基于擴(kuò)頻通信的無(wú)線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龔 陽(yáng)，崔 琛，王 津，余 劍

(電子工程學(xué)院, 合肥 230037)

基于擴(kuò)頻通信的無(wú)線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龔 陽(yáng)，崔 琛，王 津，余 劍

(電子工程學(xué)院, 合肥 230037)

針對(duì)基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線抄表系統(tǒng)成本高、抗干擾能力弱、通信距離受限的缺點(diǎn)，提出了一種擴(kuò)頻通信與GSM技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì);和低功耗的射頻收發(fā)芯片sx1278，設(shè)計(jì)了匯總節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及水表采集節(jié)點(diǎn)硬件電路，確定了通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，制定了相應(yīng)的組網(wǎng)算法；在抄表區(qū)域中采用抗干擾能力強(qiáng)的擴(kuò)頻通信技術(shù)進(jìn)行無(wú)線抄表，在遠(yuǎn)距離通信中采用GSM技術(shù)將匯總的水表數(shù)據(jù)傳送到控制中心，整個(gè)抄表系統(tǒng)具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、自組網(wǎng)特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制無(wú)線自組織組網(wǎng)抄表;試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自組網(wǎng)，具有較高的抄表成功率、較好的性能和廣泛的應(yīng)用前景。

無(wú)線抄表；擴(kuò)頻通信；GSM；組網(wǎng)算法

0 引言

日常生活中，水表數(shù)據(jù)的抄寫(xiě)大多使用人工抄寫(xiě)方式，由自來(lái)水公司定期派人到小區(qū)逐一進(jìn)行人工抄寫(xiě)。由于水表大多安裝在用戶樓道內(nèi)，一戶一表，分布范圍較廣，因此人工抄表存在抄表周期長(zhǎng)、效率低、成本高等缺點(diǎn)。隨著城市化、智能化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工抄表方式已不能滿足人們的需求，無(wú)線抄表[1-4]作為一種新型抄表方式逐漸被廣泛使用。

無(wú)線抄表通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自組網(wǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)上報(bào)到數(shù)據(jù)終端，具有操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)抄寫(xiě)準(zhǔn)確、抄表效率高等優(yōu)點(diǎn)。按照通信距離的遠(yuǎn)近，無(wú)線抄表可分為遠(yuǎn)程無(wú)線抄表和短距離無(wú)線抄表，其中遠(yuǎn)程無(wú)線抄表無(wú)需組建網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GPRS/GSM/CDMA等方式直接將抄表數(shù)據(jù)傳送到控制中心，通信速度快、距離遠(yuǎn)，但系統(tǒng)整體費(fèi)用比較昂貴；與之對(duì)應(yīng)的基于Zigbee技術(shù)的短距離無(wú)線抄表[5-7]，能夠?qū)崿F(xiàn)小區(qū)域范圍內(nèi)自組網(wǎng)抄表功能，具有功耗低、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，但由于通信距離短，其組網(wǎng)規(guī)模很難滿足現(xiàn)代小區(qū)水表抄寫(xiě)的需求。文獻(xiàn)[8]結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，提出了基于Zigbee和GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在局域網(wǎng)絡(luò)中采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，匯總抄表數(shù)據(jù)；在廣域網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)GPRS將抄表數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，該方案一定程度上克服了短距離無(wú)線抄表通信距離短的缺點(diǎn)，同時(shí)降低了遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的成本；但存在同頻干擾、硬件成本高、信號(hào)穿透性不強(qiáng)易被遮擋等缺點(diǎn)，當(dāng)芯片應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小區(qū)中，通信容易存在死角。

