自動(dòng)抄表的低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計與實(shí)現

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摘要：由于近些年來(lái)智能電網(wǎng)的大力發(fā)展需求出現了各種自動(dòng)抄表系統的應用方案，但各有不足之處未能真正在我國廣泛采用。為了實(shí)現智能電網(wǎng)自動(dòng)抄表系統的真正應用，設計了一種易于實(shí)現的、網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)小并低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，它采用ARM和MCU作為自動(dòng)抄表系統的無(wú)線(xiàn)集中器硬件平臺，并搭配Sub—GHz的射頻收發(fā)模塊，集中器與節點(diǎn)設備之間采用自定義協(xié)議的自動(dòng)組網(wǎng)形式，可實(shí)現50個(gè)節點(diǎn)自動(dòng)靈活組網(wǎng)，而且網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)小只占用4 k存儲空間。整個(gè)系統具有實(shí)用性和應用性強的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)抄表；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；低功耗；MSP430
近年來(lái)遠程自動(dòng)抄表系統ARMS(Automatic Meter Reading System)作為智能電網(wǎng)建設的基礎成為技術(shù)應用研究熱點(diǎn)之一。自動(dòng)抄表系統主要由集中器、節點(diǎn)設備、主站數據庫以及通信信道裝置組成，集中器負責把終端節點(diǎn)設備采集到的電表信息通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式傳送給電力公司的主站數據庫。而如何實(shí)現集中器與節點(diǎn)設備之間的通信是實(shí)現自動(dòng)抄表的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節。
1 研究應用現狀
目前自動(dòng)抄表系統中集中器與節點(diǎn)終端之間的通信組網(wǎng)主要有電力線(xiàn)載波傳輸(PLC)和無(wú)線(xiàn)射頻通信兩類(lèi)。
電力線(xiàn)載波傳輸的方案，其在電網(wǎng)條件良好的歐美國家應用較為普及，也是中國目前實(shí)現自動(dòng)抄表的主流技術(shù)之一，但受限于中國較差的電網(wǎng)環(huán)境，以及電力線(xiàn)載波在低壓電網(wǎng)上存在的高衰減、諧波干擾等問(wèn)題，且可靠性和抄通率都存在一些問(wèn)題。
而目前采用無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的具體方案有ZIGBEE自組織網(wǎng)和基于GPRS公共移動(dòng)通信的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表方案等。ZIGBEE是基于IEEE802．15．4標準的低功耗網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。但是成本較高，且協(xié)議復雜，對于遠程抄表的具體應用解析協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)大，所以熱門(mén)的ZIGBEE并沒(méi)有在其領(lǐng)域得到廣泛的使用。而且ZIC3BEE使用的2．4 GHz頻段則擁擠不堪，藍牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、微波爐以至車(chē)庫大門(mén)的遙控器等都在該頻段內工作，大大增加其受干擾的可能性。GPRS的無(wú)線(xiàn)抄表方案需內置GPFtS通訊模塊，并配備開(kāi)通GPRS服務(wù)的SIM卡，成本高，耗電量大。
2 系統設計
筆者設計了一種實(shí)用的低功耗無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )應用于自動(dòng)抄表系統。它由一個(gè)集中器(主機)和大量節點(diǎn)設備構成(如圖1所示)。節點(diǎn)設備可以是獨立的采集器也可以是具備采集功能的電子電表。

