基于Wavenis協議的無線遠程抄表系統設計與實現

石 偉，朱保林

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于Wavenis協議的無線遠程抄表系統設計與實現

石 偉，朱保林

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對目前遠程抄表的現狀，介紹了一種基于Wavenis協議的無線抄表系統設計方案，該系統包括通信協議、硬件電路設計和軟件設計3大模塊。測試結果表明，該系統運行穩定，可廣泛應用于水、電、氣各類無線遠程抄表，具有良好的應用前景。

無線通信；遠程抄表；Wavenis

0 引言

目前我國各大城市基本上都是采用人工抄表的形式，這種傳統方式存在著人力成本高、效率低、管理混亂等缺點，已不能滿足日益增長的各類表計業務需求。近年來自動抄表技術發展非常迅速，目前大部分自動抄表系統都是基于電力載波技術、藍牙技術、ZigBee技術、WiFi技術和GPRS技術，但這些技術的應用都有其難以解決的瓶頸問題。如電力載波技術在電力高負荷運轉時抗干擾能力差[1]；藍牙技術和ZigBee技術傳輸距離短；WiFi技術功耗太大，對于小數據量通信領域性價比太低；GPRS技術屬于付費頻段，推廣成本太高。

近年來由法國Coronis Systems公司開發的Wavenis無線通信技術具有耗電量極低、作用距離大和組網方便等特點，非常適合數據量較小的各類抄表系統，但這種技術目前處于研發和推廣階段，國內還沒有相應的報道與應用。

1 Wavenis技術簡介

Wavenis無線通信是法國Coronis Systems公司開發的無線技術，應用領域涵蓋水電氣遠程抄表、環境溫度監測和各類傳感邏輯分析等。Wavenis技術采用“內置協議”的方式與Wavecard, Wavetalk, Waveflow和Wavefront等硬件結合使用[2]。該協議通過簡單設置可支持433 MHz，868 MHz和915 MHz三個免費頻段，利用跳頻頻譜展開（frequency-hopping spread spectrum，FHSS）技術和載波偵聽多址訪問（carrier sense multiple access，CSMA）技術可以避免沖撞從而提高信道利用率。

Wavenis協議支持點對點、廣播、輪詢和多繼傳輸等通信機制，有利于組建和管理多樣類型的網絡系統。Wavenis協議結構采用了統一的主機控制接口（host controller interface，HCI），通過各種不同的HCI命令可以訪問Wavenis鏈路管理層（LM layer）和媒介訪問控制層（MAC layer）。通信協議可以采用中繼的形式，但中繼次數不能超過3次。

Wavenis模塊功耗極低，工作電流只有10 μA，且絕大部分時間處于休眠狀態，電池供電時間可達15 a；無線通信距離遠，若發射功率為+14 dBm，接受靈敏度為-110 dBm，可視距離可達1 km。其協議結構見圖1。

圖1 Wavenis 協議結構Fig.1 Wavenis Protocol structure

2 系統網絡通信機制

本系統通信網絡結構如圖2所示，這是一個星型、中繼相結合的綜合型網絡系統，由采集器、中繼路由和上位控制器3大部分構成。系統上位機與因特網絡相連，具有協調器功能，在本系統中具有唯一性，上電時負責創建和恢復網絡，平時是網絡通信的發起者和終結者；中繼具有路由功能，負責網絡數據的轉發；采集器和采集卡終端采用485總線通信。

圖2 系統網絡結構圖Fig.2 The system network structure

中繼、采集器和采集卡采用電池供電，平常處于休眠狀態，有通信任務時通過中斷喚醒。當采集器收到上位機發出的抄表命令時，采集卡將采集的數據通過采集器和中繼將數據轉發給上位機，并將數據存儲在本終端上備查。如果上位機收到正確的數據后發布一個確認命令，相應中繼和采集器又重新休眠，等待下一次的喚醒。

3 硬件系統設計

采集器和中繼路由硬件結構如圖3所示。顯然兩者的硬件電路是一樣的，其差別由軟件定義區分。終端系統由CPU、存儲電路、無線通信電路和供電電路等幾部分組成。考慮到Coronis公司為MSP430提供了優化協議棧的工具開發包，為了開發方便，控制器采用MSP430F149單片機。單片機通過RS485串行接口與底層的數字表進行有線通信，存儲器采用帶I2C總線接口的FM24C04。無線通信模塊選用Coronis Systems公司開發的Waveflow，通信頻段設置為868 MHz，通信接口為SPI總線。

圖3 終端方框圖Fig.3 Block diagram of the terminal

上位機硬件結構如圖4所示。本系統中上位機是核心，其地位相當于網關，主要功能是收集并處理各終端發送過來的數據，然后將數據通過因特網傳送到本地區的管理部門，從而實現遠程抄表的目的。無線收發模塊采Coronis Systems公司的Wavefront模塊，為了使Wavefront和MSP430F149電平兼容，系統使用2.3 V供電。

圖4 上位機方框圖Fig.4 Block diagram of position machine

4 軟件系統設計

系統軟件是基于Wavenis HCI協議棧進行通信，開發環境為IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.30。系統功能可分為初始化網絡、采集數據和無線傳輸3個部分，其中網絡初始化分為創建網絡和恢復網絡2類。采集器和路由與上位機的通信協議幀格式為：控制字（1 byte）+連接句柄（2 byte）+數據長度（1 byte）+數據起始指針（2 byte）。其中控制字表明當前數據的意義，如創建恢復網絡、抄表命令、抄表數據、應答確認等；連接句柄為各采集器的端點號（地址）；數據長度和數據起始地址都是采集終端返回的數據長度和存儲位置，以便于上位機讀取。上位機軟件程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機軟件流程圖Fig.5 The software flowchart of position machine

由于上位機的作用相當于一個網關，所以它的作用既要擔當Wavenis網絡的協調器，也要處理Wavenis與互聯網的通訊。采集終端和中繼軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 中繼、終端軟件流程圖Fig.6 The flowchart of trunking and terminal software

終端功能包括數據采集和中繼轉發，平時處于休眠狀態，采用定時喚醒和中斷喚醒相結合的方式進行工作。

5 結語

本設計采用超低功耗MSP430F149作為核心處理器，其顯示器、測量終端的硬件實物如圖7所示。

圖7 系統實物圖Fig.7 The system physical diagram

測量終端采用螺旋狀天線結構，發射功率為10 mW，顯示器采用軟導線結構天線，接受靈敏度為-105 dBm，兩者之間采用點對點查詢通信方式，通信頻率為868 MHz，通信成功率和可視通信距離如表1所示。表1顯示Wavenis有效通訊距離超過100 m，這一結果與同類型產品相比具有明顯的技術優勢，完全到達了設計要求，具有很好的應用前景。

表1 通訊距離測試結果Table 1 The test results of communication distance

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（責任編輯：申 劍）

Design and Realization of Wireless Remote Meter-Reading System Based on Wavenis

Shi Wei，Zhu Baolin
（School of Electronic and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007, China）

Aiming at the current remote meter reading status, introduces a design scheme of wireless meter reading system based on protocol Wavenis. The system includes three modules of communication protocol, hardware circuit design and software design. The test results show that the system is stable and can be widely applied to water, electricity and gas wireless remote meter reading, which has a good application prospect.

wireless communications；remote meter reading；Wavenis

TM76

A

1673-9833(2015)02-0054-03

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.010

2014-11-24

湖南省教育廳科研基金資助項目(13C057)，湖南工業大學大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金資助項目（201348）

石 偉（1975-），男，湖南株洲人，湖南工業大學副教授，研究方向為無線電子技術，E-mail：68696405@qq.com