自動(dòng)抄表的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：由于近些年來智能電網(wǎng)的大力發(fā)展需求出現(xiàn)了各種自動(dòng)抄表系統(tǒng)的應(yīng)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(xiàn)智能電網(wǎng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的真正應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)的、網(wǎng)絡(luò)開銷小并低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)，它采用ARM和MCU作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的無線集中器硬件平臺(tái)，并搭配Sub—GHz的射頻收發(fā)模塊，集中器與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間采用自定義協(xié)議的自動(dòng)組網(wǎng)形式，可實(shí)現(xiàn)50個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)靈活組網(wǎng)，而且網(wǎng)絡(luò)開銷小只占用4 k存儲(chǔ)空間。整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)用性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)抄表；無線網(wǎng)絡(luò)；低功耗；MSP430

近年來遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)ARMS(Automatic Meter Reading System)作為智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)成為技術(shù)應(yīng)用研究熱點(diǎn)之一。自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由集中器、節(jié)點(diǎn)設(shè)備、主站數(shù)據(jù)庫以及通信信道裝置組成，集中器負(fù)責(zé)把終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集到的電表信息通過有線或無線的方式傳送給電力公司的主站數(shù)據(jù)庫。而如何實(shí)現(xiàn)集中器與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的通信是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

1 研究應(yīng)用現(xiàn)狀
目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)中集中器與節(jié)點(diǎn)終端之間的通信組網(wǎng)主要有電力線載波傳輸(PLC)和無線射頻通信兩類。
電力線載波傳輸?shù)姆桨?，其在電網(wǎng)條件良好的歐美國家應(yīng)用較為普及，也是中國目前實(shí)現(xiàn)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，以及電力線載波在低壓電網(wǎng)上存在的高衰減、諧波干擾等問題，且可靠性和抄通率都存在一些問題。
而目前采用無線射頻技術(shù)的具體方案有ZIGBEE自組織網(wǎng)和基于GPRS公共移動(dòng)通信的無線自動(dòng)抄表方案等。ZIGBEE是基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是成本較高，且協(xié)議復(fù)雜，對(duì)于遠(yuǎn)程抄表的具體應(yīng)用解析協(xié)議的開銷大，所以熱門的ZIGBEE并沒有在其領(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(lán)牙、無線局域網(wǎng)、微波爐以至車庫大門的遙控器等都在該頻段內(nèi)工作，大大增加其受干擾的可能性。GPRS的無線抄表方案需內(nèi)置GPFtS通訊模塊，并配備開通GPRS服務(wù)的SIM卡，成本高，耗電量大。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
筆者設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的低功耗無線自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)。它由一個(gè)集中器(主機(jī))和大量節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成(如圖1所示)。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以是獨(dú)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(nèi)置Linux的ARM平臺(tái)M3和MSP430構(gòu)建，搭配了Clhipcon的射頻芯片CC1100做為無線收發(fā)模塊。如圖2所示。M3可以直接和網(wǎng)絡(luò)相連，負(fù)責(zé)和主站通信，MSP430負(fù)責(zé)控制和無線收發(fā)模塊通信。節(jié)點(diǎn)設(shè)備由MSP430和CC1100無線模塊以及電表構(gòu)成。
集中器可以完成以下功能：
1)實(shí)時(shí)偵測(cè)發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)
2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)偵測(cè)表
3)計(jì)算到任一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑
4)與任一個(gè)節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)
5)WEB服務(wù)器
節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以完成以下功能：
1)響應(yīng)集中器的偵測(cè)
2)傳遞消息到其他節(jié)點(diǎn)
3)處理集中器發(fā)來的指令
4)提供日歷功能
5)測(cè)量電表參數(shù)
該系統(tǒng)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(duì)潔凈，且具有傳輸距離更長、功耗更低的優(yōu)勢(shì)。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(shù)十年，這對(duì)于休眠時(shí)間遠(yuǎn)大于工作時(shí)間的自動(dòng)抄表無線網(wǎng)絡(luò)極為重要。
MSP430內(nèi)建支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件，并只需占用4 k字節(jié)的代碼空間。集中器將有規(guī)律地逐步探測(cè)附近節(jié)點(diǎn)，直到最后登記完所有的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)會(huì)收集并存儲(chǔ)周遭與節(jié)點(diǎn)的連接信息，為了減少內(nèi)存資源的消耗，這些信息并不會(huì)永久保存在節(jié)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(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，并且等待其回應(yīng)。它會(huì)使用一個(gè)偵測(cè)表來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，并且在一定時(shí)間間隔后偵測(cè)現(xiàn)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?yàn)楣?jié)點(diǎn)錯(cuò)誤、通信故障等異常引起的。如果偵測(cè)到這些變化，集中器將重新建立新的偵測(cè)表。所以集中器和節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建的是自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，集中器能有規(guī)律地讀取節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)、使用情況，獲取所需節(jié)點(diǎn)信息，也可以通知節(jié)點(diǎn)具體應(yīng)用信息。