在無(wú)線通信中，擴(kuò)頻通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)；GSM技術(shù)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，本文在綜合上述抄表系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將擴(kuò)頻通信技術(shù)和GSM技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線抄表中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種兼具遠(yuǎn)程控制、集中上報(bào)與區(qū)域抄表的無(wú)線抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)集低功耗、擴(kuò)頻通信、自組網(wǎng)技術(shù)于一體，通過(guò)組網(wǎng)算法將小區(qū)內(nèi)所有水表數(shù)據(jù)傳遞至匯總節(jié)點(diǎn)；匯總節(jié)點(diǎn)將所有水表數(shù)據(jù)以GSM短信的形式上傳至控制中心，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組織組網(wǎng)抄表。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)抄表系統(tǒng)主要由水表采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、匯總節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)以及掌機(jī)五部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中水表采集節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)用戶水表中，與水表相連，用于采集用戶用水量數(shù)據(jù)并上報(bào)；中繼節(jié)點(diǎn)安裝在每棟樓的樓外，在系統(tǒng)中起到中繼的作用，各級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)水表數(shù)據(jù)的中繼最終將水表數(shù)據(jù)上傳到匯總節(jié)點(diǎn)；匯總節(jié)點(diǎn)用于完成局域網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，匯總整個(gè)抄表區(qū)域內(nèi)的所有水表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)；上位機(jī)則用于觀察和記錄上傳的水表數(shù)據(jù)；掌機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)手持設(shè)備，完成節(jié)點(diǎn)的出廠檢測(cè)以及初始化設(shè)置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的抄表系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1)低功耗：水表采集節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)采用電池供電，電池能量有限，應(yīng)當(dāng)保證使用的芯片、設(shè)計(jì)的硬件電路盡可能低功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

2)抗干擾能力強(qiáng)：由于小區(qū)結(jié)構(gòu)以及環(huán)境常常比較復(fù)雜，復(fù)雜的環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)的干擾、阻塞嚴(yán)重，使得通信效果變差，為保證無(wú)線抄表的成功率，需要無(wú)線信號(hào)有較強(qiáng)的抗干擾能力以及一定的通信距離。

3)自組網(wǎng)：無(wú)線抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵在于各節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線自組網(wǎng)，保證水表數(shù)據(jù)能夠通過(guò)組建的網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心。

2.2 基于SX1278無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

在目前基于Zigbee技術(shù)的抄表系統(tǒng)中，無(wú)線通信模塊大多采用2.4 G頻段射頻芯片，式(1)給出了無(wú)線信號(hào)在空氣中傳輸時(shí)的損耗計(jì)算公式：

Los=32.4+20lgd(km)+20lgf(MHz)

(1)

式中，Los表示傳輸損耗，單位為dB；d表示距離，單位為km；f表示工作頻率，單位為MHz。由公式(1)可知，傳輸損耗與頻率成正比，在發(fā)射功率一定的情況下，頻率越高，傳輸損耗越大，傳輸距離越短。同時(shí)由于2.4 G頻段信號(hào)波長(zhǎng)較短，信號(hào)穿透能力以及繞射能力較弱，信號(hào)容易被障礙物遮擋。

SX1278芯片是SEMTECH公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種低功耗長(zhǎng)序列收發(fā)芯片，工作頻段為137～525 MHz，支持Wireless WMBus，IEEE802.15.4 g協(xié)議，包含F(xiàn)SK、GFSK、MSK、GMSK、OOK以及擴(kuò)頻通信等多種通信方式。其特殊的擴(kuò)頻通信采用擴(kuò)展頻譜方式以及高效的循環(huán)交織糾錯(cuò)編碼，使得芯片可接收到噪聲電平以下的有用信號(hào)，具有較高的靈敏度；同時(shí)芯片接收端采用正交解調(diào)，可以去除其它雜亂信號(hào)，具有較好的抗干擾性。芯片的功率可分檔控制，在最大功率發(fā)射條件下，無(wú)遮擋環(huán)境中芯片的通信距離達(dá)到3 km；在遮擋嚴(yán)重的環(huán)境下，芯片的通信距離也能達(dá)到50 m，基本滿足復(fù)雜環(huán)境對(duì)通信距離的要求。圖2為SX1278無(wú)線通信模塊的電路設(shè)計(jì)圖。

圖2 無(wú)線通信模塊電路圖

2.3 匯總節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在抄表系統(tǒng)中，匯總節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，完成局域網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，在整個(gè)抄表系統(tǒng)中扮演著重要角色。匯總節(jié)點(diǎn)主要由GSM模塊、STM32ARM處理器、SX1278無(wú)線通信模塊、時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 匯總節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

