基于WSN的燃?xì)獗碜詣?dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀與不足，結(jié)合燃?xì)?/strong>表直讀技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套低功耗燃?xì)?strong>自動(dòng)抄表系統(tǒng)。提出系統(tǒng)的整體方案，并對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)加以詳細(xì)說(shuō)明。該系統(tǒng)由三級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率，降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的干擾，提高了燃?xì)獗碇悄芙K端的使用壽命。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)抄表；WSN；GPRS；低功耗；SI4432

0 引言
    隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，燃?xì)獗硎褂昧垦杆僭黾樱碛?jì)量也日趨復(fù)雜；同時(shí)，居民住宅檔次不斷提高，人們對(duì)生活的環(huán)境和物業(yè)水平的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的入戶抄表方式不但浪費(fèi)人力物力，且存在安全隱患，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代物業(yè)管理的需求。
    目前抄表技術(shù)主要有人力手持抄表、紅外、RS 485、電力載波、ZigBee、GPRS等方式。人力手持抄表工作量大且效率低，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性差。RS 485方式覆蓋面較廣，但須人工布線，前期工作量大，后期不易維護(hù)。電力載波抄表方式對(duì)電網(wǎng)要求較高，容易受干擾。ZigBee抄表方式組網(wǎng)靈活，覆蓋面廣，但信號(hào)穿墻能力較弱。GPRS抄表方式則需要安裝大量的GPRS模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，運(yùn)營(yíng)成本較高。結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以及燃?xì)獬韺?duì)功耗的嚴(yán)格要求，本文設(shè)計(jì)了一種低復(fù)雜度、低功耗、低成本的抄表系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介
1．1 WSN技術(shù)
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的研究起源于20世紀(jì)90年代，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信等多種先進(jìn)技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)具有采集傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送功能。節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，組成一個(gè)多層次的自組織網(wǎng)絡(luò)。采集的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送到監(jiān)控中心。
1．2 GPRS技術(shù)
    GPRS是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說(shuō)是GSM的延續(xù)。
    GPRS經(jīng)常被描述成“2．5G”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代(2G)和第三代(3G)移動(dòng)通信技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。
1．3 燃?xì)獗碇弊x技術(shù)
    燃?xì)獗碇弊x技術(shù)是近幾年新興的一種技術(shù)，基本原理是通過(guò)在基表內(nèi)安裝光電直讀裝置，利用紅外線對(duì)帶有透光槽的字輪進(jìn)行非接觸式的掃描，從而得到與字輪讀數(shù)相應(yīng)的狀態(tài)編碼，通過(guò)對(duì)編碼進(jìn)行譯碼后得到與基表字輪窗口相同的值，其關(guān)鍵技術(shù)是絕對(duì)式編碼。光電直讀裝置主要有以下特點(diǎn)：光電直讀裝置平時(shí)不需供電，只在抄表瞬間供電；準(zhǔn)確度高，不受電場(chǎng)磁場(chǎng)干擾；海明距離為1的編碼，有利于識(shí)別；光電直讀裝置直接可讀取基表的窗口值，無(wú)需記憶累加，前一次抄表值對(duì)下一次無(wú)任何影響。

2 無(wú)線抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括燃?xì)獗碇悄芙K端、采集器、集中器、手持抄表器和監(jiān)控中心。在小區(qū)內(nèi)的每棟樓安置一個(gè)或多個(gè)采集器，每個(gè)采集器下轄32個(gè)燃?xì)獗碇悄芙K端，集中器安裝在小區(qū)管理中心，監(jiān)控中心放在燃?xì)夤尽Ｕ麄€(gè)系統(tǒng)包含三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)：每個(gè)采集器與下轄的32個(gè)智能燃?xì)獗斫K端組成星狀網(wǎng)絡(luò)；二級(jí)網(wǎng)絡(luò)：采集器與集中器之間組成自組織網(wǎng)絡(luò)；三級(jí)網(wǎng)絡(luò)：集中器與監(jiān)控中心通信采用的GPRS網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件主要包括：燃?xì)獗碇悄芙K端，采集器和集中器。
3．1 燃?xì)獗碇悄芙K端硬件設(shè)計(jì)
    燃?xì)獗碇悄芙K端電路主要包括電源管理模塊、MCU、無(wú)線發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。燃?xì)獗砀鶕?jù)實(shí)際的需求，采用電池供電，因此，其設(shè)計(jì)對(duì)功耗有著嚴(yán)格的要求。
    (1)電源管理模塊。電源管理芯片采用日本精工公司出產(chǎn)的S-T111B33。
    (2)MCU模塊。處理器芯片采用TI公司的低功耗，性能杰出的MSP430F2232單片機(jī)。
    (3)無(wú)線發(fā)射模塊。射頻模塊主要用于智能終端與采集器，采集器與集中器之間的通信。射頻模塊與MCU之間以SPI相連。射頻芯片采用Noridic公司生產(chǎn)的SI4432該芯片可工作在240～930 MHz之間，具有較強(qiáng)的抗干擾和穿墻能力，通信距離較遠(yuǎn)，可達(dá)到1500 m；功耗較低，接收電流僅為18．5 mA，發(fā)射電流為30 mA(+13 dBm)，85 mA(+20 dBm)；可以進(jìn)行自動(dòng)頻率校正(AFC)；發(fā)送和接收帶64個(gè)字節(jié)的FIFOs；可配置數(shù)據(jù)包格式，實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)碼檢測(cè)。
    (4)數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要由5個(gè)紅外發(fā)射管和5個(gè)紅外接收管組成，發(fā)射管工作電流為10 mA，接收管的反應(yīng)時(shí)間為30 ms。發(fā)射管和接收管均勻分布在360°的圓周上，字輪上開有透光槽。當(dāng)燃?xì)獗碇悄芙K端接收到抄表指令后，循環(huán)點(diǎn)亮5個(gè)發(fā)射管，同時(shí)檢測(cè)接收管的狀態(tài)。根據(jù)是否接收到光，來(lái)給相應(yīng)的位置1或置0。采用了絕對(duì)式編碼來(lái)記錄字輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)位置，這種編碼的海明距離為1。相鄰的碼字只由一個(gè)數(shù)字位相互區(qū)分開，也就是，在相鄰的信息組中，二進(jìn)信息問(wèn)的最小差別或距離只是一比特的變化，有利于減少識(shí)別讀數(shù)的誤碼率。同時(shí)，采用了一種超前進(jìn)位的編碼發(fā)式，解決了9到0進(jìn)位時(shí)存在誤差的問(wèn)題。
3．2 采集器的硬件設(shè)計(jì)
    采集器需要進(jìn)行繁重的數(shù)據(jù)通信，所以采用市電供電，且有備用的3．6 V的鋰電池。采集器主要由電源模塊、MCU模塊、射頻模塊、存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘芯片組成。電源模塊采用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的LM1117；微處理器采用低功耗、性能杰出的MSP430F149芯片；射頻芯片為Noridic公司的SI4432；存儲(chǔ)模塊采用AT24C256；時(shí)鐘芯片選擇Dallas公司生產(chǎn)的DS12887，此芯片自帶晶振及電池，在沒有外部電源的情況下可工作10年，具有三種可編程中斷，月誤差在1 min之內(nèi)。
3．3 集中器的硬件設(shè)計(jì)
   集中器主要以無(wú)線的方式與采集器和監(jiān)控中心進(jìn)行通信。集中器的主要功能是向采集器發(fā)送抄表指令，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)控中心。集中器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電源模塊、ARM9、射頻模塊、GPRS模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤、LCD。

