無線網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳　業(yè)

摘要：分析了電表抄表系統(tǒng)的主要特征。介紹了目前幾種主要的抄表技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，從兼顧系統(tǒng)性能與成本的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種無線網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了這種無線網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng)；誤碼率

中圖法分類號：TP309.05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)01-10ppp-0c

The Design Of Meter Reading Based On Wireless Net

CHEN Ye

(Software College, Southeastl University, Nanjing 210096, China)

Abstract: In this paper the features of electric power meter reading are analyzed. The advantages and disadvantages of several main system of electric power meter readingare introduced. Considering the performance and the cost of the system, one type of electric power meter reading is designed. The system structure and its key technologies are detailed.

Key words: wireless net; embedded system; BER

分時(shí)電表在抄表過程中，每個(gè)用戶需要抄錄幾個(gè)不同的數(shù)值，這增加了抄表工人手工抄表的工作量，降低了工作效率，同時(shí)也容易出現(xiàn)混淆、錯(cuò)誤，也容易導(dǎo)致用戶與供電企業(yè)的糾紛。

有鑒于此，目前市場上已出現(xiàn)無線（或者有線）抄表的分時(shí)電表。例如基于電力線載波的有線抄表系統(tǒng)、基于紅外線技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)、基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)等。每種設(shè)計(jì)方案均有其優(yōu)點(diǎn)，但是也均存在著如下一些缺點(diǎn)：

（1）基于電力線載波有線抄表技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：可以充分利用已有的供電線路，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，采集所得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較好等。但也有著如下一些缺點(diǎn)：在電表內(nèi)植入載波模塊的硬件成本高；線路在經(jīng)歷變壓器的位置需要安裝集中器；傳輸距離較長時(shí)，載波信號衰減嚴(yán)重，需要進(jìn)行中繼。

（2）基于紅外線技術(shù)的無線抄表技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：硬件成本較低；抗電磁干擾能力強(qiáng)；結(jié)構(gòu)緊湊等。但也有著如下一些缺點(diǎn)：紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力較差，不能穿透墻壁；只能進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直線傳輸；距離大于一米時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率較低，一般僅為幾個(gè)到十幾個(gè)字節(jié)的控制碼。

（3）基于ZigBee技術(shù)的無線抄表技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：協(xié)議簡單；無需布線；快速組網(wǎng)等。主要的缺點(diǎn)有：硬件成本較高；功能簡單。

因此如何設(shè)計(jì)出一種能夠兼顧性能與生產(chǎn)成本的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，已成為保障分時(shí)電價(jià)政策推行的重要問題。

1 Wireless USB無線技術(shù)

在本設(shè)計(jì)方案中用到了Wireless USB技術(shù)，故首先介紹Wireless USB技術(shù)。

Wireless USB實(shí)際上是USB技術(shù)的延伸，可以簡單理解為，將USB傳輸方式從有線變?yōu)闊o線。

Wireless USB解決方案專門針對短距離多點(diǎn)到單點(diǎn)的無線連接而設(shè)計(jì)。Wireless USB使PC外設(shè)、游戲控制器、遙控、玩具及其他任何點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)到單點(diǎn)應(yīng)用都能實(shí)現(xiàn)無線連接，并以低成本的2.4GHz無線解決方案取代有線連接。

Wireless USB系統(tǒng)起著USB人機(jī)接口設(shè)備的作用，因此無線連接在操作系統(tǒng)層面上對設(shè)計(jì)人員是透明的即無驅(qū)動(dòng)程序?；赪ireless USB的HID（人機(jī)接口設(shè)備）解決方案進(jìn)一步降低了成本，延長電池使用壽命。此外，Wireless USB還可在各種其他應(yīng)用（非USB）中實(shí)現(xiàn)簡便而廉價(jià)的無線連接，其中包括工業(yè)、消費(fèi)電子和醫(yī)療類型市場。

Wireless USB特性如下：全球通用、低成本、針對電池供電設(shè)備進(jìn)行了專門優(yōu)化、雙向/單向操作、多點(diǎn)到單點(diǎn)連接、USB HID兼容性、支持協(xié)同定位鏈接、在噪聲環(huán)境下性能穩(wěn)定及無標(biāo)準(zhǔn)符合方面的問題。

2 設(shè)計(jì)方案

首先，介紹本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：如圖1所示，本系統(tǒng)由一個(gè)手持?jǐn)?shù)據(jù)采集端和N個(gè)電表組成。手持?jǐn)?shù)據(jù)采集端、電表中各裝有一個(gè)無線收發(fā)模塊。二者之間通過無線信號進(jìn)行通信。通過無線信道，手持?jǐn)?shù)據(jù)采集端和N個(gè)電表構(gòu)成了一個(gè)無線局域網(wǎng)。

圖1

2.1 電表端的設(shè)計(jì)

對于電表部分，傳統(tǒng)的分時(shí)電表在硬件上主要有這幾塊：電表專用的∑—⊿模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、用于控制以及顯示的MCU芯片、LCD顯示屏。而在本設(shè)計(jì)方案中，電表的硬件上主要有這幾塊：電表專用的∑—⊿模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、用于控制以及顯示的MCU芯片、LCD顯示屏、無線收發(fā)芯片。在實(shí)際中，有些Wireless USB芯片把MCU模塊和無線收發(fā)模塊集成在同一塊芯片中。比如Cypress公司的CYRF69103芯片；CYRF69103芯片包括兩個(gè)模塊——MCU模塊、無線收發(fā)模塊，兩個(gè)模塊之間通過芯片內(nèi)部的SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。如果選用這種類型的芯片，則可以降低電表端的生產(chǎn)成本。

