自動抄表的低功耗無線網絡設計與實現

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摘要：由于近些年來智能電網的大力發展需求出現了各種自動抄表系統的應用方案，但各有不足之處未能真正在我國廣泛采用。為了實現智能電網自動抄表系統的真正應用，設計了一種易于實現的、網絡開銷小并低功耗的無線網絡，它采用ARM和MCU作為自動抄表系統的無線集中器硬件平臺，并搭配Sub—GHz的射頻收發模塊，集中器與節點設備之間采用自定義協議的自動組網形式，可實現50個節點自動靈活組網，而且網絡開銷小只占用4 k存儲空間。整個系統具有實用性和應用性強的特點。
關鍵詞：自動抄表；無線網絡；低功耗；MSP430
近年來遠程自動抄表系統ARMS(Automatic Meter Reading System)作為智能電網建設的基礎成為技術應用研究熱點之一。自動抄表系統主要由集中器、節點設備、主站數據庫以及通信信道裝置組成，集中器負責把終端節點設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據庫。而如何實現集中器與節點設備之間的通信是實現自動抄表的關鍵技術環節。
1 研究應用現狀
目前自動抄表系統中集中器與節點終端之間的通信組網主要有電力線載波傳輸(PLC)和無線射頻通信兩類。
電力線載波傳輸的方案，其在電網條件良好的歐美國家應用較為普及，也是中國目前實現自動抄表的主流技術之一，但受限于中國較差的電網環境，以及電力線載波在低壓電網上存在的高衰減、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的具體方案有ZIGBEE自組織網和基于GPRS公共移動通信的無線自動抄表方案等。ZIGBEE是基于IEEE802．15．4標準的低功耗網絡協議。但是成本較高，且協議復雜，對于遠程抄表的具體應用解析協議的開銷大，所以熱門的ZIGBEE并沒有在其領域得到廣泛的使用。而且ZIC3BEE使用的2．4 GHz頻段則擁擠不堪，藍牙、無線局域網、微波爐以至車庫大門的遙控器等都在該頻段內工作，大大增加其受干擾的可能性。GPRS的無線抄表方案需內置GPFtS通訊模塊，并配備開通GPRS服務的SIM卡，成本高，耗電量大。
2 系統設計
筆者設計了一種實用的低功耗無線自組織網絡應用于自動抄表系統。它由一個集中器(主機)和大量節點設備構成(如圖1所示)。節點設備可以是獨立的采集器也可以是具備采集功能的電子電表。

集中器由內置Linux的ARM平臺M3和MSP430構建，搭配了Clhipcon的射頻芯片CC1100做為無線收發模塊。如圖2所示。M3可以直接和網絡相連，負責和主站通信，MSP430負責控制和無線收發模塊通信。節點設備由MSP430和CC1100無線模塊以及電表構成。
集中器可以完成以下功能：
1)實時偵測發現新節點
2)構建網絡偵測表
3)計算到任一個節點的最佳路徑
4)與任一個節點交換數據
5)WEB服務器
節點設備可以完成以下功能：
1)響應集中器的偵測
2)傳遞消息到其他節點
3)處理集中器發來的指令
4)提供日歷功能
5)測量電表參數
該系統使用Sub—GHz(低于1GHz)頻段，和ZIGBEE的2．4GHz頻段相比，頻譜環境相對潔凈，且具有傳輸距離更長、功耗更低的優勢。TI的MSP430和M3作為控制器具有低功耗的特點，在休眠狀態下可以工作數十年，這對于休眠時間遠大于工作時間的自動抄表無線網絡極為重要。
MSP430內建支持網絡協議的軟件，并只需占用4 k字節的代碼空間。集中器將有規律地逐步探測附近節點，直到最后登記完所有的節點。節點會收集并存儲周遭與節點的連接信息，為了減少內存資源的消耗，這些信息并不會永久保存在節點中。
整個網絡中集中器將是整個網絡中的控制中心，它會向節點發出請求，并且等待其回應。它會使用一個偵測表來構建網絡，并且在一定時間間隔后偵測現有網絡中的變化，這些變化可能是位置發生變化，也可能是因為節點錯誤、通信故障等異常引起的。如果偵測到這些變化，集中器將重新建立新的偵測表。所以集中器和節點之間構建的是自組織的無線網絡，集中器能有規律地讀取節點設備狀態、使用情況，獲取所需節點信息，也可以通知節點具體應用信息。
3 組網機制
偵測表的建立需要經歷以下幾個步驟：1)在最初的階段所有的節點都沒有登記；2)集中器使用特定的“discoverv”指令，設定32個時隙分別接收節點信號，用以偵測尋找附近的節點，確定如圖1中1、2和3號節點并向集中器登記：3)依次由1、2和3號節點向外發“discover v”指令，1號節點將接收到2、4、5號節點的信號，2號節點將收到1、4、5、6號節點信號，3號節點將收到2、5、6號節點信號，并且將收到的信號信息報給集中器；4)以此類推，最后所有的節點都會被找到并登記，最后集中器繪制出所有節點的路由，具有健壯性的路由表存儲在集中器中。每一個節點將有不止一條可行路徑以保證網絡的健壯性。利用每次發送“discoverv”指令后所接收到信號的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節點的最好路由。所有節點和集中器之間的最好路由構成組網的偵測表。所有的節點執行兩種基本的操作：“discoverv”和“message passing”。
3．1 discovery
在discoverv操作模式，某個節點會發送一個特殊的包給等待被偵測發現的多個節點。
這些節點會記錄接收信號強度并隨機在32個時隙中某一個進行回應。通過這種方式最后每一個節點都會被發現并被登記。發出discoverv包的可以是集中器也可以是某個已經登記的節點。
3．2 message passing
節點的一個關鍵任務是沿路徑傳遞消息，這樣所能到達的網絡會逐漸擴大。消息的格式設計如圖3所示。它們主要是：

1)源節點ID(相當于MAC地址)。
2)目的節點ID：當發送discovery消息時，該ID設置為0。
3)消息長度
4)路徑信息：由集中器初始化，節點將根據該信息決定轉發消息或是處理該消息。
5)指令(數據)：只有最終目的節點才處理該信息。
為了使網絡自組織更加便利，設計了如下幾種指令類型，用戶可以根據需求增加數據開銷。
Discovery：to_ID是0，節點會檢查是否回應，并發送相應應答包在隨機時延后應答包內會包含射頻信號強度。
Send discovery：集中器發送的指令。
Lock：停止響應任何Discovery指令。
Unlock：響應Discovery指令。
ACK：確認指令
Read or Write：讀節點設備數據／寫控制指令。
消息的數據結構可以如下packet_fields定義：


3．3 路由機制
一般的網絡其路由的獲取是通過節點的路由表，而文中的這種無線網狀網信息傳遞的路徑是先前通過偵測表就已經確定的，如圖4所示，節點無需保存，從而大大減少節點的負擔。在返回時路徑是相反的。圖中為便于理解省略了認證和時延等信息。


4 結論
根據前面所說的硬件和軟件設計，以10個節點為例組建了無線網絡，通過運行在M3上的GUI程序可以看到每個節點有穩定的連接。
最后經實驗驗證自動抄表無線網絡可以快速完成集中器同50個節點之間的自動組網。和Zigbee或其他協議的無線傳感器網絡相比，成本更低、尺寸小、易于實現，網絡開銷小，節點生存時間長，同樣也可以應用于智能家居等領域，有很好的應用前景。