自動(dòng)抄表系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

引 言
    目前，國(guó)內(nèi)電力集中抄表系統(tǒng)中常見(jiàn)的是有線抄表，如RS485總線、電力載波抄表等；但是由于總線抄表的成本、易破壞性等因素和我國(guó)電網(wǎng)復(fù)雜性的影響，使得兩者的推廣受到了一定的限制。隨著無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，其在成本、可靠性等方面的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，同時(shí)各種路由算法的提出和應(yīng)用也很好地解決了其通信距離短的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)無(wú)線抄表的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般是星形結(jié)構(gòu)，容易受到障礙物、電磁干擾等多方面的影響，可靠性不高。本文以集中器為基站，無(wú)線電能表為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在軟件中運(yùn)用改進(jìn)后的路由算法，并根據(jù)一定的通信參考模型來(lái)組建無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，從而有效地提高集抄系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)主站、集中器、采集器和無(wú)線電能表所構(gòu)成。上層信道基于GsM網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)；下層信道采用無(wú)線射頻通信方式，并通過(guò)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)延長(zhǎng)通信距離，提高可靠性。本文重點(diǎn)研究的是以集中器為核心的，下層信道自組織無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為平面和星形兩種結(jié)構(gòu)。考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性差，節(jié)點(diǎn)之間相對(duì)靜止不動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本不變，且節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位一樣，本文選擇平面結(jié)構(gòu)來(lái)組建無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其通信參考模型分為4層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、路由層和應(yīng)用層。

    當(dāng)集中器收到系統(tǒng)主站通過(guò)GPRS方式發(fā)送的抄表命令后，集中器首先查詢其路由表，找到目的節(jié)點(diǎn)路由信息，并添加到抄表命令幀中直接發(fā)送。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息不存在時(shí)，集中器作為源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始路由尋求，直到接收到目的節(jié)點(diǎn)返回的路由請(qǐng)求響應(yīng)幀，這樣就建立了中心站和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路。添加其返回的目的節(jié)點(diǎn)的路由信息到抄讀命令幀，然后發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中的目的節(jié)點(diǎn)接收到抄讀命令幀后，返回?zé)o線電能表中的電能相關(guān)數(shù)據(jù)。
    當(dāng)無(wú)線電能表上電初始化后，一方面開(kāi)始電能計(jì)量，另一方面開(kāi)始加入無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)。先發(fā)送路由請(qǐng)求至集中器，等待接收到應(yīng)答，若接收不到集中器路由應(yīng)答幀，則廣播其路由請(qǐng)求，獲得其到集中器的路由信息，并存儲(chǔ)。

