適用于多層住宅樓結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)

傅松寅，王讓定，姚 靈，張呈鈺，單觀敏，胡國(guó)偉

(1.寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2.寧波水表股份有限公司，浙江 寧波 315032)

(*通信作者電子郵箱wangrangding@nbu.edu.cn)

適用于多層住宅樓結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)

傅松寅1，王讓定1*，姚 靈2，張呈鈺1，單觀敏1，胡國(guó)偉1

(1.寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2.寧波水表股份有限公司，浙江 寧波 315032)

(*通信作者電子郵箱wangrangding@nbu.edu.cn)

針對(duì)通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)平臺(tái)無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)(SWWMRS)低成本、低功耗、高效和高可靠性等方面實(shí)際應(yīng)用需求的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)以適合多層住宅樓結(jié)構(gòu)的抄表應(yīng)用為目標(biāo)，結(jié)合無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)特點(diǎn)、部署環(huán)境特征和抄表業(yè)務(wù)邏輯，提出了一種改進(jìn)的全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鄰接鏈路發(fā)現(xiàn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)和集中式的路由管理，在抄表過(guò)程中，采用最小化全局轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的策略結(jié)合最小剩余能量節(jié)點(diǎn)避免策略來(lái)均衡節(jié)點(diǎn)能耗，同時(shí)，優(yōu)化了媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層防碰撞機(jī)制和低功耗空閑監(jiān)聽(tīng)方案。最后，選取了一棟常規(guī)結(jié)構(gòu)的24層居民樓進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)在通信距離、功耗、可靠性等方面均能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì)比通用WSN平臺(tái)CC2530，系統(tǒng)在通信距離、抄表成功率、效率和功耗方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

多層住宅樓結(jié)構(gòu)；無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)；組網(wǎng)和抄表路由；功耗控制

0 引言

近年來(lái)，具備自動(dòng)抄表功能的水表系統(tǒng)逐步成為水資源計(jì)量采集的主流解決方案[1]。無(wú)線(xiàn)抄表方式因自動(dòng)化程度好、覆蓋范圍廣、采集效率高、系統(tǒng)部署維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為自動(dòng)抄表領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)，其中基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)(Smart Wireless Water Meter Reading System, SWWMRS)是當(dāng)前重要發(fā)展方向[3]，近年來(lái)吸引了較多的國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與到該項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用中[4-6]。該類(lèi)系統(tǒng)的水表節(jié)點(diǎn)通常具備無(wú)線(xiàn)通信能力，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)短距離、低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)自組織形成一種在一定時(shí)間內(nèi)具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和實(shí)際應(yīng)用需求，在選定的地理位置部署數(shù)據(jù)集中設(shè)備，通過(guò)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的路由的方式將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并提交到上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄收[7-10]。因此無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)一般可分解成5部分要素和2層業(yè)務(wù)。5部分要素分別為無(wú)線(xiàn)水表節(jié)點(diǎn)(Wireless Meter Node，WMN)、網(wǎng)絡(luò)拓展節(jié)點(diǎn)(Extend Node， EN)、集中器(Concentrator， CON)、抄表網(wǎng)關(guān)(Meter Gateway， MG)、水資源管理服務(wù)器(Water Resource Management Server， WRMS)。2層應(yīng)用分別為抄表實(shí)施層(Implement Layer， IL)和抄表應(yīng)用層(Application Layer， AL)，系統(tǒng)基本的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)智能抄表系統(tǒng)構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)拓展節(jié)點(diǎn)EN只轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，來(lái)拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，集中器CON是數(shù)據(jù)流匯聚點(diǎn)，用來(lái)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)行為和收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，兩者和無(wú)線(xiàn)水表節(jié)點(diǎn)WMN自組織形成無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò)(Wireless Meter Reading Network， WMRN)，同一WMRN內(nèi)，節(jié)點(diǎn)(包含WMN和EN)采用多跳(Multi-hop)的方式將采集到的數(shù)據(jù)匯總到CON，再向上通過(guò)MG提交給AL。

