無線網絡抄表系統的設計

陳　業

摘要：分析了電表抄表系統的主要特征。介紹了目前幾種主要的抄表技術的優缺點，從兼顧系統性能與成本的角度出發，設計實現了一種無線網絡抄表系統，重點介紹了這種無線網絡抄表系統的系統結構和主要關鍵技術。

關鍵詞：無線網絡；嵌入式系統；誤碼率

中圖法分類號：TP309.05 文獻標識碼：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

分時電表在抄表過程中，每個用戶需要抄錄幾個不同的數值，這增加了抄表工人手工抄表的工作量，降低了工作效率，同時也容易出現混淆、錯誤，也容易導致用戶與供電企業的糾紛。

有鑒于此，目前市場上已出現無線（或者有線）抄表的分時電表。例如基于電力線載波的有線抄表系統、基于紅外線技術的無線抄表系統、基于ZigBee技術的無線抄表系統等。每種設計方案均有其優點，但是也均存在著如下一些缺點：

（1）基于電力線載波有線抄表技術的優點有：可以充分利用已有的供電線路，易于實現遠距離傳輸，采集所得的數據實時性較好等。但也有著如下一些缺點：在電表內植入載波模塊的硬件成本高；線路在經歷變壓器的位置需要安裝集中器；傳輸距離較長時，載波信號衰減嚴重，需要進行中繼。

（2）基于紅外線技術的無線抄表技術的優點有：硬件成本較低；抗電磁干擾能力強；結構緊湊等。但也有著如下一些缺點：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；只能進行點對點的直線傳輸；距離大于一米時，傳輸的數據速率較低，一般僅為幾個到十幾個字節的控制碼。

（3）基于ZigBee技術的無線抄表技術的優點有：協議簡單；無需布線；快速組網等。主要的缺點有：硬件成本較高；功能簡單。

因此如何設計出一種能夠兼顧性能與生產成本的自動抄表系統，已成為保障分時電價政策推行的重要問題。

1 Wireless USB無線技術

在本設計方案中用到了Wireless USB技術，故首先介紹Wireless USB技術。

Wireless USB實際上是USB技術的延伸，可以簡單理解為，將USB傳輸方式從有線變為無線。

Wireless USB解決方案專門針對短距離多點到單點的無線連接而設計。Wireless USB使PC外設、游戲控制器、遙控、玩具及其他任何點到點或多點到單點應用都能實現無線連接，并以低成本的2.4GHz無線解決方案取代有線連接。

Wireless USB系統起著USB人機接口設備的作用，因此無線連接在操作系統層面上對設計人員是透明的即無驅動程序?；赪ireless USB的HID（人機接口設備）解決方案進一步降低了成本，延長電池使用壽命。此外，Wireless USB還可在各種其他應用（非USB）中實現簡便而廉價的無線連接，其中包括工業、消費電子和醫療類型市場。

Wireless USB特性如下：全球通用、低成本、針對電池供電設備進行了專門優化、雙向/單向操作、多點到單點連接、USB HID兼容性、支持協同定位鏈接、在噪聲環境下性能穩定及無標準符合方面的問題。

2 設計方案

首先，介紹本系統總體設計：如圖1所示，本系統由一個手持數據采集端和N個電表組成。手持數據采集端、電表中各裝有一個無線收發模塊。二者之間通過無線信號進行通信。通過無線信道，手持數據采集端和N個電表構成了一個無線局域網。

圖1

2.1 電表端的設計

對于電表部分，傳統的分時電表在硬件上主要有這幾塊：電表專用的∑—⊿模數轉換芯片、用于控制以及顯示的MCU芯片、LCD顯示屏。而在本設計方案中，電表的硬件上主要有這幾塊：電表專用的∑—⊿模數轉換芯片、用于控制以及顯示的MCU芯片、LCD顯示屏、無線收發芯片。在實際中，有些Wireless USB芯片把MCU模塊和無線收發模塊集成在同一塊芯片中。比如Cypress公司的CYRF69103芯片；CYRF69103芯片包括兩個模塊——MCU模塊、無線收發模塊，兩個模塊之間通過芯片內部的SPI總線進行數據的讀寫。如果選用這種類型的芯片，則可以降低電表端的生產成本。

