江西三川水表股份有限公司 曾茂华 宋财华
摘要: 本文章简单地介绍一个比较完整的无线网络集抄系统。
关键字: Zigbee，TinyOS，中继，无线节电，无线远程终端，无线手持机，无线hub，上位机管理系统。
一，引言
现阶段，无线网络技术正飞速地进入许多应用领域，与有线设备相比其具有成本低、携带方便、无需布线等优点，特别适用于手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、用户识别、信号采集、水文气象监控、无线数字语音、数字图像传输等系统的应用。
比较熟悉的有,基于IEEE802.15.4的Zigbee,和UC Berkeley（加州大学伯克利分校）开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计的TinyOS.
Zigbee是一种短距离、低速率、低功耗无线网络技术，Zigbee技术的主要特点有，数据传输速率低，功耗低，网络容量大，优良的网络拓扑能力自愈能力，ISM频段。
TinyOS主要应用于农业监测，环境监测，等信息采集系统中。
二，正文
结合Zigbee，Tinyos，优缺点，我公司开发一套比较完整的，拥有自主知识产权的水表无线网络集抄系统。
系统具有如下特点：
ü ISM433MHz，节点的网络编号和工作频率都可以更改，网络资源丰富。
ü 每个节点出厂时都有唯一的32位身份识别码（ID，也可以叫编号）。
ü 数据传输速率为50 kbps，且传输过程已经过加密，快速而稳定。
ü 所有节点都为全功能节点，任何一个节点都可以作为中继。
ü 每个节点都是全功能节点，可以记忆多条路由信息。
ü 手持机的抄表信息以文件形式存放，管理方便。
ü 硬件和软件均为模块化设计，层次分明，容易扩展和修改。
ü 上位机管理系统，操作界面友好。
集抄系统由三部分组成：
1，上位机管理系统；
2，无线节电（安装于水表中）；
3， 远程终端（无线手持机，无线HUB）。
无线节点：具有双向无线通信功能，除了要采集水表信息，控制水表开关阀，还担任着通信路由的角色。
远程终端：可以是手持机，也可以是带有GPRS功能的数据集中器（无线hub）。
无线节点安装于水表中，实时的采集，监控水表的运行情况；远程终端采集无线节点的信息，传送到上位机管理系统中。
图2.0
2.1 无线节点
2.1.1无线节电硬件结构
图2.1所示为无线节点的硬件结构，它由传感器模块、执行模块、处理模块、无线通信模块和电源供应模块组成。传感器模块即干簧管检测模块，用来获取水管中水的流量。执行模块在水表系统就是阀门控制模块。这两部分模块都可以根据实际情况更改或删减。处理模块负责整个无线节点的数据获取、处理、存储，其中运行的无线通信协议不仅要把自己的数据安全有效的发出去，还要处理其他节点发来的数据，根据实际情况确定是否需要转发。无线通信模块的作用，顾名思义，就是与其它节点或终端通信，根据需要交换数据。电源模块（电池）给整个系统提供电源。
图2.1 WNMR节点的硬件结构
图2.2所示的网络拓扑为无线节点两种常用的网络拓扑。
图2.2 无线节点网络拓扑结构
星形网络是一种单跳(single-hop)系统，节点直接与终端通讯，如图2.2中A图所示。在各种网络结构中，星状网的功耗控制最容易，从发出指令到获得数据的时间延迟也最小，然而其通信距离有限，通常ISM频段的传输距离为100～300米或者更低，可以用在一些对通信距离要求不高的场合。
如果需要更大的通信范围，就要采用树形网络拓扑。树形网是一种多跳（multi-hop）系统，如图2.2中B图所示，可以把终端看作“树干”（图2.2中B中的黑色结点），把承担中继任务的节点看作“树枝”（图2.2中B中的灰色节点），剩下的没有中继任务的节点便是“树叶”了（图2.2中B中的白色节点）。终端的位置确定后，第一次访问某个节点需要指令以“泛洪”的方式发送，即网络中的所有节点都会响应这种命令，一旦找到目标节点，目标的应答数据包传输路经上的节点会自动记忆目标节点，这样就建立了一个目标节点的路由表，这样终端第二次在同一地点访问同一目标时就不必再使用“泛洪”方式，网络中的节点会根据各自路由表自动选择数据包的流动方向。
终端在每次工作过程中的位置最好不要有太大变化（最好是固定），否则网络的路由表就无法确定，这样会导致每次都必须使用“泛洪”方式的指令才能访问节点，从而造成网络能量的浪费。如果“树干”上的某个节点（图2.2中B中的灰色节点）失效，也需要重新选择路由，否则会丢失失效节点以后的“树干”和“树枝”。
2.1.2 无线节点软件结构
