石 偉，朱保林

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于Wavenis協(xié)議的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石 偉，朱保林

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)目前遠(yuǎn)程抄表的現(xiàn)狀，介紹了一種基于Wavenis協(xié)議的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)包括通信協(xié)議、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3大模塊。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于水、電、氣各類無線遠(yuǎn)程抄表，具有良好的應(yīng)用前景。

無線通信；遠(yuǎn)程抄表；Wavenis

0 引言

目前我國各大城市基本上都是采用人工抄表的形式，這種傳統(tǒng)方式存在著人力成本高、效率低、管理混亂等缺點(diǎn)，已不能滿足日益增長的各類表計(jì)業(yè)務(wù)需求。近年來自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展非常迅速，目前大部分自動(dòng)抄表系統(tǒng)都是基于電力載波技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)和GPRS技術(shù)，但這些技術(shù)的應(yīng)用都有其難以解決的瓶頸問題。如電力載波技術(shù)在電力高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抗干擾能力差[1]；藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)傳輸距離短；WiFi技術(shù)功耗太大，對(duì)于小數(shù)據(jù)量通信領(lǐng)域性價(jià)比太低；GPRS技術(shù)屬于付費(fèi)頻段，推廣成本太高。

近年來由法國Coronis Systems公司開發(fā)的Wavenis無線通信技術(shù)具有耗電量極低、作用距離大和組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，非常適合數(shù)據(jù)量較小的各類抄表系統(tǒng)，但這種技術(shù)目前處于研發(fā)和推廣階段，國內(nèi)還沒有相應(yīng)的報(bào)道與應(yīng)用。

1 Wavenis技術(shù)簡介

Wavenis無線通信是法國Coronis Systems公司開發(fā)的無線技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋水電氣遠(yuǎn)程抄表、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)和各類傳感邏輯分析等。Wavenis技術(shù)采用“內(nèi)置協(xié)議”的方式與Wavecard, Wavetalk, Waveflow和Wavefront等硬件結(jié)合使用[2]。該協(xié)議通過簡單設(shè)置可支持433 MHz，868 MHz和915 MHz三個(gè)免費(fèi)頻段，利用跳頻頻譜展開（frequency-hopping spread spectrum，F(xiàn)HSS）技術(shù)和載波偵聽多址訪問（carrier sense multiple access，CSMA）技術(shù)可以避免沖撞從而提高信道利用率。

Wavenis協(xié)議支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、輪詢和多繼傳輸?shù)韧ㄐ艡C(jī)制，有利于組建和管理多樣類型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Wavenis協(xié)議結(jié)構(gòu)采用了統(tǒng)一的主機(jī)控制接口（host controller interface，HCI），通過各種不同的HCI命令可以訪問Wavenis鏈路管理層（LM layer）和媒介訪問控制層（MAC layer）。通信協(xié)議可以采用中繼的形式，但中繼次數(shù)不能超過3次。

Wavenis模塊功耗極低，工作電流只有10 μA，且絕大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，電池供電時(shí)間可達(dá)15 a；無線通信距離遠(yuǎn)，若發(fā)射功率為+14 dBm，接受靈敏度為-110 dBm，可視距離可達(dá)1 km。其協(xié)議結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 Wavenis 協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.1 Wavenis Protocol structure

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這是一個(gè)星型、中繼相結(jié)合的綜合型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由采集器、中繼路由和上位控制器3大部分構(gòu)成。系統(tǒng)上位機(jī)與因特網(wǎng)絡(luò)相連，具有協(xié)調(diào)器功能，在本系統(tǒng)中具有唯一性，上電時(shí)負(fù)責(zé)創(chuàng)建和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，平時(shí)是網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)起者和終結(jié)者；中繼具有路由功能，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；采集器和采集卡終端采用485總線通信。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The system network structure

