基于微功率無線自組網(wǎng)的智能電能表

趙四海

摘 要 針對(duì)低壓電力載波電能表在抄表中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于微功率無線自組網(wǎng)的智能電能表，并對(duì)其硬件設(shè)計(jì)、自組網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理和組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了介紹。該微功率無線自組網(wǎng)的智能電能表能有效的彌補(bǔ)當(dāng)前低壓電力線載波抄表的不足，具有一定的推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】微功率無線 自組網(wǎng) 智能電能表

1 引言

隨著“十三五”規(guī)劃的推進(jìn)，我國智能電網(wǎng)進(jìn)入全面建設(shè)階段，智能電表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)整個(gè)智能電網(wǎng)的建設(shè)起著決定性的作用，越來越多的技術(shù)應(yīng)用于居民用戶的電能表數(shù)據(jù)采集。微功率通訊技術(shù)以其低成本、低功耗、組網(wǎng)速度快等特點(diǎn)引起了人們的關(guān)注，為解決目前主流的低壓電力線載波技術(shù)存在的問題提供了可能。無線自組網(wǎng)通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，可以延長數(shù)據(jù)的傳輸距離，增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，非常適合實(shí)際電能表通訊環(huán)境。

2 無線智能電能表的硬件設(shè)計(jì)

無線智能電能表硬件部分主要以MCU為核心分別管控電能計(jì)量模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、ESAM安全認(rèn)證模塊、紅外通信單元、LCD液晶顯示模塊以及無線組網(wǎng)模塊。如圖1所示。

系統(tǒng)MCU采用NEC1166微處理器，主要實(shí)現(xiàn)電量及電費(fèi)計(jì)量、各種顯示、故障提示、自動(dòng)結(jié)算及用戶負(fù)載控制等功能。

電能計(jì)量模塊采用ATT7053AU高精度、低功耗、帶SPI接口的單相計(jì)量芯片。完全滿足國網(wǎng)/南網(wǎng)對(duì)單相多功能電能表的全部需求。

系統(tǒng)時(shí)鐘模塊采用以8025T為核心的時(shí)鐘電路，時(shí)鐘供電電路主要考慮正常上電和掉電狀態(tài)下，在待機(jī)狀態(tài)下，采用3.3V穩(wěn)壓管將6V電壓降低到3.3V提供給單片機(jī)供電，整機(jī)處于低功耗狀態(tài)；在電能表處于喚醒狀態(tài)時(shí)，硬件系統(tǒng)通過5V的穩(wěn)壓管將6V的電壓降低到穩(wěn)定的5V電壓，對(duì)單片機(jī)和紅外供電，能夠穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抄讀。

在計(jì)費(fèi)方式上，該電能表采用金額計(jì)費(fèi)的方式，將用戶的剩余金額保存在ESAM模塊中，用戶用電時(shí)，電能表從ESAM模塊中扣除用電金額，保障了用戶用電信息的安全；該電能表采用AT24C512芯片作為存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)電能表的運(yùn)行時(shí)的基本信息，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的掉電可靠存儲(chǔ)。

無線組網(wǎng)模塊硬件是微功率無線自組網(wǎng)智能電表的重要組成部分，是路由建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。該模塊使用的是無線收發(fā)芯片 CC1101，它是一種低功耗、低成本、傳輸可靠、支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可編程 UHF 收發(fā)芯片。其工作頻段靈活，收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其可編程數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 500kBaud。MCU通過SPI總線控制CC1101芯片完成射頻芯片初始化，讀取射頻接收數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的發(fā)送功能。

3 電能表無線組網(wǎng)絡(luò)

無線自組網(wǎng)主要由智能電能和集中器組成，智能電能和集中器上都具有微功率無線通訊模塊，所有的數(shù)據(jù)都是通過無線數(shù)據(jù)通道完成的。電能表安裝于每戶家庭，故節(jié)點(diǎn)在空間上處于分散狀態(tài)，相互之間存在著一定的通訊距離，受節(jié)點(diǎn)間的距離以及樓宇的阻礙的影響，節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸收到限制。系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而集中器是電能表抄表無線自組網(wǎng)系統(tǒng)中的中心節(jié)點(diǎn)，是電能表的數(shù)據(jù)傳輸目的節(jié)點(diǎn)，而作為分支節(jié)點(diǎn)的無線電能表之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以集中器需要建立到所有分之節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)集中器和電表的距離在無線模塊的通訊范圍內(nèi)，則它們可以直接通訊；當(dāng)超過通訊范圍則采用多跳的方式通過路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)通訊。

同時(shí)無線自組網(wǎng)絡(luò)上層具有GPRS網(wǎng)絡(luò)，用于將集中器采集的電能數(shù)據(jù)傳輸至主站服務(wù)器，從而完成電網(wǎng)電能表數(shù)據(jù)的采集。

