CN103021154A - 一种基于Ad Hoc的无线抄表系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Ad Hoc的无线抄表系统，属于无线通信技术领域；该无线抄表系统包括终端采集器、中心节点和上位机抄表中心；终端采集器负责采集仪表上的数据并将采集到的数据发送到中心节点，终端采集器与中心节点，以及终端采集器之间组成Ad Hoc网络；中心节点负责分配网络地址，接收终端采集器所采集的数据，并通过GSM模块与上位机抄表中心建立无线通信连接，发送或接收数据与控制信号；上位机抄表中心负责接收并管理从中心节点传送的数据，并向中心节点发出控制信号；该无线抄表系统在节点发生错误的时候，可以自动报警，提示错误节点，同时还具有建设和维护费用低、可靠性高、功耗低、易于实施等优点。

Description

一种基于Ad Hoc的无线抄表系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于Ad Hoc的无线抄表系统。

背景技术

随着社会的不断发展与进步,越来越多的自动化技术被引入到人们的生产生活中,这一倾向也体现在自动化仪表方面。随着各种仪表在不同场合应用的不断增多，对仪表数据的采集、管理也成为人们越来越关心的问题。

早期的抄表方法都是现场手动抄表，抄表工作人员需到用户处读取数据，将数据经过人工重新输入计算机进行处理。这种抄表方式在仪表数量相对较少、仪表位置相对集中的情况下效果不错，但对于仪表数量较多、仪表位置比较分散的情况，这种传统的手动抄表方式的许多弊端就会体现出来：例如在工业现场，一些仪表可能被放置在距离很远或着是工作环境很恶劣的地方，这些都不利于抄表工作人员去现场手动抄表；并且，如果单个仪表发生故障，工作人员将很难发现；再者传统仪表手动抄表消耗大量人力物力，且效率低下，还可能发生估抄、错抄、漏抄、错算等问题，因此，目前陆续出现了一些自动抄表系统。

目前应用的自动抄表系统主要有以下几种：

GPRS无线抄表系统：这种无线抄表系统的特征在于采用多计算机芯片进行控制和作业的方法，该系统有很多可行之处，但是需要租用运营商的网络,并且当网络节点较多时,成本较高。在系统运行过程中，多计算机芯片的运行也会导致运行速度较慢。

自动路由无线远传智能抄表系统：该系统在点对点无线抄表的基础上增加了自动路由抄表的功能，该系统的弊端在于当一个路由节点发生故障时，该路径上传输的数据会发生错误，但是系统并不能及时发现出错的路由节点。

基于无线POS终端的移动抄表系统：该系统的特点在于包括有无线POS的终端机、GPRS通讯系统、APN专线以及电力管理服务支撑系统。该系统的缺点在于，仍然需要工作人员上门入户抄写数据，同样，该系统也存在组网过程中不能报错的漏洞。

红外无线抄表系统：基于采集终端和掌上电脑（PDA）红外数据传输的抄表解决方案，该系统的缺点是距离短，仍然需要进入室内，才能获取抄表数据。

载波抄表系统：该系统利用低压电力线把用户有关信息用载波方式传送到集中器,从而实现台区内用户表计信息的集中抄收。由于电力线是非通讯用线路,其干扰和衰减都很大,使电力线载波数据传输的可靠性很低,误码率高。

ZigBee网络抄表系统：ZigBee是工作于2.4GHz的网络,虽然它具有传输数率高、通信协议丰富等诸多优点,但由于ZigBee存在与W iFi、蓝牙同频干扰,以及穿透性和灵敏度较差、距离不尽人意问题,难以适应实际要求。

综上，目前现有的无线抄表系统主要存在以下缺点：数据传输过程中会因为同频干扰、传输距离、穿透物体的物理性质等不确定因素，也会使得最终得到的数据丢失或者不精确；传输数据速率和通信范围较小，不适合承载数据较大的业务，且未考虑到业务扩展；无论是前期资金投入还是后期改造投入，成本较高。如果节点过多，资金投入将会更多，不利于实际应用。