匯總節(jié)點(diǎn)需用于匯總所有用戶的水表數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，甚至保留路由信息等，占用較大內(nèi)存，本系統(tǒng)選用STM32F103RC處理器作為匯總節(jié)點(diǎn)的控制芯片，芯片工作電壓為2.0～3.6 V，具有256K的Flash存儲(chǔ)，48KSRAM，5個(gè)USART，支持RTC和SPI通信，芯片最高工作頻率為72 M，運(yùn)算能力可達(dá)1.25 DMIPS；同時(shí)單片機(jī)具有睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式3種模式，滿足低功耗應(yīng)用的要求；提供串行單線調(diào)試和JTAG接口，可在線調(diào)試，程序代碼可以方便地寫(xiě)入和擦除。

GSM模塊選用SIMCOM公司的緊湊型、高可靠性的SIM900A模塊，模塊具有功能強(qiáng)大的ARM9216EJ-S內(nèi)核，支持串口通信，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，滿足低成本、緊湊尺寸的開(kāi)發(fā)要求。

2.4 中繼節(jié)點(diǎn)與水表采集節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

中繼節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與水表采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)基本一致，只是水表采集節(jié)點(diǎn)還需與用戶水表相連接，用于采集用戶用水量數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點(diǎn)主要為系統(tǒng)提供中繼能力，用于匯總與其直接通信的樓內(nèi)各水表采集節(jié)點(diǎn)的水表數(shù)據(jù)、接收下一級(jí)中繼匯總的所有水表數(shù)據(jù)以及向上一級(jí)中繼上報(bào)本級(jí)中繼接收到所有水表數(shù)據(jù)，保證不能與匯總節(jié)點(diǎn)直接通信的水表采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠上傳到匯總節(jié)點(diǎn)；水表采集節(jié)點(diǎn)主要用于采集用戶用水量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選擇STM8l151G4單片機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)與水表采集節(jié)點(diǎn)的處理器，STM8l151G4單片機(jī)工作電壓為1.8-3.6 V，支持電池供電，包含STM8內(nèi)核，可用多達(dá)40個(gè)外部中斷，低功耗RTC，32KB可編程Flash ，1Kbyte EEPROM，集成電池檢測(cè)、定時(shí)器、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及USART通信等功能，中繼節(jié)點(diǎn)與水表采集節(jié)點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，圖中的Hall開(kāi)關(guān)器件用于節(jié)點(diǎn)損壞更換時(shí)修改節(jié)點(diǎn)的地址信息。

圖4 中繼節(jié)點(diǎn)與水表采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的抄表系統(tǒng)結(jié)合擴(kuò)頻通信以及GSM技術(shù)，具備遠(yuǎn)程控制、集中上報(bào)與區(qū)域抄表等功能，為實(shí)現(xiàn)以上功能，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及組網(wǎng)算法的設(shè)計(jì)。

3.1 通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮到匯總節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及水表采集節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題，尤其是中繼節(jié)點(diǎn)以及水表采集節(jié)點(diǎn)，采用電池供電，安置在樓外或者用戶水表中，存在更換不易、電池成本高等問(wèn)題，因此應(yīng)當(dāng)在保證組網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，盡可能減少通信幀字節(jié)數(shù)，減少發(fā)射與接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)省電量的目的。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀分為必含包與可選包兩部分，必含包是每個(gè)數(shù)據(jù)幀中不可或缺的部分，而可選包為數(shù)據(jù)幀中根據(jù)組網(wǎng)情況可選擇的部分。考慮到抄表系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，必包含部分設(shè)計(jì)6個(gè)字節(jié)(byte)，共48位(bit)。其主要包括的內(nèi)容為：省(5 bits)、市(8 bits)、小區(qū)(8 bits)、設(shè)備地址(12 bits)、命令類(lèi)型(5 bits)、設(shè)備級(jí)數(shù)(4 bits)、后續(xù)幀標(biāo)示(1 bit)、幀類(lèi)型(1 bit)、備用(4 bits)，分別對(duì)應(yīng)a段、b段…i段。圖5為必包含部分的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中每一個(gè)方框表示一個(gè)字節(jié)。

