下4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖

2.2 集抄器算法

任何節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)時(shí)，如需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，則首先選取退避隨機(jī)時(shí)間t，然后檢測(cè)信道忙閑，忙則退避固定時(shí)間后再次檢測(cè)信道，直到數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)，如圖5所示。

圖5 隨機(jī)退避方法

設(shè)備上電后，通過復(fù)位電路開始工作。首先初始化，包括單片機(jī)MSP430F135和AT86RF211S初始化設(shè)置[13]。AT86RF211S初始化包括速率、工作頻率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、喚醒地址等。初始化完成后，單片機(jī)等待中斷，AT86RF211S處于休眠狀態(tài)。如果外界信號(hào)或者采集器數(shù)據(jù)中斷使能，喚醒單片機(jī)工作，其他時(shí)間處于休眠狀態(tài)。如果外界有信號(hào)，通過AT86RF211S喚醒單片機(jī)，單片機(jī)收到正確數(shù)據(jù)后，通過信息標(biāo)志位判斷信息是否收到過。如果第一次收到，則繼續(xù)下面程序，否則丟棄數(shù)據(jù)，重新回到初始狀態(tài)；其次，判斷信息目的地址，如果目的地址為本機(jī)，則進(jìn)入本機(jī)處理程序，否則把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他集抄器；進(jìn)入本機(jī)處理程序后，根據(jù)命令字，進(jìn)行相應(yīng)的程序處理中斷，比如集抄、單抄、關(guān)閥、開閥和更新表數(shù)據(jù)等操作。最后，集抄器完成上位機(jī)相應(yīng)命令后，需要發(fā)送確認(rèn)信號(hào)給上位機(jī)，程序流程圖如6所示。集抄器抄表流程圖如7所示。

圖6 集抄器主程序框圖

圖7 集抄器抄表流程圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 集抄器硬件電路

集抄器硬件電路的無線射頻收發(fā)模塊選取AT86RF211S，供電電源經(jīng)AC-DC變換供電，電路設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性、可靠性和成本為主要考慮因素[14～16]，集抄器硬件電路原理圖如圖8所示。

圖8 集抄器硬件電路原理圖

3.2 射頻模塊接口電路

AT86RF211S芯片與MSP430F135之間通過串行三線口連接，實(shí)現(xiàn)射頻模塊與單片機(jī)之間通信，同時(shí)單片機(jī)通過SLE、SCK、SDATA三根時(shí)序線實(shí)現(xiàn)對(duì)AT86RF211S芯片寄存器、狀態(tài)等控制，如圖9所示。

圖9 射頻模塊接口

3.3 存儲(chǔ)器電路

集抄器需要抄取一棟樓所有燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量處理比較大，并且處理中還需要存儲(chǔ)，所以電路需要外接存儲(chǔ)器。本電路設(shè)計(jì)中，外接EEPROM存儲(chǔ)器AT24C01和RAM存儲(chǔ)器6264。EEPROM存儲(chǔ)器可以在掉電下保存數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于保存燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，而RAM存儲(chǔ)器用于保存臨時(shí)數(shù)據(jù)，比如燃?xì)獗頂?shù)據(jù)處理、打包以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀重新組裝等工作。圖10所示，單片機(jī)與外部存儲(chǔ)器連接原理圖，AT24C01通過SCL、SDA兩根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接控制，6264通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與單片機(jī)連接。S-485為備用通信方式,在集抄器正常工作下，不使用有線接口RS-485通信，只有當(dāng)無線通信方式異常或者安裝人員對(duì)其測(cè)試才使用。

圖10 存儲(chǔ)器擴(kuò)展連接圖

4 結(jié)束語

本章主要討論了集抄器及接口電路(射頻收發(fā)電路、存儲(chǔ)器)和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與算法的實(shí)現(xiàn)。其創(chuàng)新點(diǎn)在于以低功耗MSP430單片機(jī)為核心，自行設(shè)計(jì)了無線燃?xì)獗砑骷熬W(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及其算法，并進(jìn)行了軟件編程。把燃?xì)獗砗蜔o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接起來，實(shí)現(xiàn)了全無線燃?xì)饧到y(tǒng)，通過對(duì)燃?xì)獗砑飨到y(tǒng)部分進(jìn)行安裝與調(diào)試，測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)射功率為16 dB/m，接收靈敏度為-95dB/m，工作電流為40mA 左右，供電電壓為AC-DC(3.0V) ，頻段為免費(fèi)頻段433MHz，通信距離（空曠）為500米左右。

從方案論證到調(diào)試成功，作者不僅進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，還做了大量的理論研究，系統(tǒng)可靠性高。在國家對(duì)城市能源供應(yīng)問題和居民小區(qū)現(xiàn)代化予以充分重視的大好形勢(shì)下，無線抄表有著十分廣闊的發(fā)展市場(chǎng)，對(duì)本產(chǎn)品的研制、開發(fā)，必將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。

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