3 組網(wǎng)機(jī)制
偵測(cè)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(jié)點(diǎn)都沒有登記；2)集中器使用特定的“discoverv”指令，設(shè)定32個(gè)時(shí)隙分別接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)，用以偵測(cè)尋找附近的節(jié)點(diǎn)，確定如圖1中1、2和3號(hào)節(jié)點(diǎn)并向集中器登記：3)依次由1、2和3號(hào)節(jié)點(diǎn)向外發(fā)“discover v”指令，1號(hào)節(jié)點(diǎn)將接收到2、4、5號(hào)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，2號(hào)節(jié)點(diǎn)將收到1、4、5、6號(hào)節(jié)點(diǎn)信號(hào)，3號(hào)節(jié)點(diǎn)將收到2、5、6號(hào)節(jié)點(diǎn)信號(hào)，并且將收到的信號(hào)信息報(bào)給集中器；4)以此類推，最后所有的節(jié)點(diǎn)都會(huì)被找到并登記，最后集中器繪制出所有節(jié)點(diǎn)的路由，具有健壯性的路由表存儲(chǔ)在集中器中。每一個(gè)節(jié)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(hào)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(jié)點(diǎn)的最好路由。所有節(jié)點(diǎn)和集中器之間的最好路由構(gòu)成組網(wǎng)的偵測(cè)表。所有的節(jié)點(diǎn)執(zhí)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(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)特殊的包給等待被偵測(cè)發(fā)現(xiàn)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)。
這些節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄接收信號(hào)強(qiáng)度并隨機(jī)在32個(gè)時(shí)隙中某一個(gè)進(jìn)行回應(yīng)。通過這種方式最后每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)。
3．2 message passing
節(jié)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(dá)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐漸擴(kuò)大。消息的格式設(shè)計(jì)如圖3所示。它們主要是：

1)源節(jié)點(diǎn)ID(相當(dāng)于MAC地址)。
2)目的節(jié)點(diǎn)ID：當(dāng)發(fā)送discovery消息時(shí)，該ID設(shè)置為0。
3)消息長度
4)路徑信息：由集中器初始化，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)該信息決定轉(zhuǎn)發(fā)消息或是處理該消息。
5)指令(數(shù)據(jù))：只有最終目的節(jié)點(diǎn)才處理該信息。
為了使網(wǎng)絡(luò)自組織更加便利，設(shè)計(jì)了如下幾種指令類型，用戶可以根據(jù)需求增加數(shù)據(jù)開銷。
Discovery：to_ID是0，節(jié)點(diǎn)會(huì)檢查是否回應(yīng)，并發(fā)送相應(yīng)應(yīng)答包在隨機(jī)時(shí)延后應(yīng)答包內(nèi)會(huì)包含射頻信號(hào)強(qiáng)度。
Send discovery：集中器發(fā)送的指令。
Lock：停止響應(yīng)任何Discovery指令。
Unlock：響應(yīng)Discovery指令。
ACK：確認(rèn)指令
Read or Write：讀節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)／寫控制指令。
消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以如下packet_fields定義：

3．3 路由機(jī)制
一般的網(wǎng)絡(luò)其路由的獲取是通過節(jié)點(diǎn)的路由表，而文中的這種無線網(wǎng)狀網(wǎng)信息傳遞的路徑是先前通過偵測(cè)表就已經(jīng)確定的，如圖4所示，節(jié)點(diǎn)無需保存，從而大大減少節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。在返回時(shí)路徑是相反的。圖中為便于理解省略了認(rèn)證和時(shí)延等信息。

4 結(jié)論
根據(jù)前面所說的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以10個(gè)節(jié)點(diǎn)為例組建了無線網(wǎng)絡(luò)，通過運(yùn)行在M3上的GUI程序可以看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)有穩(wěn)定的連接。
最后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)抄表無線網(wǎng)絡(luò)可以快速完成集中器同50個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的自動(dòng)組網(wǎng)。和Zigbee或其他協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，成本更低、尺寸小、易于實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)開銷小，節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間長，同樣也可以應(yīng)用于智能家居等領(lǐng)域，有很好的應(yīng)用前景。