因此，需要一种建设和维护费用低、可靠性高、易于实施的无线抄表系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于Ad Hoc的无线抄表系统，该系统具有以下特点：

(1)不仅可以抄收同一栋楼的数据，还可以在相邻楼层之间进行数据传输，因此，一个相邻楼层只要建立一个中心节点即可，节省了前期投入和后期维护。

(2)同时，在节点发生错误的时候，本系统可以自动报警，提示错误节点，并且其转发的节点可以隔开发生错误的节点，自动跳转到其相邻节点。

(3)由于抄表系统并不是时时在抄收数据，所以，当系统没有抄手数据时，各个节点会进入睡眠状态，当发送数据节点向中心节点发出请求时，节点从睡眠状态转型，当数据抄收结束，又转为睡眠状态。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于Ad Hoc的无线抄表系统，包括终端采集器、中心节点和上位机抄表中心；所述终端采集器负责采集仪表上的数据并将采集到的数据发送到中心节点，终端采集器与中心节点，以及终端采集器之间组成Ad Hoc网络；所述中心节点负责分配网络地址，接收终端采集器所采集的数据，并通过GSM模块与上位机抄表中心建立无线通信连接，发送或接收数据与控制信号；所述上位机抄表中心负责接收并管理从中心节点传送的数据，并向中心节点发出控制信号。

进一步，所述无线抄表系统还包括手持式通信器；所述手持式通信器通过无线信道与中心节点建立连接，控制中心节点进行数据采集并接收中心节点传送的数据，在完成数据采集后，手持式通信器再将所接收的数据交换至上位机抄表中心。

进一步，所述终端采集器包括微处理器、存储器、无线通信模块和电源模块；

所述微处理器采用STC89C52，用于控制终端采集器完成Ad Hoc组网算法、控制数据采集和转发；所述存储器用于完成路由信息、入网信息的存贮，采用AT24C1024作为存储器芯片；所述无线通信模块用于完成终端采集器与中心节点之间的帧信息的发送和接收，以及将采集到的抄表数据发送至中心节点，无线通信模块采用CC1101芯片；所述电源模块采用TPS61020稳压电源，为终端采集器供电。

进一步，所述中心节点包括微处理器、无线通信模块、GSM模块、存储器和电源模块；所述微处理器采用MSP430芯片，用于控制中心节点完成Ad Hoc组网和数据交换；所述无线通信模块采用CC1101芯片，用于完成中心节点和终端采集器之间的帧信息的发送和接收，以及抄表数据的传送；所述GSM模块用于实现中心节点和上位机抄表中心之间的无线通信；所述存储器采用AT24C1024芯片，用于完成路由信息、入网信息的存储；所述电源模块采用TPS61020稳压电源，为中心节点供电。

进一步，所述手持式通信器包括微处理器、无线通信模块、存储器和USB模块；所述微处理器采用MSP430芯片，用于实现对手持式通信器的系统控制、数据处理和数据交换；所述无线通信模块采用CC1101芯片，用于建立手持式通信器与终端采集器之间的无线通信连接；所述存储器采用AT24C1024芯片，用于完成仪表数据及相关信息的存贮；所述USB模块用来完成手持式通信器与其他终端设备的数据交换。

进一步，所述上位机抄表中心包括用户管理模块、GSM通信模块和手持式通信器接口模块；所述GSM通信模块用于与中心节点建立无线通信连接；所述手持式通信器接口模块用于与手持式通信器进行数据交换；所述用户管理模块包括仪表数据管理模块，用户注册信息管理模块和用户信息管理模块，用于实现用户仪表数据及用户信息的管理。

进一步，每个终端采集器有一个固定的设备地址，进入Ad Hoc网后被分配一个网络地址，每个终端采集器网络地址都由中心节点分配，采用的是终端发起网络法，其具体过程为：