集中器由內置Linux的ARM平臺M3和MSP430構建，搭配了Clhipcon的射頻芯片CC1100做為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。如圖2所示。M3可以直接和網(wǎng)絡(luò )相連，負責和主站通信，MSP430負責控制和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊通信。節點(diǎn)設備由MSP430和CC1100無(wú)線(xiàn)模塊以及電表構成。
集中器可以完成以下功能：
1)實(shí)時(shí)偵測發(fā)現新節點(diǎn)
2)構建網(wǎng)絡(luò )偵測表
3)計算到任一個(gè)節點(diǎn)的最佳路徑
4)與任一個(gè)節點(diǎn)交換數據
5)WEB服務(wù)器
節點(diǎn)設備可以完成以下功能：
1)響應集中器的偵測
2)傳遞消息到其他節點(diǎn)
3)處理集中器發(fā)來(lái)的指令
4)提供日歷功能
5)測量電表參數
該系統使用Sub—GHz(低于1GHz)頻段，和ZIGBEE的2．4GHz頻段相比，頻譜環(huán)境相對潔凈，且具有傳輸距離更長(cháng)、功耗更低的優(yōu)勢。TI的MSP430和M3作為控制器具有低功耗的特點(diǎn)，在休眠狀態(tài)下可以工作數十年，這對于休眠時(shí)間遠大于工作時(shí)間的自動(dòng)抄表無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )極為重要。
MSP430內建支持網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的軟件，并只需占用4 k字節的代碼空間。集中器將有規律地逐步探測附近節點(diǎn)，直到最后登記完所有的節點(diǎn)。節點(diǎn)會(huì )收集并存儲周遭與節點(diǎn)的連接信息，為了減少內存資源的消耗，這些信息并不會(huì )永久保存在節點(diǎn)中。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中集中器將是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的控制中心，它會(huì )向節點(diǎn)發(fā)出請求，并且等待其回應。它會(huì )使用一個(gè)偵測表來(lái)構建網(wǎng)絡(luò )，并且在一定時(shí)間間隔后偵測現有網(wǎng)絡(luò )中的變化，這些變化可能是位置發(fā)生變化，也可能是因為節點(diǎn)錯誤、通信故障等異常引起的。如果偵測到這些變化，集中器將重新建立新的偵測表。所以集中器和節點(diǎn)之間構建的是自組織的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，集中器能有規律地讀取節點(diǎn)設備狀態(tài)、使用情況，獲取所需節點(diǎn)信息，也可以通知節點(diǎn)具體應用信息。
3 組網(wǎng)機制
偵測表的建立需要經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟：1)在最初的階段所有的節點(diǎn)都沒(méi)有登記；2)集中器使用特定的“discoverv”指令，設定32個(gè)時(shí)隙分別接收節點(diǎn)信號，用以偵測尋找附近的節點(diǎn)，確定如圖1中1、2和3號節點(diǎn)并向集中器登記：3)依次由1、2和3號節點(diǎn)向外發(fā)“discover v”指令，1號節點(diǎn)將接收到2、4、5號節點(diǎn)的信號，2號節點(diǎn)將收到1、4、5、6號節點(diǎn)信號，3號節點(diǎn)將收到2、5、6號節點(diǎn)信號，并且將收到的信號信息報給集中器；4)以此類(lèi)推，最后所有的節點(diǎn)都會(huì )被找到并登記，最后集中器繪制出所有節點(diǎn)的路由，具有健壯性的路由表存儲在集中器中。每一個(gè)節點(diǎn)將有不止一條可行路徑以保證網(wǎng)絡(luò )的健壯性。利用每次發(fā)送“discoverv”指令后所接收到信號的RSSI特性可以獲得兩者之間的距離，這樣將每一跳的距離總和最小作為條件就可以獲得集中器和某個(gè)節點(diǎn)的最好路由。所有節點(diǎn)和集中器之間的最好路由構成組網(wǎng)的偵測表。所有的節點(diǎn)執行兩種基本的操作：“discoverv”和“message passing”。
3．1 discovery
在discoverv操作模式，某個(gè)節點(diǎn)會(huì )發(fā)送一個(gè)特殊的包給等待被偵測發(fā)現的多個(gè)節點(diǎn)。
這些節點(diǎn)會(huì )記錄接收信號強度并隨機在32個(gè)時(shí)隙中某一個(gè)進(jìn)行回應。通過(guò)這種方式最后每一個(gè)節點(diǎn)都會(huì )被發(fā)現并被登記。發(fā)出discoverv包的可以是集中器也可以是某個(gè)已經(jīng)登記的節點(diǎn)。
3．2 message passing
節點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是沿路徑傳遞消息，這樣所能到達的網(wǎng)絡(luò )會(huì )逐漸擴大。消息的格式設計如圖3所示。它們主要是：

1)源節點(diǎn)ID(相當于MAC地址)。
2)目的節點(diǎn)ID：當發(fā)送discovery消息時(shí)，該ID設置為0。
3)消息長(cháng)度
4)路徑信息：由集中器初始化，節點(diǎn)將根據該信息決定轉發(fā)消息或是處理該消息。
5)指令(數據)：只有最終目的節點(diǎn)才處理該信息。
為了使網(wǎng)絡(luò )自組織更加便利，設計了如下幾種指令類(lèi)型，用戶(hù)可以根據需求增加數據開(kāi)銷(xiāo)。
Discovery：to_ID是0，節點(diǎn)會(huì )檢查是否回應，并發(fā)送相應應答包在隨機時(shí)延后應答包內會(huì )包含射頻信號強度。
Send discovery：集中器發(fā)送的指令。
Lock：停止響應任何Discovery指令。
Unlock：響應Discovery指令。
ACK：確認指令
Read or Write：讀節點(diǎn)設備數據／寫(xiě)控制指令。
消息的數據結構可以如下packet_fields定義：


3．3 路由機制
一般的網(wǎng)絡(luò )其路由的獲取是通過(guò)節點(diǎn)的路由表，而文中的這種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)信息傳遞的路徑是先前通過(guò)偵測表就已經(jīng)確定的，如圖4所示，節點(diǎn)無(wú)需保存，從而大大減少節點(diǎn)的負擔。在返回時(shí)路徑是相反的。圖中為便于理解省略了認證和時(shí)延等信息。


4 結論
根據前面所說(shuō)的硬件和軟件設計，以10個(gè)節點(diǎn)為例組建了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)運行在M3上的GUI程序可以看到每個(gè)節點(diǎn)有穩定的連接。
最后經(jīng)實(shí)驗驗證自動(dòng)抄表無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以快速完成集中器同50個(gè)節點(diǎn)之間的自動(dòng)組網(wǎng)。和Zigbee或其他協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相比，成本更低、尺寸小、易于實(shí)現，網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)小，節點(diǎn)生存時(shí)間長(cháng)，同樣也可以應用于智能家居等領(lǐng)域，有很好的應用前景。