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户用水表无线自动抄表系统的研究与应用

作　者: 易美林
导　师: 廖国华
学　校: 中南大学
专　业: 控制工程
关键词: 抄表系统无线传感器网络 MAC协议路由协议
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要

随着城市规模的不断扩大,民用计量仪表得到了日益广泛的应用,传统的人工抄表的方式存在许多缺陷。而自动抄表方式则是新兴的、先进的抄表方式,融合了当今最先进的计算机和通信技术,能够降低设备成本、节约人力资源、提高可靠性、准确性和抄表效率,得到了越来越广泛的应用。本文设计了一种基于短距离无线自组织多跳网络的自动抄表系统。该系统分为三级,分别是无线水表、采集器和集中器,设备处理器采用超低功耗单片机MSP430F1611,无线芯片选择低功耗无线电收发器AT86RF212,无线水表采用周期性睡眠／唤醒的方式工作以降低能耗。集中器是网络的中心节点,采集器作为网络的路由节点,无线水表与集中器之间的双向通信通过多跳自组织方式实现。系统采用星型和网状拓扑结构,建立了无线自动抄表系统的网络通信模型,包括：物理层、MAC层、网络层和应用层。MAC层协议采用基于竞争的CSMA/CA协议,由于无线信道容易受干扰,为了提高数据传输的可靠性和中继节点的效率,本文采用一种基于协作的MAC协议。系统网络层路由协议采用动态源路由协议DSR,新节点部署之后,能快速发现并加入网络,建立到集中器的多条路由,可选择最佳路由向集中器发送数据。为了减少网络中的冗余数据,本文提出了一种避免数据包重复转发的方法。本文完成了抄表网络的整体结构设计,网络通信协议的设计以及系统各部分软硬件功能的设计,并进行了测试,验证了抄表方案的可行性。作为实际应用系统的前期原理性实现,小范围实验网络运行良好,完成了预期的目标。这种技术能够有效提高相关企业的管理水平,具有一定的社会和经济价值。图36幅,表23个,参考文献62篇。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-19
  1.1 课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状和发展动态  11-13
  1.3 无线传感器网络概述  13-17
    1.3.1 无线传感器网络的结构  13
    1.3.2 无线传感器网络节点的结构  13-14
    1.3.3 无线传感器网络协议栈构架  14-15
    1.3.4 无线传感器网络的特点  15-16
    1.3.5 无线传感器网络研究热点  16-17
  1.4 论文的主要研究内容  17-18
  1.5 本章小结  18-19
2 抄表系统总体方案设计  19-23
  2.1 系统概述  19
  2.2 系统需求分析  19
  2.3 系统整体设计  19-21
  2.4 系统功能设计  21-22
  2.5 无线通信频段选择  22
  2.6 本章小结  22-23
3 抄表网络通信协议的研究和设计  23-42
  3.1 抄表系统MAC协议设计  23-29
    3.1.1 无线MAC协议概述  23-24
    3.1.2 问题的提出  24-25
    3.1.3 CSMA/CA协议  25-26
    3.1.4 协同MAC协议设计  26-28
    3.1.5 MAC帧结构  28-29
  3.2 抄表系统路由协议设计  29-41
    3.2.1 无线路由协议概述  29-30
    3.2.2 两种典型无线路由协议介绍和分析比较  30-35
    3.2.3 抄表网络的特点  35
    3.2.4 抄表网络拓扑结构设计  35-36
    3.2.5 节点与采集器通信设计  36-37
    3.2.6 采集器与集中器通信的路由协议设计  37-40
    3.2.7 避免数据包重复转发设计  40-41
  3.3 本章小结  41-42
4 无线户用水表硬件设计与实现  42-53
  4.1 系统概述  42
  4.2 节点硬件功能描述  42-43
  4.3 MSP430F1611芯片及AT86RF212芯片简介  43-48
    4.3.1 MSP430F1611芯片简介  43
    4.3.2 AT86RF212无线射频芯片简介  43-48
  4.4 电源电路设计  48-49
  4.5 MSP430F1611管脚连接设计  49-50
  4.6 无线模块电源通断控制电路设计  50
  4.7 脉冲采集电路设计  50-51
  4.8 阀门电机正反转控制电路设计  51-52
  4.9 串口转RS-485电平输出电路设计  52
  4.10 本章小结  52-53
5 无线户用水表软件设计与实现  53-66
  5.1 单片机初始化程序  53-55
    5.1.1 时钟初始化程序设计  53-54
    5.1.2 SPI初始化程序设计  54
    5.1.3 串口初始化程序设计  54-55
  5.2 AT86RF212收发数据程序设计  55-57
    5.2.1 数据发送过程  55-56
    5.2.2 数据接收过程  56-57
  5.3 节点程序设计  57-63
    5.3.1 节点软件功能描述  57-58
    5.3.2 节点主程序设计  58-59
    5.3.3 节点定时器中断服务程序设计  59
    5.3.4 节点脉冲采集程序设计  59
    5.3.5 节点上报数据子程序设计  59-62
    5.3.6 节点电池电压检测程序设计  62-63
  5.4 采集器程序设计  63-64
  5.5 集中器程序设计  64-65
  5.6 本章小结  65-66
6 系统测试  66-72
  6.1 节点功能模块测试  66-67
  6.2 无线模块通信距离测试  67
  6.3 组网测试  67-71
  6.4 本章小结  71-72
7 总结与展望  72-74
  7.1 总结  72
  7.2 展望  72-74
参考文献  74-79
攻读硕士学位期间主要研究成果  79-80
致谢  80

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