1)对Ad Hoc网络中每一个节点发送的信息进行组帧，分为，唤醒帧，入网帧，响应帧，抄表帧、数据帧和休眠帧；

2)唤醒帧只能由中心节点发出，平时为了节能，每个终端采集器节点处于休眠状态，终端采集器节点处于休眠状态下被唤醒后，转发唤醒帧，依次唤醒各终端采集器节点，如果终端采集器节点没响应,则向上层报告节点出错信息及位置；

3)唤醒后的终端采集器节点，发送入网帧，入网帧内容包括发起者设备地址，入网次数，转发节点的设备地址，为了防止入网帧在网内无限制的漫游，定义规则：每个节点保存有入网帧的信息，已转发的信息不再转发；

4)中心节点收到入网帧后，根据入网帧经过的采集器节点设备地址，可以确定出中心节点与每个终端采集器节点的路由信息，根据这些信息向各终端采集器节点发响应帧，响应帧中包含路由信息，分配的网络地址，从而建立起了Ad Hoc网；

5)中心节点需要抄表时，发抄表帧，终端采集器节点收到后发数据帧，如果任务完成，中心节点发休眠帧，则一次抄表结束。

进一步，终端采集器根据以下流程采集和发送抄表数据：当终端采集器端收到从中心节点端发送来的抄表命令，则先进行地址检查，若地址不符合，则说明命令是发给其它节点的，则转发命令，并继续等待；若地址符合，则进行抄表数据采集并传送给中心节点端；数据正常传送完毕后，中心节点端按照相关的协议检验数据，如果数据出现错误，则重新发送抄表命令，如果正确则向上位机抄表中心发送数据。

进一步，中心节点根据以下流程判断终端采集器是否异常：中心节点通过无线通讯方式向终端采集器端发送抄表命令，同时开始计时；如果终端采集器端没有数据返回，超时后中心节点端会重新发送命令；以三次为界，若重复发送三次仍未有数据返回，则认为是终端采集器工作异常，将异常信息记录并发送给上位机抄表中心。

本发明的有益效果在于：（1）可以减少发送功率，采集节点组成自组织网以后，当节点与其覆盖范围之外的节点通信时，可以用中间节点的多跳转发；采集节点可以作为路由节点，转发其它采集节点的数据；相邻采集节点之间能通信就可以了，大大减少发送功率，减少成本。

（2）异常节点检测，在组网过程中，可以检测不能入网的节点,从而实现异常节点检测报警功能。

（3）基于Ad Hoc的无线抄表系统还具有维护费用低、可靠性高、费用合理等优点。

此外，该系统不仅可以抄收同一栋楼的数据，还可以在相邻楼层之间进行数据传输，因此，一个相邻楼层只要建立一个中心节点即可，节省了前期投入和后期维护；同时，在节点发生错误的时候，本系统可以自动报警，提示错误节点，并且其转发的节点可以隔开发生错误的节点，自动跳转到其相邻节点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述无线抄表系统的结构图；

图2为终端采集器的硬件结构图；

图3为中心节点的硬件结构图；

图4为手持式通信器的硬件结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述基于Ad Hoc的无线抄表系统的系统结构图，如图所示，本无线抄表系统包括终端采集器、中心节点和上位机抄表中心；所述终端采集器负责采集仪表上的数据并将采集到的数据发送到中心节点，终端采集器与中心节点，以及终端采集器之间组成Ad Hoc网络；所述中心节点负责分配网络地址，接收终端采集器所采集的数据，并通过GSM模块与上位机抄表中心建立无线通信连接，发送或接收数据与控制信号；所述上位机抄表中心负责接收并管理从中心节点传送的数据，并向中心节点发出控制信号。