圖5 數(shù)據(jù)幀必含包部分的結(jié)構(gòu)示意圖

其中省、市、小區(qū)用于表示水表的使用區(qū)域；設(shè)備地址設(shè)計(jì)12bits，可表示4096個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，基本滿足一般小區(qū)的規(guī)模；命令類(lèi)型、設(shè)備級(jí)數(shù)、后續(xù)幀指示以及幀類(lèi)型用于組網(wǎng)算法中的通信協(xié)議；4bits的備用幀用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

可選包部分包含3種數(shù)據(jù)格式，第一種格式為兩個(gè)字節(jié)，表示目的地址，表示接收此數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)地址；第二種格式為4個(gè)字節(jié)，包含兩個(gè)字節(jié)目的地址與兩個(gè)字節(jié)水表數(shù)據(jù)，用于水表采集節(jié)點(diǎn)直接向上級(jí)節(jié)點(diǎn)上報(bào)其水表數(shù)據(jù)；第3種數(shù)據(jù)格式為不定字節(jié)長(zhǎng)度，用于中繼節(jié)點(diǎn)上傳所匯總的水表采集節(jié)點(diǎn)的地址和水表數(shù)據(jù)。

3.2 組網(wǎng)算法

組網(wǎng)算法是整個(gè)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最為重要的部分，規(guī)定了各節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議。本文設(shè)計(jì)的組網(wǎng)算法主要考慮匯總節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及水表采集節(jié)點(diǎn)之間的通信自組網(wǎng)：水表采集節(jié)點(diǎn)只與匯總節(jié)點(diǎn)以及各級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，水表采集節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行信息交互；中繼節(jié)點(diǎn)響應(yīng)上級(jí)節(jié)點(diǎn)、下級(jí)節(jié)點(diǎn)以及與其之間通信的水表采集節(jié)點(diǎn)命令；匯總節(jié)點(diǎn)與第一級(jí)中繼以及與其直接可以通信的水表采集節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息傳遞，整個(gè)系統(tǒng)在完成組網(wǎng)的同時(shí)完成數(shù)據(jù)上傳。

匯總節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中主要起到啟動(dòng)抄表與結(jié)束抄表的作用，匯總節(jié)點(diǎn)首先建立GSM網(wǎng)絡(luò)接收上位機(jī)發(fā)送的GSM短信，然后發(fā)送抄表命令啟動(dòng)定時(shí)抄表，隨后中繼節(jié)點(diǎn)、水表采集節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)組網(wǎng)上傳水表數(shù)據(jù)，當(dāng)所有的水表數(shù)據(jù)上傳到匯總節(jié)點(diǎn)后，匯總節(jié)點(diǎn)通過(guò)GSM短信將匯總的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，完成整個(gè)抄表。匯總節(jié)點(diǎn)流程如圖6所示。

圖6 匯總節(jié)點(diǎn)流程圖

中繼節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中主要起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，放置在每棟樓的樓外，平時(shí)處于睡眠喚醒狀態(tài)，當(dāng)喚醒后監(jiān)聽(tīng)到本系統(tǒng)有效的命令后，根據(jù)命令判斷自身為第幾級(jí)中繼，隨后搜尋下屬中繼節(jié)點(diǎn)以及下屬水表采集節(jié)點(diǎn)；當(dāng)接收到下屬中繼節(jié)點(diǎn)所匯總的水表數(shù)據(jù)后，中繼節(jié)點(diǎn)將其與所接收到的下屬水表采集節(jié)點(diǎn)的水表數(shù)據(jù)一起打包，上傳給上級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)，隨后進(jìn)入睡眠喚醒狀態(tài)。中繼節(jié)點(diǎn)流程如圖7所示。

