微功率無線智能抄表關(guān)鍵技術(shù)研究

陳思璇

摘 要：本文緊緊圍繞無線智能抄表應(yīng)用要求的低復(fù)雜度、低功耗、低成本和高可靠性等研究目標(biāo)，以及國(guó)家傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作組通信與信息交互項(xiàng)目組所確定的技術(shù)目標(biāo)和技術(shù)路線，概括低功耗的睡眠-喚醒機(jī)制、高可靠的通信鏈路、靈活組網(wǎng)方式下的MAC幀優(yōu)化、跨層協(xié)議的設(shè)計(jì)等技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：無線智能抄表；MAC層優(yōu)化；睡眠喚醒；可靠鏈路

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

在能源日趨緊張、用電需求迅速增長(zhǎng)、供電服務(wù)要求日益提高的形勢(shì)下，世界各國(guó)正在試圖尋找更加環(huán)保、節(jié)約、低能耗的新型綠色能源經(jīng)濟(jì)管理模式。美國(guó)、英國(guó)、意大利、法國(guó)、西班牙、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家，以及印度等新興發(fā)展中國(guó)家都在積極發(fā)展自動(dòng)化表計(jì)系統(tǒng)或智能電表，相繼大規(guī)模開展了用電信息采集相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)，在電力用戶用電信息的專業(yè)化應(yīng)用和集成化應(yīng)用方面均取得良好的應(yīng)用效果。其中以德國(guó)、意大利、西班牙和葡萄牙等國(guó)家和歐盟對(duì)智能抄表方面的研究居多，用到的技術(shù)也各種各樣，如zigbee、藍(lán)牙、WIFI、無線寬帶、PLC、總線和以太網(wǎng)方面的技術(shù)。

自20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)逐步開展了負(fù)荷管理、集中抄表等用電信息采集系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)與應(yīng)用，通過智能化的用電服務(wù)手段，加強(qiáng)用戶與電網(wǎng)之間的信息集成共享和實(shí)時(shí)互動(dòng)，進(jìn)一步改善電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方式和用戶對(duì)電能的利用模式，有效提高終端用戶用能效率。國(guó)內(nèi)的一些公司和高校也相繼開展無線智能抄表的研究，國(guó)家無線電委員會(huì)已將原來模擬電視使用的470MHz-510MHz頻段釋放用于民用計(jì)量，這對(duì)無線抄表是一個(gè)很好的資源。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)

北京新鴻基瑞程科技有限公司在基于國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下推出的DCJL22-RC2010采集器具有低功率發(fā)射、高抗干擾能力、低誤碼率、傳輸距離遠(yuǎn)、多信道、高可靠性、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，主要服務(wù)于城市居民小區(qū)和村鎮(zhèn)的無線抄表應(yīng)用。成都千嘉科技有限公司推出的無線抄表系統(tǒng)，針對(duì)小區(qū)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)出小區(qū)管理機(jī)、集中器、終端表具之間采用無線通訊方式的管理中心遠(yuǎn)程集抄方案，從路由路徑生成與管理、數(shù)據(jù)交互的主從雙方流程、資源需求分析、協(xié)議等各方面進(jìn)行優(yōu)化，一定程度上緩解了信號(hào)差、對(duì)環(huán)境要求高、電池電量容易耗盡、易受干擾、安裝配置復(fù)雜等問題。然而，由于現(xiàn)有抄表系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，進(jìn)一步降低功耗、降低成本、提升鏈路質(zhì)量可靠性，還有待進(jìn)一步的深入研究。

2 研究?jī)?nèi)容和方法

2.1 基于GB/T 15629-2010（CWPAN）技術(shù)規(guī)范的MAC層優(yōu)化研究

（1）信幀調(diào)度研究。密集型的電表安裝方式，勢(shì)必形成復(fù)雜的電磁環(huán)境，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞過程中相互干擾，增加數(shù)據(jù)發(fā)送碰撞的概率，因此，若MAC層能有效的控制和調(diào)度，則可避免上述情況，信標(biāo)幀調(diào)度則是控制節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。（2）睡眠-喚醒機(jī)制研究。考慮到抄表系統(tǒng)是以每小時(shí)/每天/每月一次或幾次地以周期性發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，或者是系統(tǒng)通知電表上傳數(shù)據(jù)的這種以事件驅(qū)動(dòng)方式的兩種低頻度通信，對(duì)現(xiàn)有的MAC層的協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，提出相應(yīng)的睡眠-喚醒機(jī)制，讓節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)交互之余可以最大限度的休眠。（III）MAC層幀結(jié)構(gòu)研究。MAC層數(shù)據(jù)幀最大有127字節(jié)，其中幀頭占25字節(jié)，若加上安全使能則需要65字節(jié)作為幀頭開銷，然而在抄表系統(tǒng)這種應(yīng)用場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)載荷部分所占比例較?。ㄍǔＶ挥?0-20字節(jié)），因此有必要將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)、改進(jìn)，或者對(duì)保留的標(biāo)志位賦予新的控制含義，使MAC幀內(nèi)有效數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到最大化。