作为本实施例的进一步改进，无线抄表系统还包括手持式通信器；该手持式通信器可以为客户提供一个备用选择，当GSM有故障或者不开通GSM模块时，可以通过手持式通信器进行抄表；由于组成了Ad Hoc网络，所以对于高层楼房，抄表员不必上楼，只需在楼下，通过无线信道与中心节点进行数据交换，即所述手持式通信器通过无线信道与中心节点建立连接，控制中心节点进行数据采集并接收中心节点传送的数据，在完成数据采集后，手持式通信器再将所接收的数据交换至上位机抄表中心。手持式通信器包括微处理器、无线通信模块、存储器和USB模块；所述微处理器采用MSP430芯片，用于实现对手持式通信器的系统控制、数据处理和数据交换；所述无线通信模块采用CC1101芯片，用于建立手持式通信器与终端采集器之间的无线通信连接；所述存储器采用AT24C1024芯片，用于完成仪表数据及相关信息的存贮；所述USB模块用来完成手持式通信器与其他终端设备的数据交换；作为进一步改进，该手持式通信器还包括节能控制模块、键盘，LCD显示屏等

本实施例中所述的终端采集器负责采集仪表上的数据并将采集到的数据发送到中心节点，终端采集器与中心节点，以及终端采集器之间组成Ad Hoc网络；组网后，各终端采集器既发送自己的采集数据，同时还作为路由节点，转发其它采集器采信的数据；所有终端采集器地位平等，可以随时加入网络与离开网络，一个节点的故障不会影响整个网络的运行。

终端采集器包括微处理器、存储器、无线通信模块和电源模块；微处理器是终端采集器的核心，完成Ad Hoc组网算法，采集数据，转发数据等程序的运行；在本实施例中采用STC89C52，它是一种低成本、低功耗、高性能CMOS8位微控制器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。存储器主要完成路由信息、入网信息的存贮等功能，本实施例中采用AT24C1024作为存储器芯片，AT24C1024提供1,048,567位的串行可电擦除和可编程只读存储器（EEPROM）。无线通信模块用于完成终端采集器与中心节点之间的帧信息的发送和接收，以及将采集到的抄表数据发送至中心节点，无线通信模块采用CC1101芯片，CC1101是1GHz一下的UHF收发芯片，为极低功耗的无线应用而设计，并有休眠功能，以降低功耗。它具有低成本，低功耗，无需申请频点，支持无线传感器网络技术，传输可靠，工作频段灵活等优点，为数据包的处理、数据缓冲、突发数据传输、电磁波激发、连接质量指示等提供广泛的硬件支持，并且还具有内置硬件CRC检验功能和点对多点通讯地址控制功能。所以选用它与低廉微控制器STC89C52一起可以组成得到高性能的RF系统。电源采用采用TPS61020为稳压电源，为系统提供稳定的电压，并且具有低压指示功能，处理单元可根据此指示向用户发出报警信息。

中心节点是Ad Hoc网络的一个重要组成部分，负责分配网络地址，同时还可以通过GSM模块经无线信道发送与接收上位机抄表中心的数据与控制信号；在组网过程中，当发现终端采集器异常或故障时，可以通过GSM模块向上位机抄表中心报告；上位机抄表中心也可以通过GSM发出抄表指令，中心节点负责将所在网络的各终端采集器的抄表数据上传。

中心节点包括微处理器、无线通信模块、GSM模块、存储器和电源模块；所述微处理器采用MSP430芯片，用于控制中心节点完成Ad Hoc组网和数据交换；所述无线通信模块采用CC1101芯片，用于完成中心节点和终端采集器之间的帧信息的发送和接收，以及抄表数据的传送；所述GSM模块用于实现中心节点和上位机抄表中心之间的无线通信；所述存储器采用AT24C1024芯片，用于完成路由信息、入网信息的存储；所述电源模块采用TPS61020稳压电源，为中心节点供电。

