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

曾欣

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 深圳 518172）

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(kù)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(wú)線的方式傳送給電力公司的主站數(shù)據(jù)庫(kù)。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(wú)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(guó)家應(yīng)用較為普及，也是中國(guó)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(guó)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(wú)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(wú)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ZIGBEE使用的2.4 GHz頻段則擁擠不堪，藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)、微波爐以至車庫(kù)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(wú)線抄表方案需內(nèi)置GPRS通訊模塊，并配備開通GPRS服務(wù)的SIM卡，成本高，耗電量大[1]。

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(wú)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Chipcon的射頻芯片CC1100做為無(wú)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(wú)線收發(fā)模塊通信。節(jié)點(diǎn)設(shè)備由MSP430和CC1100無(wú)線模塊以及電表構(gòu)成。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of network

圖2 集中器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of concentrator

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 1 GHz）頻段，和 ZIGBEE的2.4 GHz頻段相比，頻譜環(huán)境相對(duì)潔凈，且具有傳輸距離更長(zhǎng)、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(wú)線網(wǎng)絡(luò)極為重要[2]。

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(wú)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“discovery”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)“discovery”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“discovery”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[3]。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：“discovery”和“message passing”。

3.1 discovery

在discovery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discovery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(zhǎng)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。

圖3 消息格式Fig.3 Format of message

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:

typedef struct

{

uint8_t packet_length； //消息長(zhǎng)度

uint8_t packet_address； //地址

uint32_t from_ID； //源節(jié)點(diǎn)ID

uint32_t to_ID； //目的節(jié)點(diǎn) ID

uint16_t authentication； //認(rèn)證信息

uint8_t time_out； //超時(shí)控制

uint8_t body_length； //數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

union

{

uint8_t uint8[MAX_LINK_PACKET_SIZE]；//類型和數(shù)據(jù)

}body；

}packet_fields；

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[4-6]，而文中的這種無(wú)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(wú)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(wú)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。

圖4 消息傳遞路由Fig.4 Route of message

最后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)抄表無(wú)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(wú)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(zhǎng)，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。

[1]劉輝.如何為無(wú)線抄表選擇合適的MCU[J].集成電路應(yīng)用，2010（8）：23-24.LIU Hui.How to select the appropriate MCU for wireless meter reading[J].IC Application，2010（8）：23-24.

[2]TI NEC Electronics.MSP430 performance analyzer user manual[S].TI Electronics，2011.

[3]Chan V，Yu R.CC430-based simple wireless mesh network mains switch[S].Application report SLAA487，2011.

[4]Anon， IEEE802.15.4， Part15.4:Wireless Mediun Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs）[S].2003.

[5]TIAN Wei，YANG Zhen.A new WSN routing algorithm[J].Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications：Natural Science，2010（1）:30-32.

[6]Anon ，ETF Draft.Transmission of Ipv6 Packets Over IEEE802.15.4 Networks[S].2007.