4 自組網(wǎng)系統(tǒng)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了按需路由協(xié)議AODV協(xié)議，其借用了DSR中路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)的基礎(chǔ)程序，及DSDV的逐跳路由、順序編號(hào)和路由維護(hù)階段的周期更新機(jī)制，以DSDV為基礎(chǔ)，結(jié)合DSR中的按需路由思想并加以改進(jìn)。它不僅采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的分組方式，而且加入了組播路由協(xié)議擴(kuò)展。該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端之間動(dòng)態(tài)的、自發(fā)的路由，使移動(dòng)終端快速獲得通向目標(biāo)終端的路由，同時(shí)又不用維護(hù)多余的路由信息，并且還能對(duì)斷鏈的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的變化做出快速的反應(yīng)，非常適用于電能表抄表的環(huán)境。

路由建立可分為三個(gè)階段：路由準(zhǔn)備階段一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)建立階段、高級(jí)路由節(jié)點(diǎn)建立階段。

路由準(zhǔn)備階段：待所有節(jié)點(diǎn)全部上電后，由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出“路由準(zhǔn)備”命令，同時(shí)設(shè)置延時(shí)等待節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備就緒；分支節(jié)點(diǎn)收到“路由準(zhǔn)備”的建立幀后，定時(shí)啟動(dòng)廣播Hello幀。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)收到其鄰居節(jié)點(diǎn)的“Hello”幀后，通過相關(guān)算法計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度大于Emin時(shí)，則認(rèn)為它們之間能夠進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，故當(dāng)前節(jié)點(diǎn)認(rèn)可該鄰居節(jié)點(diǎn)，將該鄰居節(jié)點(diǎn)加入其鄰居節(jié)點(diǎn)表里。分支節(jié)點(diǎn)通過廣播的方式來尋找其周圍可靠的鄰居節(jié)點(diǎn)的過程，也就等同于為數(shù)據(jù)通信選擇了穩(wěn)定的中繼節(jié)點(diǎn)，為建立下一步路由做好了準(zhǔn)備。如圖3所示。

一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)建立階段：當(dāng)分支準(zhǔn)備就緒后，由中心節(jié)點(diǎn)依照地址表的順序，依次向分支節(jié)點(diǎn)發(fā)送“點(diǎn)名幀”，用以尋找中心節(jié)點(diǎn)的單跳節(jié)點(diǎn)，并對(duì)分支節(jié)點(diǎn)的回復(fù)報(bào)文進(jìn)行解析，將可靠的節(jié)點(diǎn)加入一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)向所有分支節(jié)點(diǎn)發(fā)出“點(diǎn)名幀”，分支節(jié)點(diǎn)收到“點(diǎn)名幀”后，將自身節(jié)點(diǎn)ID和目的節(jié)點(diǎn)ID對(duì)比，若不同，則將該數(shù)據(jù)包丟棄，不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；若相同，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送“點(diǎn)名回復(fù)幀”到中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)收到分支節(jié)點(diǎn)的“點(diǎn)名回復(fù)幀”后，經(jīng)過計(jì)算分支節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，確定兩節(jié)點(diǎn)之間若能夠進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，則將該節(jié)點(diǎn)加入到中心節(jié)點(diǎn)的一級(jí)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)點(diǎn)名下一個(gè)分支節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)向同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送“點(diǎn)名幀”的上限為4次，超過上限次數(shù)則跳過該節(jié)點(diǎn)。如圖4所示。

高級(jí)路由節(jié)點(diǎn)建立階段：中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送“路由發(fā)現(xiàn)幀”，該幀通過網(wǎng)絡(luò)逐跳傳播來尋找目的節(jié)點(diǎn)。

分支節(jié)點(diǎn)接收到“路由發(fā)現(xiàn)幀”后，通過對(duì)幀數(shù)據(jù)中的幀識(shí)別碼和源路由信息的分析，有以下三種處理狀態(tài)。

（1）若該節(jié)點(diǎn)最近收到過相同的識(shí)別幀，則放棄對(duì)該幀后續(xù)的幀處理，不進(jìn)行轉(zhuǎn)播。

（2）若該節(jié)點(diǎn)首次收到到該“路由發(fā)現(xiàn)幀”，提取該幀的源路由信息。查看源路由中的最后一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，若在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的“鄰居節(jié)點(diǎn)表”中，則將該節(jié)點(diǎn)的ID添加到“路由發(fā)現(xiàn)幀”的源路由部分，更新幀信息后，該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播新的“路由發(fā)現(xiàn)幀”。若前一節(jié)點(diǎn)不在該節(jié)點(diǎn)的“鄰居節(jié)點(diǎn)表"中，則放棄該數(shù)據(jù)幀的處理，不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)ID與目的節(jié)點(diǎn)ID相同，則節(jié)點(diǎn)回復(fù)“路由確認(rèn)幀”至中心節(jié)點(diǎn)?！奥酚纱_認(rèn)幀”中包含了具有當(dāng)前節(jié)點(diǎn)ID的源路由表，源路由表構(gòu)成了確認(rèn)幀返回的反向路徑。如圖5所示。

5 總結(jié)

該微功率無線自組網(wǎng)智能電能表具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗低的特點(diǎn)，滿足了電能智能化管理的要求，其微功率自組網(wǎng)的無線通訊功能有效的彌補(bǔ)了低壓電力線載波通訊的不足，因此能夠在未來需求繁多的智能電網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。

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