上位机抄表中心负责接收并管理从中心节点传送的数据，并向中心节点发出控制信号；上位机抄表中心包括用户管理模块、GSM通信模块和手持式通信器接口模块；所述GSM通信模块用于与中心节点建立无线通信连接；所述手持式通信器接口模块用于与手持式通信器进行数据交换；所述用户管理模块包括仪表数据管理模块，用户注册信息管理模块和用户信息管理模块，用于实现用户仪表数据及用户信息的管理。

在本实施例中，每个终端采集器有一个固定的设备地址，进入Ad Hoc网后被分配一个网络地址，每个终端采集器网络地址都由中心节点分配，采用的是终端发起网络法，其具体过程为：

1)对Ad Hoc网络中每一个节点发送的信息进行组帧，分为，唤醒帧，入网帧，响应帧，抄表帧、数据帧和休眠帧；

2)唤醒帧只能由中心节点发出，平时为了节能，每个终端采集器节点处于休眠状态，终端采集器节点处于休眠状态下被唤醒后，转发唤醒帧，依次唤醒各终端采集器节点，如果终端采集器节点没响应,则向上层报告节点出错信息及位置；

3)唤醒后的终端采集器节点，发送入网帧，入网帧内容包括发起者设备地址，入网次数，转发节点的设备地址，为了防止入网帧在网内无限制的漫游，定义规则：每个节点保存有入网帧的信息，已转发的信息不再转发；

4)中心节点收到入网帧后，根据入网帧经过的采集器节点设备地址，可以确定出中心节点与每个终端采集器节点的路由信息，根据这些信息向各终端采集器节点发响应帧，响应帧中包含路由信息，分配的网络地址，从而建立起了Ad Hoc网；

5)中心节点需要抄表时，发抄表帧，终端采集器节点收到后发数据帧，如果任务完成，中心节点发休眠帧，则一次抄表结束。

终端采集器根据以下流程采集和发送抄表数据：当终端采集器端收到从中心节点端发送来的抄表命令，则先进行地址检查，若地址不符合，则说明命令是发给其它节点的，则转发命令，并继续等待；若地址符合，则进行抄表数据采集并传送给中心节点端；数据正常传送完毕后，中心节点端按照相关的协议检验数据，如果数据出现错误，则重新发送抄表命令，如果正确则向上位机抄表中心发送数据。

中心节点根据以下流程判断终端采集器是否异常：中心节点通过无线通讯方式向终端采集器端发送抄表命令，同时开始计时；如果终端采集器端没有数据返回，超时后中心节点端会重新发送命令；以三次为界，若重复发送三次仍未有数据返回，则认为是终端采集器工作异常，将异常信息记录并发送给上位机抄表中心。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：包括终端采集器、中心节点和上位机抄表中心；

所述终端采集器负责采集仪表上的数据并将采集到的数据发送到中心节点，终端采集器与中心节点，以及终端采集器之间组成Ad Hoc网络；

所述中心节点负责分配网络地址，接收终端采集器所采集的数据，并通过GSM模块与上位机抄表中心建立无线通信连接，发送或接收数据与控制信号；

所述上位机抄表中心负责接收并管理从中心节点传送的数据，并向中心节点发出控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：所述无线抄表系统还包括手持式通信器；所述手持式通信器通过无线信道与中心节点建立连接，控制中心节点进行数据采集并接收中心节点传送的数据，在完成数据采集后，手持式通信器再将所接收的数据传送至上位机抄表中心。

3.根据权利要求1所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：所述终端采集器包括微处理器、存储器、无线通信模块和电源模块；

所述微处理器采用STC89C52，用于控制终端采集器完成Ad Hoc组网算法、控制数据采集和转发；

所述存储器用于完成路由信息、入网信息的存贮，采用AT24C1024作为存储器芯片；

所述无线通信模块用于完成终端采集器与中心节点之间的帧信息的发送和接收，以及将采集到的抄表数据发送至中心节点，无线通信模块采用CC1101芯片；

所述电源模块采用TPS61020稳压电源，为终端采集器供电。

4.根据权利要求1所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：所述中心节点包括微处理器、无线通信模块、GSM模块、存储器和电源模块；