中繼、采集器和采集卡采用電池供電，平常處于休眠狀態(tài)，有通信任務(wù)時(shí)通過中斷喚醒。當(dāng)采集器收到上位機(jī)發(fā)出的抄表命令時(shí)，采集卡將采集的數(shù)據(jù)通過采集器和中繼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本終端上備查。如果上位機(jī)收到正確的數(shù)據(jù)后發(fā)布一個(gè)確認(rèn)命令，相應(yīng)中繼和采集器又重新休眠，等待下一次的喚醒。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集器和中繼路由硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。顯然兩者的硬件電路是一樣的，其差別由軟件定義區(qū)分。終端系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)電路、無線通信電路和供電電路等幾部分組成?？紤]到Coronis公司為MSP430提供了優(yōu)化協(xié)議棧的工具開發(fā)包，為了開發(fā)方便，控制器采用MSP430F149單片機(jī)。單片機(jī)通過RS485串行接口與底層的數(shù)字表進(jìn)行有線通信，存儲(chǔ)器采用帶I2C總線接口的FM24C04。無線通信模塊選用Coronis Systems公司開發(fā)的Waveflow，通信頻段設(shè)置為868 MHz，通信接口為SPI總線。

圖3 終端方框圖Fig.3 Block diagram of the terminal

上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。本系統(tǒng)中上位機(jī)是核心，其地位相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)，主要功能是收集并處理各終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)傳送到本地區(qū)的管理部門，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的目的。無線收發(fā)模塊采Coronis Systems公司的Wavefront模塊，為了使Wavefront和MSP430F149電平兼容，系統(tǒng)使用2.3 V供電。

圖4 上位機(jī)方框圖Fig.4 Block diagram of position machine

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是基于Wavenis HCI協(xié)議棧進(jìn)行通信，開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.30。系統(tǒng)功能可分為初始化網(wǎng)絡(luò)、采集數(shù)據(jù)和無線傳輸3個(gè)部分，其中網(wǎng)絡(luò)初始化分為創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)2類。采集器和路由與上位機(jī)的通信協(xié)議幀格式為：控制字（1 byte）+連接句柄（2 byte）+數(shù)據(jù)長度（1 byte）+數(shù)據(jù)起始指針（2 byte）。其中控制字表明當(dāng)前數(shù)據(jù)的意義，如創(chuàng)建恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)、抄表命令、抄表數(shù)據(jù)、應(yīng)答確認(rèn)等；連接句柄為各采集器的端點(diǎn)號(hào)（地址）；數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)起始地址都是采集終端返回的數(shù)據(jù)長度和存儲(chǔ)位置，以便于上位機(jī)讀取。上位機(jī)軟件程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程圖Fig.5 The software flowchart of position machine

由于上位機(jī)的作用相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)，所以它的作用既要擔(dān)當(dāng)Wavenis網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，也要處理Wavenis與互聯(lián)網(wǎng)的通訊。采集終端和中繼軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 中繼、終端軟件流程圖Fig.6 The flowchart of trunking and terminal software

終端功能包括數(shù)據(jù)采集和中繼轉(zhuǎn)發(fā)，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，采用定時(shí)喚醒和中斷喚醒相結(jié)合的方式進(jìn)行工作。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用超低功耗MSP430F149作為核心處理器，其顯示器、測(cè)量終端的硬件實(shí)物如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 The system physical diagram

測(cè)量終端采用螺旋狀天線結(jié)構(gòu)，發(fā)射功率為10 mW，顯示器采用軟導(dǎo)線結(jié)構(gòu)天線，接受靈敏度為-105 dBm，兩者之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)查詢通信方式，通信頻率為868 MHz，通信成功率和可視通信距離如表1所示。表1顯示W(wǎng)avenis有效通訊距離超過100 m，這一結(jié)果與同類型產(chǎn)品相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完全到達(dá)了設(shè)計(jì)要求，具有很好的應(yīng)用前景。

表1 通訊距離測(cè)試結(jié)果Table 1 The test results of communication distance

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（責(zé)任編輯：申 劍）

Design and Realization of Wireless Remote Meter-Reading System Based on Wavenis

Shi Wei，Zhu Baolin
（School of Electronic and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007, China）

Aiming at the current remote meter reading status, introduces a design scheme of wireless meter reading system based on protocol Wavenis. The system includes three modules of communication protocol, hardware circuit design and software design. The test results show that the system is stable and can be widely applied to water, electricity and gas wireless remote meter reading, which has a good application prospect.

wireless communications；remote meter reading；Wavenis

TM76

A

1673-9833(2015)02-0054-03

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.010

2014-11-24

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(13C057)，湖南工業(yè)大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（201348）

石 偉（1975-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)闊o線電子技術(shù)，E-mail：68696405@qq.com