目前已有的該類(lèi)抄表系統(tǒng)解決方案大都致力于建立通用的抄表系統(tǒng)平臺(tái)，或者是基于現(xiàn)成傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)某一應(yīng)用[11-12]，而缺乏對(duì)系統(tǒng)需求和特征的綜合考慮，特別在功耗、成本、通信可靠性和多種建筑結(jié)構(gòu)適應(yīng)性等方面的優(yōu)化存在不足。為此，許多優(yōu)化方法被提出，文獻(xiàn)[13]提出了一種微功率無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法，比較全面地對(duì)系統(tǒng)各層進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但作者的著眼點(diǎn)仍然是設(shè)計(jì)普適性的系統(tǒng)，文獻(xiàn)提出的“網(wǎng)絡(luò)層的多層分簇路由方法”基于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布方式，在首輪各層簇頭選擇中仍需要預(yù)先輸入網(wǎng)絡(luò)的部署參數(shù)，增加了系統(tǒng)初始化難度，且簇頭和路由選擇會(huì)增大節(jié)點(diǎn)計(jì)算量及功耗，固定分簇的結(jié)構(gòu)也增加了后期系統(tǒng)更新維護(hù)難度；在組網(wǎng)和路由維護(hù)中大量采用廣播方式會(huì)加大局部密集部署的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生信號(hào)碰撞的概率；另外，該文獻(xiàn)在能耗模型計(jì)算中，只關(guān)注距離因素，并沒(méi)有考慮最常見(jiàn)的由于墻體、樓層等遮擋引起的損耗，因此實(shí)用性有待商榷。

無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是如何保障系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高效、有序、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行[14]，因此，本文從上述關(guān)鍵問(wèn)題出發(fā)，以具有廣泛應(yīng)用需求的小區(qū)居民樓、宿舍樓等單體多層住宅樓內(nèi)多用戶(hù)多計(jì)量表的抄表業(yè)務(wù)模型為例，設(shè)計(jì)了一種低功耗、輕量級(jí)的水表無(wú)線(xiàn)智能抄表系統(tǒng)，并對(duì)通信協(xié)議中路由管理、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(Media Access Control, MAC)層防碰撞機(jī)制和低功耗方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)及拓?fù)溥x型

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

多層住宅樓內(nèi)抄表系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)采集、抄表網(wǎng)絡(luò)自組織等基本功能之外還具有若干個(gè)性化的需求和特征：1)系統(tǒng)必須適應(yīng)多種樓層建筑結(jié)構(gòu)；2)對(duì)成本敏感；3)嚴(yán)格的功耗控制需求；4)數(shù)據(jù)與支付掛鉤，對(duì)錯(cuò)誤及丟失的可容忍率低[15]，且節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)無(wú)空間相關(guān)性，無(wú)法通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)和還原節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此可靠性要求高；5)抄表是一個(gè)周期性的集體行為，即，在抄表時(shí)間段內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸行為集中進(jìn)行，而其他時(shí)間段則應(yīng)處于空閑狀態(tài)；6)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流向性一致，均從節(jié)點(diǎn)開(kāi)始到集中器結(jié)束；7)水表安裝位置固定，因此系統(tǒng)一旦部署完成，后期拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用節(jié)點(diǎn)間無(wú)層次差異，對(duì)部署環(huán)境的建筑結(jié)構(gòu)敏感度低且易于擴(kuò)展的網(wǎng)狀(Mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]，如圖2所示。

圖2 多層住宅樓結(jié)構(gòu)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

每一戶(hù)安裝的WMNulr(u、l、r分別為樓道、樓層和房間的索引，u、l、r∈1,2,…)、用于信號(hào)中繼的ENi(i∈1,2,…)和集中器CON自組織形成覆蓋整體建筑的抄表網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)一跳或多條的鏈路，將采集到的數(shù)據(jù)匯總到CON中。其次，對(duì)于特定的多層住宅樓，其樓內(nèi)的層間結(jié)構(gòu)相對(duì)一致，每層水表部署位置較為規(guī)則，同一樓道層間節(jié)點(diǎn)通信范圍較為穩(wěn)定，層內(nèi)非視距范圍通信信號(hào)衰減較快[17]，因此節(jié)點(diǎn)通信鏈路具有較強(qiáng)的縱向穩(wěn)定性，即同一樓道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)較易逐層或隔層形成自底向上的通信鏈路。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)建模

由于表節(jié)點(diǎn)的成本和能量受限，不適合存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)維護(hù)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信息，另外分布式的路由存儲(chǔ)方式也不適合抄表應(yīng)用中集中式的網(wǎng)絡(luò)管理模式，因此對(duì)于常規(guī)單體建筑內(nèi)(節(jié)點(diǎn)數(shù)小于等于200)抄表應(yīng)用，本文采用集中式的路由管理方式，即資源豐富的集中器統(tǒng)一存儲(chǔ)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息。網(wǎng)狀的抄表網(wǎng)絡(luò)可以建模成一個(gè)無(wú)向圖G(N,P)[18]，其中N是表節(jié)點(diǎn)集合，P是表節(jié)點(diǎn)間單跳通信鏈路集合。根據(jù)無(wú)向圖特性，通過(guò)一個(gè)鄰接矩陣M便可對(duì)其進(jìn)行表示，因此，系統(tǒng)的組網(wǎng)過(guò)程(路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程)便是在集中器中建立M的過(guò)程。