圖2

電表部分的體系結構如圖2所示：電表專用的∑—⊿模數轉換芯片將數據傳給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∑—⊿模數轉換芯片的數據；（2）將用電數據顯示在LCD顯示屏上；（3）滿足特定條件時，對本芯片內部的無線收發模塊進行讀寫操作。Wireless USB芯片的無線收發模塊在內部MCU的控制下，可進行無線通信。

2.2數據采集端的設計

對于手持式數據采集部分，如圖3所示，本設計方案在硬件上主要有這幾塊：Wireless USB無線收發芯片、ARM芯片、LCD顯示、觸摸屏。在輸入輸出角度，Wireless USB無線收發芯片負責與電表內的無線收發模塊進行無線通信；而ARM芯片主要干5件事：（1）通過SPI總線，對Wireless USB無線收發芯片進行讀寫操作；（2）控制LCD屏的顯示；（3）接受觸摸屏的輸入；（4）當與PC機相連時，通過USB進行數據通信。（5）可以通過GPRS無線上網，與遠程的PC機進行通信，實現數據的實時交互。

圖3

3 主要功能的實現

3.1 基本功能的實現

當使用者拿著數據采集端(即手持式數據采集部分)進入一區域時，系統要做兩件工作：詢問、數據采集。

1、詢問——在ARM芯片的控制下，Wireless USB無線收發芯片發出無線詢問信號，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號發送出去。數據采集端的Wireless USB無線收發芯片收到電表的ID號后，做出記錄。

2、數據采集——在ARM芯片的控制下，Wireless USB無線收發芯片發出數據采集信號，告知附近的電表：將各自的用電數據傳送過來。電表收到該無線信號后，就將本電表的用電數據發送出去。ARM芯片收到數據后，先進行處理，然后存入數據庫。

3.2 誤碼率測試功能

與有線網絡相比，無線網絡的誤碼率顯得更加突出。每種型號的Wireless USB無線收發芯片均有一個有效傳輸距離；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。由于本設計方案將引入轉發機制，誤碼率經歷轉發將會被進一步放大，所以不能僅靠重發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，測出不同通信距離時的誤碼率，進一步就可以在詢問到的節點中排除那些誤碼率較高的節點。

3.3 電表數據轉發功能

為了提高工作效率，需要進行電表數據轉發，將有效傳輸距離以外的一些電表數據通過其他電表轉發的方式，發送到數據采集端。

無線通信最根本的要求是快速、準確的進行數據傳輸。轉發機制可以使數據采集變得更加快捷，但同時也使誤碼率上升。因此，上述的轉發過程需要解決下列問題：

1、各個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。由其中一個電表發出詢問信號，接受到該信號的電表發出應答，從而知道一個電表的周圍存在哪些電表。并且，還可以由該電表發出測試碼，測出誤碼率。

2、由源電表出發，經過轉發電表，到達數據采集端的最佳或較佳轉發路徑是什么？在本課題中，求最佳轉發路徑的目的，在于得出一條誤碼率最低的轉發路徑。本方案中，將相鄰電表節點之間的傳輸誤碼率映射為權值；即誤碼率越高，權值越大；誤碼率越低，權值越小。權值設定好之后，利用適當的算法（比如Dijkstra算法、Ford-Fulkerson方法）計算轉發路徑。權值最小的路徑就是最佳轉發路徑。

4 結語

無線通信最根本的要求是快速、準確的進行數據傳輸；同時，嵌入式系統的開發，又經常需要在性能和成本之間進行權衡。通過電表間數據的相互轉發，并選擇合適的轉發路徑，可以較大程度地挖掘系統的潛力，提升系統的性能，降低系統的成本。

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收稿日期：

作者簡介：陳業（1977-），男，江蘇省建湖縣人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統。