基于无线传感器网络的移动式城市燃气表监控与管理系统

论文摘要

城市供电、水、煤气、热水等事业虽在迅速发展,但行业和管理水平却相对落后。国内外许多年来一直是采用查表收费的模式,传统的手工抄表方式由查表人员入户查表计费,然后再由收费人员入户收费或将帐单送到用户,通过银行进行结算,这种方式费时、费力,准确性和及时性得不到保障,已经不适应社会的发展需求了。随着无线电技术的发展,芯片生产成本的降低,将无线电技术用于燃气部门是大势所趋。利用无线传感器网络管理燃气表信息完全可以解决人工管理燃气表信息和有线网络管理燃气表信息方法的不足,这主要是因为其安装灵活方便,建设周期短,造价低廉。无线传输的方式,使系统有很大的灵活性,发射功率小,非常适合于民用设备。论文根据燃气表监控与管理功能要求,构建基于无线传感器网络的城市燃气表监控与管理系统框架结构。详细分析了燃气表监控节点和燃气数据采集与管理汇聚节点的功能,完成各种类型节点的设计方案。通过无线通信方式形成网络,非相邻节点通过多跳路由来进行相互之间的通信,从而实现数据的远距离传输。综合考虑数据的可靠传输性和无线传感器网络的节点使用寿命,对网络节点的数据传输多跳路由协议进行分析与设计。论文设计了无线传感器网络节点硬件电路和软件功能。通过转换和采集,将传统的燃气表机械式的流量信息转换为数字信号。由嵌入式微处理器对其进行存储与管理,通过无线的数据传输接口,实现数据的接收与传送。根据燃气抄表任务的要求,研究了基于PDA的燃气数据采集与管理汇聚节点软件实现方法,完成对燃气表无线传感器网络节点的监控和管理。论文将PDA技术与无线传感器网络技术相结合,设计了基于无线传感器网络的移动式城市燃气表监控与管理系统。通过对无线网络节点数据采集方法及数据传输路由协议,完成了燃气表监控节点设计和基于PDA的燃气数据采集与管理汇聚节点软件设计,实现了城市燃气表网络化、无线化和移动化管理,节约了人力成本,提高了燃气表监控与管理系统的自动化程度和灵活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题提出的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 无线网络结构与传输通信协议
• 2.1 无线传感器网络体系结构
• 2.2 无线传感器网络的分层设计
• 2.2.1 物理层设计
• 2.2.2 数据链路层设计
• 2.2.3 网络层设计
• 2.2.4 传输层设计
• 2.3 无线传感器网络的特点
• 2.4 IEEE802.15.4 标准概述
• 2.5 IEEE802.15.4/ZigBee 协议模型
• 2.5.1 物理层
• 2.5.2 媒体访问控制层
• 2.5.3 网络层
• 2.5.4 应用层
• 2.6 本章小结
• 3 基于无线传感器网络的移动式城市燃气表监控与管理系统结构及路由协议
• 3.1 燃气表监控与管理系统结构
• 3.2 无线燃气抄表系统路由协议
• 3.2.1 基于最小跳数的燃气数据路由协议
• 3.2.2 节点配置设定
• 3.2.3 链接质量估计
• 3.2.4 邻居节点数据表管理
• 3.3 协议执行
• 3.3.1 父节点选择
• 3.3.2 数据包侦听
• 3.3.3 循环
• 3.3.4 重复数据包剔除
• 3.3.5 队列管理
• 3.4 本章小结
• 4 城市燃气数据表监控与管理系统网络节点设计实现
• 4.1 网络节点芯片选型
• 4.1.1 微控制器
• 4.1.2 导入EEPROM/FLASH
• 4.2 数据采集节点硬件设计
• 4.3 硬件设计实现
• 4.4 硬件设计抗干扰措施
• 4.4.1 电源线与地线设计原则
• 4.4.2 去耦电容设计
• 4.4.3 高速PCB 设计
• 4.5 软件设计
• 4.5.1 nRF ShockBurst 模式
• 4.5.2 典型ShockBurst TX 流程图
• 4.5.3 典型的ShockBurst RX 流程图
• 4.5.4 数据存储的格式
• 4.5.5 数据管理流程图
• 4.5.6 节能模式
• 4.6 基于PDA 的汇聚节点
• 4.7 基于PDA 的汇聚节点人机交互界面
• 4.7.1 主界面
• 4.7.2 系统设置界面
• 4.7.3 抄表数据下载界面
• 4.7.4 现场抄表界面
• 4.7.5 抄表界面
• 4.7.6 抄表数据查询界面
• 4.7.7 抄表数据上传界面
• 4.8 本章小结
• 5 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录