2.2 組網(wǎng)和抄表路由

按需路由(AdHocOn-demandDistanceVector,AODV)[19]協(xié)議和DSR(DynamicSourceRouting)協(xié)議通過(guò)向鄰節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求消息(RouteREQuest，RREQ)和比對(duì)節(jié)點(diǎn)ID的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。雖然處理方式簡(jiǎn)單，對(duì)表節(jié)點(diǎn)要求低且無(wú)需路由維護(hù)工作，但是廣播式的轉(zhuǎn)發(fā)策略容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，轉(zhuǎn)發(fā)行為無(wú)法及時(shí)收斂，另外，廣播轉(zhuǎn)發(fā)行為往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突，特別是在靠近CON和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)周?chē)?，由于鏈路帶寬變小，沖突概率快速升高，容易造成包含路由信息的返回?cái)?shù)據(jù)幀丟失，這樣系統(tǒng)可靠性大大降低。鑒于這種情況，本文提出了一種改進(jìn)的全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鄰接鏈路發(fā)現(xiàn)算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)M建立過(guò)程。

設(shè)在某一WMRN中存在若干WMNulr，算法目的是從CON出發(fā)建立包含所有WMNulr的鄰接矩陣M(不考慮鏈接權(quán)重，鄰接矩陣中元素1代表鏈路存在，0代表鏈路不存在)。如圖3所示，以包含4個(gè)WMN的WMRN為例來(lái)描述組網(wǎng)過(guò)程：

步驟1 CON建立一個(gè)集合SF包含當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，初始SF為空；

步驟2 CON廣播RREQ，鄰接節(jié)點(diǎn)1，2收到RREQ后，進(jìn)行回復(fù)，從而完成一個(gè)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，CON將新發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)添加到SF中，并更新M；

步驟3 CON通過(guò)最新的M為SF中新增的節(jié)點(diǎn)1，2逐一進(jìn)行它們的鄰接表節(jié)點(diǎn)搜索過(guò)程，先后發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)3，并再次更新SF和M；

步驟4 接下去的步驟類(lèi)似步驟3，CON不斷為新發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)查找鄰接節(jié)點(diǎn)，并更新SF和M，直至沒(méi)有新的節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)。

上述組網(wǎng)過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)過(guò)程，無(wú)需人員干預(yù)，且無(wú)需預(yù)先輸入部署參數(shù)。建成M后，特定節(jié)點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)路徑即抄表路由可以通過(guò)反向遍歷搜索的方法獲得。

圖3 組網(wǎng)示例

由于采用多路徑或重傳等數(shù)據(jù)信息冗余的方法對(duì)提高部署在不確定的環(huán)境中的WMRN的傳輸可靠性有較大幫助[19]，因此，本文通過(guò)上述M建立對(duì)某一節(jié)點(diǎn)的多條訪(fǎng)問(wèn)路徑，抄表時(shí)，系統(tǒng)選擇一條合適的路徑來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然而，WMRN存在單向數(shù)據(jù)流特性和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間采用單一的路徑進(jìn)行抄表，容易造成能量空洞(Energyhole)現(xiàn)象和能耗不均衡現(xiàn)象[20]，使得網(wǎng)絡(luò)提前失效。為解決這類(lèi)問(wèn)題很多文獻(xiàn)提出了能量均衡解決方案[21-22]，其主要的做法是在減小節(jié)點(diǎn)間剩余能量差距和選取最小能耗路徑或最短路徑訪(fǎng)問(wèn)路由之間尋求一種平衡方案，以期獲得最長(zhǎng)的系統(tǒng)生命周期，但這些方案大多集中于對(duì)鏈路中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)策略的評(píng)估和選擇，而未考慮特定應(yīng)用中系統(tǒng)本身業(yè)務(wù)特性。由于無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的主體應(yīng)用是在集中時(shí)間內(nèi)對(duì)全部節(jié)點(diǎn)的抄表訪(fǎng)問(wèn)，因此本文根據(jù)1.2節(jié)所述的多層住宅樓同一樓道內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信鏈路特性，在抄表路徑選擇時(shí)，采用最小化全局轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的策略結(jié)合最小剩余能量節(jié)點(diǎn)避免策略來(lái)延長(zhǎng)系統(tǒng)生命周期，具體做法如下。

設(shè)M計(jì)算所得的所有路徑集合為L(zhǎng)，lk為其中的某一條路徑，E(lk)min為lk上剩余能量最少的節(jié)點(diǎn)的能量值。