圖2

電表部分的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：電表專用的∑—⊿模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)據(jù)傳給Wireless USB芯片的MCU模塊。Wireless USB芯片的MCU模塊主要干3件事：（1）接受∑—⊿模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)；（2）將用電數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上；（3）滿足特定條件時(shí)，對本芯片內(nèi)部的無線收發(fā)模塊進(jìn)行讀寫操作。Wireless USB芯片的無線收發(fā)模塊在內(nèi)部MCU的控制下，可進(jìn)行無線通信。

2.2數(shù)據(jù)采集端的設(shè)計(jì)

對于手持式數(shù)據(jù)采集部分，如圖3所示，本設(shè)計(jì)方案在硬件上主要有這幾塊：Wireless USB無線收發(fā)芯片、ARM芯片、LCD顯示、觸摸屏。在輸入輸出角度，Wireless USB無線收發(fā)芯片負(fù)責(zé)與電表內(nèi)的無線收發(fā)模塊進(jìn)行無線通信；而ARM芯片主要干5件事：（1）通過SPI總線，對Wireless USB無線收發(fā)芯片進(jìn)行讀寫操作；（2）控制LCD屏的顯示；（3）接受觸摸屏的輸入；（4）當(dāng)與PC機(jī)相連時(shí)，通過USB進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。（5）可以通過GPRS無線上網(wǎng)，與遠(yuǎn)程的PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

圖3

3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 基本功能的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)使用者拿著數(shù)據(jù)采集端(即手持式數(shù)據(jù)采集部分)進(jìn)入一區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)要做兩件工作：詢問、數(shù)據(jù)采集。

1、詢問——在ARM芯片的控制下，Wireless USB無線收發(fā)芯片發(fā)出無線詢問信號，告知附近的電表：將各自的ID號傳送過來。電表收到該無線信號后，就將本電表的ID號發(fā)送出去。數(shù)據(jù)采集端的Wireless USB無線收發(fā)芯片收到電表的ID號后，做出記錄。

2、數(shù)據(jù)采集——在ARM芯片的控制下，Wireless USB無線收發(fā)芯片發(fā)出數(shù)據(jù)采集信號，告知附近的電表：將各自的用電數(shù)據(jù)傳送過來。電表收到該無線信號后，就將本電表的用電數(shù)據(jù)發(fā)送出去。ARM芯片收到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行處理，然后存入數(shù)據(jù)庫。

3.2 誤碼率測試功能

與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)的誤碼率顯得更加突出。每種型號的Wireless USB無線收發(fā)芯片均有一個(gè)有效傳輸距離；如果距離超過有效傳輸距離，仍然可以傳輸，但是誤碼率會升高。由于本設(shè)計(jì)方案將引入轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，誤碼率經(jīng)歷轉(zhuǎn)發(fā)將會被進(jìn)一步放大，所以不能僅靠重發(fā)的方法解決誤碼問題。有鑒于此，本方案從無線通信原理出發(fā)，測出不同通信距離時(shí)的誤碼率，進(jìn)一步就可以在詢問到的節(jié)點(diǎn)中排除那些誤碼率較高的節(jié)點(diǎn)。

3.3 電表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能

為了提高工作效率，需要進(jìn)行電表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將有效傳輸距離以外的一些電表數(shù)據(jù)通過其他電表轉(zhuǎn)發(fā)的方式，發(fā)送到數(shù)據(jù)采集端。

無線通信最根本的要求是快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可以使數(shù)據(jù)采集變得更加快捷，但同時(shí)也使誤碼率上升。因此，上述的轉(zhuǎn)發(fā)過程需要解決下列問題：

1、各個(gè)電表的附近分別存在著哪些電表？該問題可以用詢問的方法解決。由其中一個(gè)電表發(fā)出詢問信號，接受到該信號的電表發(fā)出應(yīng)答，從而知道一個(gè)電表的周圍存在哪些電表。并且，還可以由該電表發(fā)出測試碼，測出誤碼率。

2、由源電表出發(fā)，經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)電表，到達(dá)數(shù)據(jù)采集端的最佳或較佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑是什么？在本課題中，求最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑的目的，在于得出一條誤碼率最低的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。本方案中，將相鄰電表節(jié)點(diǎn)之間的傳輸誤碼率映射為權(quán)值；即誤碼率越高，權(quán)值越大；誤碼率越低，權(quán)值越小。權(quán)值設(shè)定好之后，利用適當(dāng)?shù)乃惴ǎū热鏒ijkstra算法、Ford-Fulkerson方法）計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑。權(quán)值最小的路徑就是最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

4 結(jié)語

無線通信最根本的要求是快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，又經(jīng)常需要在性能和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。通過電表間數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)發(fā)，并選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，可以較大程度地挖掘系統(tǒng)的潛力，提升系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任子真,王洋,李琳.基于GPRS的智能電表的設(shè)計(jì)[J].傳感器與儀器儀表,2007(23):1-4.

[2] 劉琦濤.380V電力線載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].華東電力,2003(6).

[3] 王蘇等.基于zigbee技術(shù)在無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[J].科技資訊,2007(4).

[4] 張學(xué)習(xí)等.基于嵌入式Linux的無線電能管理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2007(15).

收稿日期：

作者簡介：陳業(yè)（1977-），男，江蘇省建湖縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。