基于矩形结构网络的无线抄表系统的设计

耿勇杰

摘 要：针对现有无线数据采集系统数据丢失的问题，该文提出了一种基于矩形结构网络无线数据采集系统的改进方案。这种方案相对于星形网络和簇树状网络，在网络中某一个路由节点出现问题时，不会出现像星形的整个网络或者簇树状网络的某一层网络瘫痪的现象，进而提高的网络传输数据的效率。矩形网络也不像网状网络那么复杂，此网络采用定点组网的技术，每个无线数据采集节点都有相对应的坐标，在采集系统工作中，能够时刻查看具体坐标采集节点的工作情况。随着采集节点的增加，该种方案相对于其他三种网络的优点逐渐增加。

关键词：无线数据采集 矩形结构 定点组网 采集节点

中图分类号：TP30 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0020-02

最近几年，物联网技术的迅猛发展，各种类型的传感器被普通家庭所使用，这就带来了无线传感器网络数据传输方法最优的问题。到目前为止，市面上已经有很多基于无线传感器的智能抄表技术，但是在实际的运用中，往往会出现各种采集数据丢失的问题。该文针对现有的无线传感器数据传输组网中的不足，提出了一种新的组网技术。这种新的技术既要具有像网状网络一样具有较高的可靠性，而且还要避免因为某一节点的损坏而导致整个网络或者部分网络的瘫痪。在架构简洁的情况下最大限度的达到对信号传输的“准确、可靠、无冗余”[2]。并且这种新的组网形式必须具有较高的稳定性和鲁棒性。同时通过一个3*3矩形网络进一步验证了此种方法的可行性。

1 平台总体设计方案

1.1 矩形结构网络的模型

如图1所示，系统模型主要由协调器和路由采集节点组成，其中路由采集节点同时具有路由器和无线数据采集节点的功能。

（1）P0（x0，y0，z0）表示整个网络的协调器，功能是接收并处理所有采集到的数据。

（2）每个采集节点中的数字i表示第i级无线传感网络。

（3）网络的传输方向是第i级网络向与之相邻的第（i-1）级网络传输数据。

1.2 基于矩形网络的无线数据采集方案

基于矩形结构的居民无线数据的采集有三部分组成：矩形结构的居民无线采集网络、无线数据传输系统、云端的主控平台显示系统。总体框图如图2所示。

其中，需要对用户的温度表、热量表、水表、电能表、煤气表（以下简称为“五表”）的数据进行实时采集，每户的数据采集终端同时具有采集和网络路由功能。一楼1户到三楼3户一共9户的数据采集网络构成了一个简易的3*3结构的矩形网络。

在进行数据传输时，每一级数据处理器收集传感器采集到的“五表”数据，并对数据进行压缩、标号、打包处理。在此过程中发送设备会与指定的两个到三个次级传输网络相邻节点通过多次握手建立传输通道，无线数据采集完成以后发送设备会把采集的的数据分别发送到这些与之相邻采集节点。矩形结构在传输过程中，如果某个网络路由在出现故障时，对其他用户数据的传输影响将大大减小。

2 硬件设计

2.1 “五表”的原理

对用户的数据采集中，主要是对用户的“五表”进行数据的实时监测，每一种表都是通过单片机进行模拟的。模拟电表的主控芯片是ATmega16单片机，无线发送模块采用的是NRF24L01无线射频模块。

2.2 路由采集节点的组成

每个用户的路由采集节点，不仅具有数据的采集功能，而且具有网络路由的功能。该路由采集节点选用的是CC2430芯片模块。

在路由采集终端主要又两部分组成：数据收集存储单元和ZigBee模块。

（1）数据收集存储单元的主控芯片为ATmega16单片机，它控制无线射频模块NRF24L01接收“五表”数据。

（2） ZigBee模块选择的是CC2430，通过I/O口与单片机相连从而实现IIC通信。同时它还具有路由器的功能，结合上一级路由器发来的数据同时传输的路由器发送端，然后把数据发送给下一级无线路由器。

2.3 协调器与3G模块的工作原理

ZigBee网络协调器是数传网络的重要节点，负责设备控制、任务调度、通信协议、数据转存等任务，它与路由节点和采集终端通信并把数据发送到3G模块。ZigBee网络协调器包括主控模块、无线数据发射模块、两路USART通信端口、3G通信模块和供电模块[3]。

3 软件设计

根据上述硬件电路，对该无线系统软件进行编程的思路是：先对整个系统进行初始化，这包括ZigBee控制芯片、NRF24L01无线接收器件以及模拟电表初始化，而后系统将对网络进行自动搜寻，网络绑定后将对五个住宅仪表数据进行定时采集，并时刻侦听次级路由器处于何种工作状态，根据次级路由器的工作状态进行数据的发送或等待，数据发送完毕后，整个系统将进入休眠模式，从而等待系统唤醒之后再次进行无线数据的采集和传递[3]。

网络协调器是无线数据检测的接收端与3G通信网络连接的纽带，不仅提供了网络节点运行的环境，而且对住宅数据进行了中转，它的运行情况决定了整个系统的稳定性[3]。其工作流程包括：创建ZigBee协调器网络、配置系统网络、路由采集节点加入协调器网络和各个网络节点之间的数据传输[4]。

4 实验结果分析

为实现矩形网络对无线数据采集方案的可行性，首先通过串口测试在无线数据发送给3G模块之前，协调器是否能正常接收到每个用户五表的数据。通过上位机就可以观察到每家用户的部分表的用量。该系统一共模拟了9户住宅当日和当月的五表用量的显示，图3显示了203用户当月的计量表总量图。

5 结语

该文针对现有无线数据采集系统数据丢失的问题，提出了一种基于矩形结构网络无线数据采集系统的改进方案。在进行3*3矩形网络对其进行验证是，应用到了CC2430进行对无线采集路由和协调器进行了无线数据传输的模拟，同时用AVR单片机做了对家庭电表的模拟，总体验证了矩形结构网络在无线数据传输的可行性。通过以上的分析和验证，进一步证明了矩形结构网络在无线数据网络中是可以实现的，进一步加强了无线网络的鲁棒。

参考文献

[1] 李东旭.无线传感器网络能量高效路由算法研究及协议栈优化[D].大连：大连理工大学，2008：67-68.

[2] 马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，25（4）：114-124.

[3] 张冰川，刘雪岩，奇冀，等.基于3G和ZigBee技术的居民住宅供暖温度远程监测系统设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2014（1）：129-133.

[4] 李晓峰，徐永军，任丰原.无线传感器网络技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007：129-131.