第1步 在抄表的初始階段，集中器對(duì)L進(jìn)行排序，選擇包含節(jié)點(diǎn)最多的路徑進(jìn)行遍歷抄表，(即抄表數(shù)據(jù)幀在經(jīng)歷路徑中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)將該節(jié)點(diǎn)上的抄表數(shù)據(jù)和剩余能量數(shù)據(jù)插入幀內(nèi)，當(dāng)集中器獲取該抄表數(shù)據(jù)幀時(shí)便獲得了路徑上全部節(jié)點(diǎn)的抄表數(shù)據(jù)和剩余能量數(shù)據(jù))。

第2步 再次對(duì)剩余路徑進(jìn)行排序，選擇未抄節(jié)點(diǎn)數(shù)最多的路徑進(jìn)行抄表。如果所有的剩余路徑中，未抄節(jié)點(diǎn)數(shù)均一致，則選擇E(lk)min最大的路徑進(jìn)行抄表。

第3步 重復(fù)第2步，直至獲取所有WMN的抄表數(shù)據(jù)。

這種策略既降低了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，而且盡量避免了能量少的節(jié)點(diǎn)參與通信，均衡了節(jié)點(diǎn)能量。為保障系統(tǒng)可靠性，當(dāng)出現(xiàn)某一路徑失效時(shí)，則采用具有相同終端節(jié)點(diǎn)的備用路徑進(jìn)行重抄，如仍然失敗，則重新組網(wǎng)。

2.3 MAC層防碰撞和低功耗優(yōu)化策略

為降低節(jié)點(diǎn)通信碰撞，保障相鄰節(jié)點(diǎn)通信鏈路對(duì)稱(chēng)，本文在MAC層引入載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)技術(shù)，然而CSMA方法并不能非常好地解決隱藏終端的問(wèn)題[23]。在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)中，為減少系統(tǒng)成本，除必需的計(jì)量用WMN，在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋的前提下，需要盡可能地減少用于信號(hào)中繼的EN或者額外的WMN，因此兩跳鄰接節(jié)點(diǎn)之間很少存在通信范圍交叉的情況，這使得隱藏終端現(xiàn)象較為突出，為此，本文采用改進(jìn)的主動(dòng)退避式CSMA防碰撞方法，具體流程如圖4所示。

圖4 主動(dòng)退避式CSMA防碰撞方法

即，信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)若偵聽(tīng)到信道空閑，也不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，仍然隨機(jī)延遲一個(gè)時(shí)間槽(一個(gè)時(shí)間槽時(shí)長(zhǎng)是一個(gè)數(shù)據(jù)幀收發(fā)的時(shí)間的倍數(shù))再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

有研究表明空閑偵聽(tīng)消耗的能量占用于接收所消耗能量的50%～100%[19]，這種情況下，必須加入睡眠機(jī)制[24]。抄表業(yè)務(wù)具有較強(qiáng)的規(guī)律性和確定性，抄表過(guò)程在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)集中進(jìn)行，完成后，在下一個(gè)抄表周期到來(lái)前，系統(tǒng)一直處于空閑狀態(tài)。根據(jù)這一特點(diǎn)，本文將節(jié)點(diǎn)的低功耗狀態(tài)分為3級(jí)：1)休眠狀態(tài)(Sleeping)；2)準(zhǔn)備狀態(tài)(Standby)；3)工作狀態(tài)(Working)。平時(shí)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，關(guān)閉一切外設(shè)，同時(shí)微控制單元(MicroControllerUnit,MCU)也處于最低功耗狀態(tài)，只有低速晶振維持睡眠定時(shí)器工作，此時(shí)電流控制在μA級(jí)別；當(dāng)接近抄表時(shí)間時(shí)(這個(gè)時(shí)間點(diǎn)在系統(tǒng)初始化時(shí)進(jìn)行配置)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)周期性偵聽(tīng)和睡眠(切換周期為4s內(nèi)偵聽(tīng)5ms剩余時(shí)間休眠)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到激發(fā)命令后便立刻轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)時(shí)刻處于偵聽(tīng)狀態(tài)，以保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)整體抄表結(jié)束，節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，狀態(tài)切換周期如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)低功耗工作狀態(tài)切換

3 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試環(huán)節(jié)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低功耗的無(wú)線(xiàn)水表節(jié)點(diǎn)，選用了常用的光電只讀式水表(CJ-188)作為計(jì)量表計(jì)，選擇了性能較強(qiáng)且具備多種低功耗模式和較低休眠功耗的MCU(STM8L152C6)作為微控制器模塊[25]，選擇了470M低功耗射頻模塊CC1100E作為無(wú)線(xiàn)通信模塊。另外本文選取了一棟常規(guī)結(jié)構(gòu)24層居民樓內(nèi)作為測(cè)試環(huán)境。