    集中器采用市電供電，帶有備用鋰電池。穩(wěn)壓芯片采用LM1117；處理器采用三星公司的S3C2440A，主頻為400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，該處理器功耗極低，片上資源豐富；射頻芯片采用Noridic公司的SI4432；存儲(chǔ)模塊有兩個(gè)部分：SDRAM和FLASH，兩塊容量為32 MB，16位數(shù)據(jù)線的SDRAM并行組成32位，直接與處理器相連，用以運(yùn)行程序，F(xiàn)LASH為64 MB的NND FLASH；LCD為7寸真彩色TFT液晶屏。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件是基于IAR Embedded Workbench平臺(tái)，采用C語(yǔ)言開發(fā)，主要包括燃?xì)獗碇悄芙K端、采集器、集中器三個(gè)部分。
4．1 燃?xì)獗碇悄芙K端的設(shè)計(jì)
    燃?xì)獗碇悄芙K端主要和采集器以及手持抄表器進(jìn)行通信。系統(tǒng)上電后首先初始化硬件，然后向采集器發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，之后根據(jù)收到的指令完成相應(yīng)的工作，流程圖如圖3所示。

4．2 采集器軟件設(shè)計(jì)
    采集器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠校瑸榱私档拖到y(tǒng)的整體功耗，采用了變頻的方法。數(shù)據(jù)在一級(jí)網(wǎng)絡(luò)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)采用不同的頻點(diǎn)。采集器在進(jìn)行初始化后配置相應(yīng)的參數(shù)，然后向集中器發(fā)送路由請(qǐng)求，構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)完成后切換頻率，保持和采集器在同一個(gè)頻率，進(jìn)入接收模式，等待來(lái)自集中器的指令。
4．3 集中器軟件設(shè)計(jì)
    集中器作為小區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，向上通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信；向下通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)與采集器和燃?xì)獗斫K端通信。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件初始化，配置相應(yīng)的寄存器參數(shù)，隨GPRS模塊和無(wú)線射頻模塊都進(jìn)入接收模式。主要完成兩個(gè)任務(wù)：等待采集器初始化后，發(fā)送路由請(qǐng)求，完成自組網(wǎng)；等待監(jiān)控中心發(fā)送的指令。監(jiān)控中心在每次抄表之前都要首先和集中器進(jìn)行校時(shí)，校時(shí)結(jié)束后集中器再和采集器進(jìn)行校時(shí)，以保證整個(gè)抄表網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。若收到監(jiān)控中心的抄表指令，則把相應(yīng)的指令發(fā)送到采集器，完成單個(gè)抄表，局部抄表以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)抄表。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文提出的自動(dòng)抄表系統(tǒng)將燃?xì)獗碇弊x技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中抄表。系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮低功耗，燃?xì)獗碇悄芙K端采用了先進(jìn)的電源管理模式，同時(shí)一級(jí)網(wǎng)絡(luò)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率，減少了彼此間的干擾，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，提高了系統(tǒng)的可靠性。采集器與燃?xì)?/strong>表智能終端以無(wú)線方式通信，無(wú)需人工布線，布置靈活，后期容易維護(hù)。目前，該系統(tǒng)已在南通市崇川區(qū)部分小區(qū)使用，實(shí)踐證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)，布置靈活，實(shí)用性強(qiáng)，并可適用于水表、電表等。