基于矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計

耿勇杰

摘 要：針對現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失的問題，該文提出了一種基于矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進方案。這種方案相對于星形網(wǎng)絡(luò)和簇樹狀網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中某一個路由節(jié)點出現(xiàn)問題時，不會出現(xiàn)像星形的整個網(wǎng)絡(luò)或者簇樹狀網(wǎng)絡(luò)的某一層網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，進而提高的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的效率。矩形網(wǎng)絡(luò)也不像網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)那么復(fù)雜，此網(wǎng)絡(luò)采用定點組網(wǎng)的技術(shù)，每個無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點都有相對應(yīng)的坐標，在采集系統(tǒng)工作中，能夠時刻查看具體坐標采集節(jié)點的工作情況。隨著采集節(jié)點的增加，該種方案相對于其他三種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點逐漸增加。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)采集 矩形結(jié)構(gòu) 定點組網(wǎng) 采集節(jié)點

中圖分類號：TP30 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0020-02

最近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種類型的傳感器被普通家庭所使用，這就帶來了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法最優(yōu)的問題。到目前為止，市面上已經(jīng)有很多基于無線傳感器的智能抄表技術(shù)，但是在實際的運用中，往往會出現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)丟失的問題。該文針對現(xiàn)有的無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)中的不足，提出了一種新的組網(wǎng)技術(shù)。這種新的技術(shù)既要具有像網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)一樣具有較高的可靠性，而且還要避免因為某一節(jié)點的損壞而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)或者部分網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。在架構(gòu)簡潔的情況下最大限度的達到對信號傳輸?shù)摹皽蚀_、可靠、無冗余”[2]。并且這種新的組網(wǎng)形式必須具有較高的穩(wěn)定性和魯棒性。同時通過一個3*3矩形網(wǎng)絡(luò)進一步驗證了此種方法的可行性。

1 平臺總體設(shè)計方案

1.1 矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的模型

如圖1所示，系統(tǒng)模型主要由協(xié)調(diào)器和路由采集節(jié)點組成，其中路由采集節(jié)點同時具有路由器和無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點的功能。

（1）P0（x0，y0，z0）表示整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，功能是接收并處理所有采集到的數(shù)據(jù)。

（2）每個采集節(jié)點中的數(shù)字i表示第i級無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

（3）網(wǎng)絡(luò)的傳輸方向是第i級網(wǎng)絡(luò)向與之相鄰的第（i-1）級網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

1.2 基于矩形網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)采集方案

基于矩形結(jié)構(gòu)的居民無線數(shù)據(jù)的采集有三部分組成：矩形結(jié)構(gòu)的居民無線采集網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、云端的主控平臺顯示系統(tǒng)。總體框圖如圖2所示。

其中，需要對用戶的溫度表、熱量表、水表、電能表、煤氣表（以下簡稱為“五表”）的數(shù)據(jù)進行實時采集，每戶的數(shù)據(jù)采集終端同時具有采集和網(wǎng)絡(luò)路由功能。一樓1戶到三樓3戶一共9戶的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個簡易的3*3結(jié)構(gòu)的矩形網(wǎng)絡(luò)。

在進行數(shù)據(jù)傳輸時，每一級數(shù)據(jù)處理器收集傳感器采集到的“五表”數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行壓縮、標號、打包處理。在此過程中發(fā)送設(shè)備會與指定的兩個到三個次級傳輸網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點通過多次握手建立傳輸通道，無線數(shù)據(jù)采集完成以后發(fā)送設(shè)備會把采集的的數(shù)據(jù)分別發(fā)送到這些與之相鄰采集節(jié)點。矩形結(jié)構(gòu)在傳輸過程中，如果某個網(wǎng)絡(luò)路由在出現(xiàn)故障時，對其他用戶數(shù)據(jù)的傳輸影響將大大減小。

2 硬件設(shè)計

2.1 “五表”的原理

對用戶的數(shù)據(jù)采集中，主要是對用戶的“五表”進行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，每一種表都是通過單片機進行模擬的。模擬電表的主控芯片是ATmega16單片機，無線發(fā)送模塊采用的是NRF24L01無線射頻模塊。

2.2 路由采集節(jié)點的組成

每個用戶的路由采集節(jié)點，不僅具有數(shù)據(jù)的采集功能，而且具有網(wǎng)絡(luò)路由的功能。該路由采集節(jié)點選用的是CC2430芯片模塊。

在路由采集終端主要又兩部分組成：數(shù)據(jù)收集存儲單元和ZigBee模塊。

（1）數(shù)據(jù)收集存儲單元的主控芯片為ATmega16單片機，它控制無線射頻模塊NRF24L01接收“五表”數(shù)據(jù)。

（2） ZigBee模塊選擇的是CC2430，通過I/O口與單片機相連從而實現(xiàn)IIC通信。同時它還具有路由器的功能，結(jié)合上一級路由器發(fā)來的數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)穆酚善靼l(fā)送端，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給下一級無線路由器。

2.3 協(xié)調(diào)器與3G模塊的工作原理

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點，負責設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等任務(wù)，它與路由節(jié)點和采集終端通信并把數(shù)據(jù)發(fā)送到3G模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器包括主控模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊、兩路USART通信端口、3G通信模塊和供電模塊[3]。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)上述硬件電路，對該無線系統(tǒng)軟件進行編程的思路是：先對整個系統(tǒng)進行初始化，這包括ZigBee控制芯片、NRF24L01無線接收器件以及模擬電表初始化，而后系統(tǒng)將對網(wǎng)絡(luò)進行自動搜尋，網(wǎng)絡(luò)綁定后將對五個住宅儀表數(shù)據(jù)進行定時采集，并時刻偵聽次級路由器處于何種工作狀態(tài)，根據(jù)次級路由器的工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或等待，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，整個系統(tǒng)將進入休眠模式，從而等待系統(tǒng)喚醒之后再次進行無線數(shù)據(jù)的采集和傳遞[3]。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是無線數(shù)據(jù)檢測的接收端與3G通信網(wǎng)絡(luò)連接的紐帶，不僅提供了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行的環(huán)境，而且對住宅數(shù)據(jù)進行了中轉(zhuǎn)，它的運行情況決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。其工作流程包括：創(chuàng)建ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)、配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、路由采集節(jié)點加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)和各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

4 實驗結(jié)果分析

為實現(xiàn)矩形網(wǎng)絡(luò)對無線數(shù)據(jù)采集方案的可行性，首先通過串口測試在無線數(shù)據(jù)發(fā)送給3G模塊之前，協(xié)調(diào)器是否能正常接收到每個用戶五表的數(shù)據(jù)。通過上位機就可以觀察到每家用戶的部分表的用量。該系統(tǒng)一共模擬了9戶住宅當日和當月的五表用量的顯示，圖3顯示了203用戶當月的計量表總量圖。

5 結(jié)語

該文針對現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失的問題，提出了一種基于矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進方案。在進行3*3矩形網(wǎng)絡(luò)對其進行驗證是，應(yīng)用到了CC2430進行對無線采集路由和協(xié)調(diào)器進行了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪M，同時用AVR單片機做了對家庭電表的模擬，總體驗證了矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。通過以上的分析和驗證，進一步證明了矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中是可以實現(xiàn)的，進一步加強了無線網(wǎng)絡(luò)的魯棒。

參考文獻

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