3.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離測(cè)試

水平距離測(cè)試時(shí)，節(jié)點(diǎn)放置在同一樓層的不同房間內(nèi)。垂直距離測(cè)試時(shí)，節(jié)點(diǎn)放置在不同樓層的呈垂直方向的同一位置，節(jié)點(diǎn)距離地面1m。測(cè)試時(shí)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)包，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到后立即返回應(yīng)答包，源節(jié)點(diǎn)接收到應(yīng)答包后表示一次通信成功，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試結(jié)果

水平方向上，可穩(wěn)定通信距離在10m以?xún)?nèi)(間隔2堵墻，即跨越2個(gè)房間)；在垂直方向上，可穩(wěn)定通信的距離為<8m(2層樓間隔)，能滿(mǎn)足1.2節(jié)提出的系統(tǒng)拓?fù)溥x型。

3.2 功耗測(cè)算

本文分別對(duì)節(jié)點(diǎn)的休眠電流、發(fā)射電流、接收電流和單次收發(fā)平均時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

以30層居民樓為例，設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為200，抄表周期為1周抄一次。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于轉(zhuǎn)發(fā)最頻繁，最接近CON的節(jié)點(diǎn)一次抄表能量損失最大，因此，本文對(duì)該節(jié)點(diǎn)(WMNHead)在經(jīng)歷一次抄表周期后的總體功耗PTotal進(jìn)行計(jì)算，設(shè)單次收發(fā)時(shí)長(zhǎng)為T(mén)Single(TSingle=0.175 s)，為保證通信成功率，單次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信重復(fù)收發(fā)次數(shù)NRepeat為10次。

由于居民樓結(jié)構(gòu)的通信路徑以垂直結(jié)構(gòu)為主，每個(gè)樓道形成一條垂直路徑，節(jié)點(diǎn)跨層通信，所以，30層樓最長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)路徑包含15個(gè)節(jié)點(diǎn)，WMNHead通過(guò)2次轉(zhuǎn)發(fā)便可完成該路徑上所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，要完成200個(gè)節(jié)點(diǎn)抄表，則WMNHead工作狀態(tài)時(shí)通信總次數(shù)為NCom=(200/15)×2=28，完成15個(gè)節(jié)點(diǎn)路徑時(shí)長(zhǎng)為NPath15=TSingle×NRepeat×15×2=52.5 s，所以系統(tǒng)抄表時(shí)長(zhǎng)為T(mén)Working=TPath15×28=1 470 s，為啟動(dòng)一條路徑上的節(jié)點(diǎn)的抄表工作，WMNHead需要對(duì)該路徑上的頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次激發(fā)，使其從準(zhǔn)備狀態(tài)進(jìn)入到工作狀態(tài)，要完成整體200個(gè)節(jié)點(diǎn)抄表，WMNHead的激發(fā)總次數(shù)為14。根據(jù)偵聽(tīng)周期設(shè)定，WMNHead發(fā)送激發(fā)命令的時(shí)長(zhǎng)至少為4 s，由此激發(fā)功耗為：

PWaking=4 s/3 600×33 mA×14=0.51 mAH

而在整個(gè)抄表過(guò)程中接收功耗和發(fā)射功耗分別為：

PListening=TWorking/3 600×18.89 mA=7.71 mAH

PSending=NRepeat×NCom×TSingle/3 600×33 mA=0.45 mAH

一周內(nèi)剩余時(shí)間的休眠功耗為：

PSleeping=2×10-3mA×(24×7-TWorking/3 600)=0.34 mAH

可以計(jì)算出一周PTotal為：

PTotal=∑(PWaking,PListening,PSending,PSleeping)=9.01 mAH

表2 節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)下功耗測(cè)試結(jié)果

對(duì)于配置一節(jié)常規(guī)的容量為3 500 mAH的工業(yè)鋰電池的節(jié)點(diǎn)，以一周為一個(gè)抄表周期，由200個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的抄表系統(tǒng)能維持388.46周即7.4年，滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)《CJ/T188—2004戶(hù)用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》。

3.3 可靠性測(cè)試

本文從組網(wǎng)成功率SN、抄表抄見(jiàn)率SR、抄表讀數(shù)正確率SD三個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算方法分別為：

SN=Cn/Nn×100%

SR=Cr/WMNCount×100%

SD=Cd/Cr×100%

其中：Nn是組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，Cn是一次組網(wǎng)后所有的節(jié)點(diǎn)全部都入網(wǎng)的次數(shù)；Cr是統(tǒng)一抄表進(jìn)后成功返回?cái)?shù)據(jù)的表計(jì)數(shù)量；Cd表示所有返回的數(shù)據(jù)中正確的數(shù)量(抄表實(shí)驗(yàn)是在組網(wǎng)成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行的)。本文在同一樓道內(nèi)，分別對(duì)4種不同節(jié)點(diǎn)規(guī)模的系統(tǒng)(WMNCount=10，20，50，100)均進(jìn)行了200次組網(wǎng)測(cè)試和抄表測(cè)試，求得的各指標(biāo)平均值如圖6所示。其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時(shí)，完成一次全抄平均耗時(shí)22min。