WNMR节点的软件设计采用了面向对象的模块式架构，总体结构如图2.3所示。
图2.3 无线节点的软件结构
为了在不同硬件平台上的移植方便，且具有一定的通用性，硬件驱动部分被独立出来作为一个模块，这个模块提供了相对标准化的软件接口给上层软件（通信协议、用户API和功耗管理）使用，上层软件被设计成与平台无关，这样就可以大大简化系统在不同硬件平台之间的移植。中断程序由于其特殊性而被独立出来。
通信协议也被设计成平台无关，具有一定的独立性，添加用户API对通信协议有任何影响。建立路由表的工作也是由通信协议自动完成的，用户API不必干涉。功耗管理实际上是通信协议的一部分，因为在我们的应用中，网络功耗是衡量一个无线网络的重要指标，这需要网络中的所有节点共同参与协调。
通信协议、功耗管理、硬件驱动、中断管理属于系统的内核，对用户API来说都是不可见的，用户API无需关心内核，只需要根据指令执行相应的功能。
这种软件结构是具有一定的针对性的，即在实现所需功能的前提下减小代码量。目前除开用户API的内核代码量只有不到4KB，加上用户API也不会超过8K，因此可以在系统中使用更便宜的单片机，而功能却不会受到任何影响。
为了降低节点的功耗，节点采取了分时段工作和间歇侦听的策略，即在正常工作时段每2秒侦听20ms，这20ms内如果没有检测到有效的唤醒指令则进入休眠状态，如果检测到了有效的唤醒指令则持续接收30秒，然后再回到间歇侦听状态。在非正常工作时段节点不再侦听网络，而始终保持休眠状态。
2.1.3 无线集抄系统的通信机制
通信协议是无线集抄系统的基础，也是核心。
无线通信协议独立出来的目的就是为了给无线节点提供与其它节点互相访问并裁决数据取向的能力。为了使通信协议紧凑而有效，且与用户API完全分离，我们参考了OSI标准模型，将整个通信协议按层次划分为如图3.1所示。
从应用的角度出发，我们没有采用完全的七层OSI标准模型，而只使用了其中的四层。通信协议中的物理层主要完成对RF电路的硬件控制，给MAC层提供统一的数据收发接口。物理层的另一个很重要的任务就是加密和解密，数据经过加密才能发送出去，收到的数据必须经过解密和通过校验后才能送到MAC层，这种通讯方式加强了通信的保密性和安全性，可以防止通信过程被恶意监听，还可以增强系统的抗干扰能力。
MAC层的主要任务是避免信道的碰撞和竞争，保证数据传输的有效性。在表类数据采集这种应用中的无线节点有其自身的限制和特点（如成本低、能量少，功能单一），使得其MAC协议有别于其他无线网络，目前研究人员已经提出了很多针对无线网络的MAC协议，如基于信道竞争的SMAC、TMAC、Sift协议和基于时分复用的DEANA、DMAC等协议。各种方法的目的都是减少不必要的能量消耗，尽量避免信道的竞争和碰撞。结合目前的实际情况，必须采用一种简单而有效的方法，在参考这些协议后，最后采用了一种基于信道竞争的MAC协议，节点采取一种主动的“半随机”避让策略，不仅实现简单，还大大降低了出现信道冲突现象的机率。
链路层的主要任务是实现节点间的“多跳路由”，并将有效的数据包提供给应用层。每个节点都有记忆路由的能力，如果电池耗尽，节点中记录的路由表也随之消失，即使换上新电池也需要重新建立路由表。
应用层的作用是提供用户所需要的各种其他的功能。
2.2 集抄系统远程终端
远程终端，收集无线节点所采集的水表具体信息，并通过一定的方式提供给上位机管理系统，远程终端没有路由功能。远程终端根据需要可以有多种形式，我们这里是无线手持机和无线hub。
无线手持机是远程移动终端，具有和节点完全相同的无线通信电路，可以和节点互相通信，采集节点所收集的数据。无线手持机采用高增益天线，增加手持机的通信范围，界面友好，采用USB接口与PC机进行数据交换，采用文件系统管理数据。
无线hub是远程固定终端，无线hub具有双向无线通信功能，是上位机管理系统和无线节点（水表）之间的实时联系者，它采集到的水表信息，通过GPRS网络实时地传送给上位机管理系统。
2.3 无线节点（水表）的管理
无线节点采用二级身份确认。
每一个无线节点在出厂时，都有一个固定的，唯一的32位身份识别码（ID，也可以叫节点编号），这个是不能更改的。
为了方便工程应用，无线节点还有一个网络编号（即区号），这个编号是可以修改的。区号是相同的远程终端，无线节点之间，可以进行信息通信。
小结
在实际的测试中，无线节点自动组网快，具有很好的网络自愈能力，中继次数在10次以下时（常规应用，一般不会超过10次），采集水表信息的时延很短。
功耗，计量符合水表的技术要求，具有一定的抗干扰能力。