圖7 中繼節(jié)點(diǎn)流程圖

水表采集節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中主要用于采集用戶用水量數(shù)據(jù)，水表平時(shí)處于不供電狀態(tài)，SX1278無(wú)線通信模塊平時(shí)處于睡眠喚醒狀態(tài)，喚醒后檢測(cè)信道是否存在匯總節(jié)點(diǎn)或者中繼節(jié)點(diǎn)的呼叫命令。如果存在呼叫命令，單片機(jī)隨即給水表供電，水表通過(guò)串口將水表數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，隨后水表斷電以減小功耗，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊將接收到水表數(shù)據(jù)上報(bào)給上級(jí)節(jié)點(diǎn)，上報(bào)完畢，當(dāng)接收到上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)信號(hào)后，水表采集節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入睡眠喚醒狀態(tài)，降低功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命，等待下一次抄表。水表采集節(jié)點(diǎn)流程如圖8所示。

圖8 水表采集節(jié)點(diǎn)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)測(cè)試主要設(shè)置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)和組網(wǎng)抄表實(shí)驗(yàn)。根據(jù)SX1278無(wú)線通信模塊擴(kuò)頻通信的相關(guān)要求，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置為17dbm。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)：第一組，在一棟18樓層高的小區(qū)里進(jìn)行樓內(nèi)與樓外的通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1至18樓每層都能與樓外節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了中繼節(jié)點(diǎn)可以與樓內(nèi)水表采集節(jié)點(diǎn)能夠正常通信；第二組，在間隔30 m的兩棟樓同側(cè)進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，接收節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了中繼節(jié)點(diǎn)在樓與樓之間可正常通信，兩組實(shí)驗(yàn)整體驗(yàn)證了組網(wǎng)算法的可行性。

在組網(wǎng)抄表實(shí)驗(yàn)中，在一小區(qū)值班室放置1個(gè)匯總節(jié)點(diǎn)，在一單元二樓和六樓分別放置2個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，在樓內(nèi)不同樓層分別放置4個(gè)水表采集節(jié)點(diǎn)；在間隔50 m的另一棟單元樓不同樓層分別放置了3個(gè)水表采集節(jié)點(diǎn)，匯總節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)發(fā)送的短信即啟動(dòng)抄表，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)完畢后，所有水表采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到匯總節(jié)點(diǎn)，匯總節(jié)點(diǎn)將所有水表數(shù)據(jù)通過(guò)GSM短信上傳到上位機(jī)顯示，完成整個(gè)抄表，抄表結(jié)果如圖9所示。

圖9 抄表結(jié)果

為檢驗(yàn)系統(tǒng)組網(wǎng)抄表的穩(wěn)定性，進(jìn)行了30次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)每次組網(wǎng)抄表均能成功且抄表數(shù)據(jù)正確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種兼具遠(yuǎn)程控制、集中上報(bào)與近距離抄表的無(wú)線抄表系統(tǒng)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了抄表區(qū)域內(nèi)水表數(shù)據(jù)的無(wú)線抄寫(xiě)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)功耗低、抄表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、抄表成功率高；

2)組網(wǎng)算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；

3)采用擴(kuò)頻通信，提高了抗干擾性，增大了通信距離；

同時(shí)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，實(shí)用性強(qiáng)，可進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位等眾多領(lǐng)域，具有很好的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of Wireless Meter Reading System Based on Spread Spectrum Communication

Gong Yang, Cui Chen, Wang Jin, Yu Jian

(Electronic Engineering Institute, Hefei 230037,China)

In view of high cost, the weak anti-interference ability and the limited communication distance based on Zigbee wireless meter reading system, a set of wireless meter reading system design is proposed combined with spread spectrum communication and GSM technology in the paper.Design the hardware circuits of summary node, relay node and water meter acquisition node, determine the data frame structure of communication, and formulate the corresponding network algorithm, combined with the low power consumption RF transceiver chip sx1278.the spread spectrum communication technology with strong anti-jamming ability is used for wireless meter reading in the meter reading area, and the GSM technology is applied to transmit the collected meter data to the control center in long distance communication. The whole meter reading system has the advantages of low power consumption, strong anti-jamming capability, characteristics of ad-hoc network and can realize remote control wireless self-organized network meter reading. Experimental results show that the designed system can realize the stable ad-hoc network and has the higher success rate of meter reading, better properties and broader application prospects.

wireless meter reading; spread spectrum communication; GSM; network algorithm

2016-07-04；

2016-08-09。

龔 陽(yáng)(1992-)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方向的研究。

1671-4598(2016)12-0237-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.069

TN914.34

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