圖6 組網(wǎng)和抄表實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小于50個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，組網(wǎng)成功率、抄見(jiàn)率、抄讀的準(zhǔn)確率較高；上升到100個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)模時(shí)，抄見(jiàn)率、抄讀的準(zhǔn)確率仍能保持較高的水平，但受激發(fā)成功率、數(shù)據(jù)沖突等因素影響組網(wǎng)成功率有所下降。另外，跳數(shù)的增加雖然擴(kuò)大了通信距離，但也帶來(lái)了通信的穩(wěn)定性降低。

3.4 性能比較

在同樣的測(cè)試環(huán)境下，本文對(duì)常用的ZigBee平臺(tái)CC2530掛接水表進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試規(guī)模為100個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)比結(jié)果如表3所示，節(jié)點(diǎn)僅能在一層樓間隔內(nèi)通信，在每層均部署節(jié)點(diǎn)的情況下，組網(wǎng)成功率大于98%，但以廣播方式進(jìn)行全抄，平均每次成功返回抄表信息的節(jié)點(diǎn)數(shù)量占節(jié)點(diǎn)總數(shù)73%，無(wú)法一次廣播抄回所有節(jié)點(diǎn)信息。采用逐個(gè)單抄的方式(同樣NRepeat=10)成功率大于97%，但100個(gè)節(jié)點(diǎn)耗時(shí)近30 min，大于本文方案。另外CC2530接收和發(fā)射功耗均大于本方案，且只在MAC層只采用了超幀機(jī)制，未對(duì)抄表空閑時(shí)段做功耗優(yōu)化，平均功耗顯然大于本方案。相比文獻(xiàn)[5]提出的抄表方案，本方案組網(wǎng)過(guò)程無(wú)需預(yù)先輸入部署參數(shù)，大大降低了部署難度；針對(duì)于多層住宅樓結(jié)構(gòu)集中抄表的組網(wǎng)和路由的優(yōu)化方法，減少了廣播數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，提高了抄表速率。

表3 本文方法與CC2530對(duì)比測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)智能水表抄表系統(tǒng)時(shí)，除了要充分考慮成本、穩(wěn)定性、功耗、效率、等問(wèn)題外還要兼顧部署環(huán)境和系統(tǒng)本身的特性，本文研究并設(shè)計(jì)了一種適用于多層住宅樓結(jié)構(gòu)的水表無(wú)線(xiàn)智能抄表系統(tǒng)，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并基于水表抄表業(yè)務(wù)特征，提出了組網(wǎng)、路由和降低MAC層信號(hào)碰撞概率及提升低功耗性能的優(yōu)化方案，測(cè)試結(jié)果良好。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性方面仍然存在一定的局限性。另外本文提出的防碰撞優(yōu)化算法，在高密度網(wǎng)絡(luò)中也由于退避的高發(fā)性，使得效率降低，超時(shí)引起的失敗現(xiàn)象也逐漸增加，因此可靠的MAC層通信機(jī)制仍然需要后續(xù)重點(diǎn)研究。

References)

[1] RODRIGUEZ-DIAZ E, PALACIOS-GARCIA E J, SAVAGHEBI M, et al.Advanced smart metering infrastructure for future smart homes [C]// Proceedings of the IEEE 5th International Conference on Consumer Electronics.Piscataway, NJ: IEEE, 2015:29-31.

[2] KABALCI Y.A survey on smart metering and smart grid communication [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 5(57): 302-318.

[3] GILBERT E P K, KALIAPERUMAL B, RAJSINGH E B.Research issues in wireless sensor network applications: a survey [J].International Journal of Information and Electronics Engineering, 2012, 2(5): 702-706.

[4] APPCON.WMRNET—Ⅲ超低功耗水氣、燃?xì)獗沓斫鉀Q方案[EB/OL].[2016-01-17].http://www.appcon.com.cn/solutionshow.php?cid=18&id=1.(PPCON.WMRNET—Ⅲ Ultra low power water, gas meter reading solution [EB/OL].[2016-01-17].http://www.appcon.com.cn/solutionshow.php?cid=18&id=1.)