2.2 基于470MHz物理信道的MAC層機(jī)制研究

智能抄表系統(tǒng)工作在室外，對(duì)傳感網(wǎng)通信質(zhì)量的要求就比較高。但處于2.4GHz 的節(jié)點(diǎn)在建筑環(huán)境中工作較差，因此增加了470MHz的物理信道使用頻率作為抄表系統(tǒng)選擇頻率之一。相對(duì)于2.4GHz來說，處于470MHz的電磁波雖然穿透力沒有2.4GHz強(qiáng)，但對(duì)于一般住宅型的建筑來說已經(jīng)夠用，并且470MHz的電磁波繞射性能更優(yōu)，適用于戶外環(huán)境。其頻段窄，傳播特性良好，適宜廣覆蓋、容量不大的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3 無線智能抄表系統(tǒng)跨層協(xié)議研究

在已有的傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)路由協(xié)議和MAC層協(xié)議都是各自獨(dú)立研究的，比如針對(duì)《傳感器網(wǎng)絡(luò)通信與信息交互第1部分：低速無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層技術(shù)規(guī)范》，或者IEEE802.15.4c和IEEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)等，各層協(xié)議的獨(dú)立性帶來一些優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也影響了系統(tǒng)的性能，如若將第2層的一些狀態(tài)參數(shù)信息作為路由依據(jù)，將MAC層與路由層的功能進(jìn)行一定程度的整合，采用跨層次設(shè)計(jì)的思路能夠使網(wǎng)絡(luò)層了解到底層數(shù)據(jù)的傳輸情況，從而做出更加切合實(shí)際的路由選擇，這樣更適用于智能抄表系統(tǒng)。針對(duì)抄表系統(tǒng)這種應(yīng)用場(chǎng)景來說，一些已有的網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議并不是非常有效。那么，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?yīng)該參考MAC層協(xié)議，設(shè)計(jì)多路徑路由平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，緩解單路徑路由時(shí)的網(wǎng)絡(luò)震蕩，實(shí)現(xiàn)路由容錯(cuò)提高魯棒性。

2.4 抄表系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議與傳感網(wǎng)MAC層通信協(xié)議適配的研究

對(duì)于抄表系統(tǒng)來說，不僅需要實(shí)時(shí)上傳用電數(shù)據(jù)，還要滿足用戶用電量查詢、電表管理等更多的功能要求。從《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：主站與采集終端通信協(xié)議》可以看出：電力行業(yè)對(duì)于抄表系統(tǒng)的應(yīng)用層通信規(guī)約有自己的行業(yè)規(guī)范，而且其應(yīng)用層協(xié)議主要是基于傳統(tǒng)的RS485和PLC底層通信協(xié)議，對(duì)于短距離無線通信的物理層和MAC的兼容與適配問題，以及適配的高效率問題，有待于深入研究。

3 無線抄表的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

3.1 低功耗的睡眠-喚醒機(jī)制

據(jù)資料顯示傳感器節(jié)點(diǎn)通信模塊的能耗占全部能耗的95%以上，而節(jié)點(diǎn)在收發(fā)數(shù)據(jù)之余持續(xù)的監(jiān)聽狀態(tài)對(duì)于周期性或者事件觸發(fā)性的數(shù)據(jù)采集方式來說并不是必須的，提出一種針對(duì)該應(yīng)用場(chǎng)景的睡眠-喚醒機(jī)制，既能從根本上降低節(jié)點(diǎn)的能耗，且又能保證在突發(fā)事件產(chǎn)生時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)能快速地喚醒，這需要高效的MAC層調(diào)度機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)層路由的精確配合。

3.2 高可靠的通信鏈路

集中式的電表安裝方式?jīng)Q定了高密度的無線節(jié)點(diǎn)通信環(huán)境，這對(duì)底層傳輸數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生很大的威脅，增加通信過程中的誤碼率，甚至于CRC校驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)高錯(cuò)誤率，造成眾多數(shù)據(jù)包重傳、一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功率大大降低的局面，遠(yuǎn)達(dá)不到鏈路通信可靠性的要求。結(jié)合具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行分時(shí)分層分信道調(diào)度，建立有效的MAC層調(diào)度機(jī)制能克服上述問題。

3.3 靈活組網(wǎng)方式下的MAC幀優(yōu)化

無線智能抄表的應(yīng)用場(chǎng)景形式多樣，目前主要有兩種方式：直連模式和集中器模式，國(guó)內(nèi)大部分的抄表系統(tǒng)都是集中器的模式。提出有針對(duì)性的MAC幀優(yōu)化方法，在不破壞已有協(xié)議幀格式的前提下，對(duì)幀格式的標(biāo)志位進(jìn)行精簡(jiǎn)、擴(kuò)展、必要的填充，保證MAC幀內(nèi)有效數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到最大化。

4 結(jié)束語

改變用戶用能方式，促進(jìn)節(jié)能減排，服務(wù)“兩型”社會(huì)建設(shè)、提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，準(zhǔn)確有效的抄表是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于現(xiàn)有抄表系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，在低功耗、低成本、鏈路質(zhì)量可靠性上得不到保障。無線智能抄表以其技術(shù)先進(jìn)、易于安裝和維護(hù)、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]許建安.電力系統(tǒng)通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：97-112.

[2]丁毓山.電子式電能表與抄表系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.