所述微处理器采用MSP430芯片，用于控制中心节点完成Ad Hoc组网和数据交换；

所述无线通信模块采用CC1101芯片，用于完成中心节点和终端采集器之间的帧信息的发送和接收，以及抄表数据的传送；

所述GSM模块用于实现中心节点和上位机抄表中心之间的无线通信；

所述存储器采用AT24C1024芯片，用于完成路由信息、入网信息的存储；

所述电源模块采用TPS61020稳压电源，为中心节点供电。

5.根据权利要求2所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：所述手持式通信器包括微处理器、无线通信模块、存储器和USB模块；

所述微处理器采用MSP430芯片，用于实现对手持式通信器的系统控制、数据处理和数据交换；

所述无线通信模块采用CC1101芯片，用于建立手持式通信器与终端采集器之间的无线通信连接；

所述存储器采用AT24C1024芯片，用于完成仪表数据及相关信息的存贮；

所述USB模块用来完成手持式通信器与其他终端设备的数据交换。

6.根据权利要求5所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：所述上位机抄表中心包括用户管理模块、GSM通信模块和手持式通信器接口模块；

所述GSM通信模块用于与中心节点建立无线通信连接；

所述手持式通信器接口模块用于与手持式通信器进行数据交换；

所述用户管理模块包括仪表数据管理模块，用户注册信息管理模块和用户信息管理模块，用于实现用户仪表数据及用户信息的管理。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：每个终端采集器有一个固定的设备地址，进入Ad Hoc网后被分配一个网络地址，每个终端采集器网络地址都由中心节点分配，采用的是终端发起网络法，其具体过程为：

（1）对Ad Hoc网络中每一个节点发送的信息进行组帧，分为，唤醒帧，入网帧，响应帧，抄表帧、数据帧和休眠帧；

（2）唤醒帧只能由中心节点发出，平时为了节能，每个终端采集器节点处于休眠状态，终端采集器节点处于休眠状态下被唤醒后，转发唤醒帧，依次唤醒各终端采集器节点，如果终端采集器节点没响应,则向上层报告节点出错信息及位置；

（3）唤醒后的终端采集器节点，发送入网帧，入网帧内容包括发起者设备地址，入网次数，转发节点的设备地址，为了防止入网帧在网内无限制的漫游，定义规则：每个节点保存有入网帧的信息，已转发的信息不再转发；

（4）中心节点收到入网帧后，根据入网帧经过的采集器节点设备地址，可以确定出中心节点与每个终端采集器节点的路由信息，根据这些信息向各终端采集器节点发响应帧，响应帧中包含路由信息，分配的网络地址，从而建立起了Ad Hoc网；

（5）中心节点需要抄表时，发抄表帧，终端采集器节点收到后发数据帧，如果任务完成，中心节点发休眠帧，则一次抄表结束。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：终端采集器根据以下流程采集和发送抄表数据：当终端采集器端收到从中心节点端发送来的抄表命令，则先进行地址检查，若地址不符合，则说明命令是发给其它节点的，则转发命令，并继续等待；若地址符合，则进行抄表数据采集并传送给中心节点端；数据正常传送完毕后，中心节点端按照相关的协议检验数据，如果数据出现错误，则重新发送抄表命令，如果正确则向上位机抄表中心发送数据。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的基于Ad Hoc的无线抄表系统，其特征在于：中心节点根据以下流程判断终端采集器是否异常：中心节点通过无线通讯方式向终端采集器端发送抄表命令，同时开始计时；如果终端采集器端没有数据返回，超时后中心节点端会重新发送命令；以三次为界，若重复发送三次仍未有数据返回，则认为是终端采集器工作异常，将异常信息记录并发送给上位机抄表中心。

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