[5] 上海桑銳—無(wú)線(xiàn)抄表方案,百度文庫(kù)[EB/OL].[2016-03-12].http://wenku.baidu.com/link?url=Lx-tPWhdkHl88PYDfr1qhu3o-FbNiWEh-nbG29AkmxLy3TlzT40VC3PzWYs60zH_Ji7wBGarAnAIXN94Rm0H7EuDfUI07EUCCyl1W—vOAS.(SUNRAY-wireless meter reading solution [EB/OL].[2016-03-12].http://wenku.baidu.com/link?url=Lx-tPWhdkHl88PYDfr1qhu3o-FbNiWEh-nbG29AkmxLy3TlzT40VC3PzWYs60zH_Ji7wBGarAnAIXN94Rm0H7EuDfUI07EUCCyl1W—vOAS.)

[6] 敖星,米林,吳旋.一種基于無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的智能抄表系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,24(11):85-88.(AO X, MI L, WU X.A new type of intelligent meter reading system based on wireless self-organizing network [J].Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2010, 24(11): 85-88.)

[7] WESNARAT A, TIPSUWAN Y.A power efficient algorithm for data gathering from wireless water meter networks [C]// Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Industrial Informatics.Piscataway, NJ: IEEE, 2006: 1024-1029.

[8] PATIL S D, PAWAR S N.Wireless AMR system using ZigBee technology [J].International of Engineering Research & Technology, 2012, 2(3): 107-115.

[9] MUDUMBE M J, ABU-MAHFOUZ A M.Smart water meter system for user-centric consumption measurement [C]// Proceedings of the 13th IEEE International Conference on Industrial Informatics.Piscataway, NJ: IEEE, 2015: 993-998.

[10] LI W J, LIU H, HE L Y.Remote wireless meter-reading system based on the 433 MHz and GPRS technology [C]// Proceedings of the IEEE 16th International Conference on Communication Technology.Piscataway, NJ: IEEE, 2015: 102-106.

[11] ZHANG Y Z, YANG S B, SU X L, et al.Automatic reading of domestic electric meter: an intelligent device based on image processing and ZigBee/Ethernet communication [J].Journal of Real-Time Image Processing, 2016, 12(1): 133-143.

[12] 王浩,鄭霖,劉爭(zhēng)紅.基于WSN的SimpliciTI協(xié)議移植和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2014,23(1):188-192.(WANG H, ZHENG L, LIU Z H.Migration and implementation of SimpliciTI protocol based on WSN [J].Computer Systems & Applications, 2014, 23(1): 188-192.)

[13] 劉述鋼.微功率無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法及其應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2011:74-95.(LIU S G.Research on a new method and its application of micro-power wireless automatic meter reading system design [D].Changsha: Hunan University, 2011: 74-95.)

[14] 王潮,胡廣越,張煥國(guó).無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的輕量級(jí)安全體系研究[J].通信學(xué)報(bào),2012,33(2):20-35.(WANG C, HU G Y, ZHANG H G.Lightweight security architecture design for wireless sensor network [J].Journal on Communications, 2012, 33(2): 20-35.)

[15] SIACARI S, RIZZARDI A, GRIECO L A, et al.Security, privacy and trust in Internet of things: the road ahead [J].Computer Networks, 2015, 76: 146-164.

[16] 鄭耿忠.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂婆c優(yōu)化研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012: 9-18.(ZHENG G Z.Researches on topology control and optimization in wireless sensor networks [D].Xi’an: Xidian University, 2012: 9-18.)

[17] 張呈鈺,王讓定,傅松寅,等.433 MHz/470 MHz樓內(nèi)射頻傳輸特征對(duì)比測(cè)試分析[J].數(shù)據(jù)通信,2015(6):34-37.(ZHANG C Y, WANG R D, FU S Y, et al.A comparison of indoor transmission fading characteristics between 433 MHz and 470 MHz RF meter [J].Data Communication, 2015(6): 34-37.)[18] 趙保華,李培龍,高存皓,等.延長(zhǎng)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的能量平衡路由[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(10):1137-1141.(ZHAO B H, LI P L, GAO C H, et al.Prolonging lifecycle of energy balance routing in real-time wireless sensor networks [J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2007, 41(10): 1137-1141.)

[19] DARGIE W, POELLABAUER C.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和實(shí)踐[M].孫利民,張遠(yuǎn),劉慶超,等譯.北京:清華大學(xué)出版社,2014:119-120.(DARGIE W, POELLABAUER C.Wireless Sensor Network Basic Theory and Practice [M].SUN L M, ZHANG Y, LIU Q C, et al.translated.Beijing: Tsinghua University Press, 2014: 119-120.)

[20] 劉韜.基于梯度的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析及能量空洞避免機(jī)制[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2012,38(8):1353-1361.(LIU T.Energy consumption analysis and energy holes avoidance for gradient based routing in wireless sensor networks [J].Acta Automatica Sinica, 2012, 38(8): 1353-1361.)

[21] 劉宏,夏未君,王其濤.能量均衡的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2016,24(3):204-207.(LIU H, XIA W J, WANG Q T.Research on energy-balanced Ad Hoc network routing protocol [J].Computer Measurement & Control, 2016, 24(3): 204-207.)

[22] 傅菊平,齊小剛.基于剩余能量和節(jié)點(diǎn)度的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,28(1):250-252.(FU J P, QI X G.Clustering algorithm based on residual energy and node degree for WSNs [J].Application Research of Computers, 2011, 28(1): 250-252.)

[23] 何劍,白光偉.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議性能研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,36(24):87-89.(HE J, BAI G W.Performance study of S-MAC protocol in wireless sensor network [J].Computer Engineering, 2010, 36(24): 87-89.)

[24] 崔洋,姜宇,鐘麗鴻,等.數(shù)字遠(yuǎn)傳燃?xì)獗淼牡凸脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(2):211-214.(CUI Y, JIANG Y, ZHONG L H, et al.Low-power design and implementation of wireless remote gas meter reading [J].Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2010, 23(2): 211-214.)

[25] STM8L152C6T6 Datasheets.STM8L151x4, STM8L151x6, STM8L152x4, STM8L152x6 data sheet [EB/OL].[2016-03-20].http://www.21icsearch.com/datasheet/STM8L152C6T6/YmVrZm2S.html.

This work is partially supported by the Key Subject Program of Zhejiang Province (XKXL1509, XKX11420), Innovation and Industrialization Key Program of Science Technology Department of Ningbo (2013B10034).

FU Songyin, born in 1982, Ph.D.candidate, research associate.His research interests include wireless sensor network, smart meter reading.

WANG Rangding, born in 1962, Ph.D., professor.His research interests include wireless sensor network, intelligent meter reading, information security.

YAO Ling, born in 1953, M.S., senior engineer.His research interests include flow instrument, precise instrument.

ZHANG Chengyu, born in 1992, M.S.candidate.Her research interests include near field communication application, intelligent instrument.

SHAN Guanmin, born in 1987, M.S., research assistant.His research interests include database and data mining.

HU Guowei, born in 1984, Ph.D.candidate., teaching assistant.His research interest is wireless sensor network.

Smart wireless water meter reading system for multi-story residential buildings

FU Songyin1, WANG Rangding1*, YAO Ling2, ZHANG Chengyu1, SHAN Guanmin1, HU Guowei1

(1.FacultyofElectricalEngineering&ComputerScience,NingboUniversity,NingboZhejiang315211,China;2.NingboWaterMeterCompanyLimited,NingboZhejiang315032,China)

Smart Wireless Water Meter Reading System (SWWMRS) built on the conventional Wireless Sensor Network (WSN) platform can not meet the requirements of low cost, low power consumption, high efficiency and high reliability in practice.In this work, a novel SWWMRS for typical multi-story buildings was proposed.Based on the feature of the SWWMRS and deployment environment as well as the business logic, an improved algorithm for all neighbor discoveries was proposed to achieve automatic networking and centralized routing management.At the meter reading stage, a minimum global forward strategy with a minimum residual energy nodes avoidance strategy were adopted to balance the energy consumption between nodes.Additionally, the mechanism to avoid confliction in Media Access Control (MAC) layer and the low power idle listening strategy were optimized.The testing results for the proposed system in a 24-story residential building show that the system performance of communication distance, power consumption and reliability can meet the needs of the practical applications.Meanwhile, compared with CC2530 scheme, better performance in communication distance, meter reading success rate, efficiency and power consumption can be achieved.

multi-story residential building; Smart Wireless Water Meter Reading System (SWWMRS); Wireless Sensor Network (WSN); networking and routing; power control

2016-09-01;

2016-09-12。

浙江省重中之重學(xué)科項(xiàng)目(XKXL1509, XKX11420)；寧波市科技局產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及成果產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)項(xiàng)目(2013B10034)。

傅松寅(1982—)，男，浙江寧波人，助理研究員，博士研究生，主要研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能儀器儀表； 王讓定(1962—)，男，甘肅天水人，教授，博士，CCF會(huì)員，主要研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、智能抄表、信息安全； 姚靈(1953—)，男，浙江寧波人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：流量?jī)x表、精密儀器； 張呈鈺(1992—)，女，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要研究方向：近場(chǎng)通信應(yīng)用、智能儀器儀表； 單觀敏(1987—)，男，浙江紹興人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘； 胡國(guó)偉(1984—)，男，浙江金華人，助教，博士研究生，主要研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1001-9081(2017)01-0170-05

10.11772/j.issn.1001-9081.2017.01.0170

TN915.04

A