2 網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)
    自組織網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)包括中心節(jié)點(diǎn)集中器以及普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)線電能表。
2．1 無(wú)線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)
    無(wú)線電能表的硬件組成是無(wú)線數(shù)傳模塊與普通電能表通過(guò)串口連接。無(wú)線數(shù)傳模塊主要包括處理器、射頻收發(fā)芯片nRF905、天線及其匹配網(wǎng)絡(luò)等。
    AT89S52為主控制器，通過(guò)4個(gè)I／0口模擬SPI口與射頻收發(fā)芯片nRF905通信，3個(gè)I／O口讀取nRF、905的狀態(tài)，另外3個(gè)I／O口控制芯片的工作模式(包括空閑模式、發(fā)射模式和接收模式)。由于控制器的I／O口與nRF905電平不同，兩者相連時(shí)需電平匹配，應(yīng)加下拉電阻。天線作為無(wú)線傳輸中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要作用是延長(zhǎng)距離，其LC匹配網(wǎng)絡(luò)性能的好壞對(duì)傳輸功率有直接的影響。
    系統(tǒng)中無(wú)線電能表具有作為普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩種功能。一方面，如果在集中器的通信距離內(nèi)，當(dāng)其作為普通節(jié)點(diǎn)時(shí)，可直接與集中器通信；另一方面，作為中繼節(jié)點(diǎn)，可以轉(zhuǎn)發(fā)集中器與遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)。
2．2 集中器設(shè)計(jì)
    集中器作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，其硬件組成包括32位ARM7處理器LPC2210，以及無(wú)線數(shù)傳模塊、GPRS模塊等其他外圍功能模塊。GPRS modem采用華為GTM900。無(wú)線數(shù)傳模塊和GPRS modem分別通過(guò)串口O和串口1與處理器相連。
    集中器主要功能包括：協(xié)議轉(zhuǎn)換、建立路由、數(shù)據(jù)抄讀及存儲(chǔ)等。由于采用IEC62056標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建抄表系統(tǒng)，集中器的協(xié)議轉(zhuǎn)換指的是IEC62056與DL／T645之間的轉(zhuǎn)換。集中器在收到數(shù)據(jù)抄讀命令后，按照存儲(chǔ)的路由來(lái)讀取無(wú)線電能表中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
3．1 路由算法
    現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通?？煞譃椋罕眚?qū)動(dòng)式路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。前者需要網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張或多張路由表，以記錄到其他節(jié)點(diǎn)的路由，增加了路由開(kāi)銷。本文選取一種典型的按需路由協(xié)議——?jiǎng)討B(tài)源路由協(xié)議(DSR)。抄表網(wǎng)絡(luò)具有其特殊性：一方面，在組網(wǎng)過(guò)程中，若普通節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求幀，則網(wǎng)絡(luò)中所有路由請(qǐng)求幀的目的地址都相同(即中心節(jié)點(diǎn))，其路由表中路由的目的地址也都是中心節(jié)點(diǎn)，且網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，任何兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)不會(huì)主動(dòng)有數(shù)據(jù)傳輸；另一方面，網(wǎng)絡(luò)建立后，節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性差，拓?fù)渥兓?，網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定。針對(duì)其網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性低和路由開(kāi)銷小的特點(diǎn)對(duì)DSR協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，使之更適應(yīng)抄表網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
    DSR協(xié)議主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)2個(gè)過(guò)程。
    ①路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程：節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，廣播發(fā)送路由請(qǐng)求幀(rreq)，每個(gè)收到該幀的中間節(jié)點(diǎn)都加上自己的地址，重新廣播(忽略重復(fù)請(qǐng)求和已發(fā)自身請(qǐng)求)。當(dāng)rreq到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)可以得到到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)的完整路由。目的節(jié)點(diǎn)(中心節(jié)點(diǎn))將所得中心節(jié)點(diǎn)路由包含在路由響應(yīng)幀(rrep)，然后沿著反向路由發(fā)送回中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)收到rrep后，就將路由存入路由存儲(chǔ)器中，并添加到抄表命令幀的頭部。
    ②路由維護(hù)過(guò)程：如果在抄讀命令幀的逐跳傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鏈路失敗，則可以由中間節(jié)點(diǎn)使用緩沖中的可用路由來(lái)代替原頭部中含有失敗鏈路的路由，同時(shí)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤幀(rrer)。中間節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)rrer以刪除失敗路由。如果路由失敗，則中心節(jié)點(diǎn)重新開(kāi)始一次新的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。
    改進(jìn)的DSR協(xié)議主要包括以下幾個(gè)方面：
    ①DL／T645——1997《多功能電能表通信規(guī)約》規(guī)定抄表命令響應(yīng)的時(shí)間為50～500 ms，受其限制，初次組網(wǎng)時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在未收抄表到命令前組建網(wǎng)絡(luò)，提高一次抄表的成功率。
    ②由于網(wǎng)絡(luò)中所有普通節(jié)點(diǎn)在建立路由時(shí)，目的地址唯一，為減少?gòu)V播沖突，節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送路由請(qǐng)求至中心節(jié)點(diǎn)。若無(wú)路由響應(yīng)幀，則廣播其rreq，從已加入網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點(diǎn)中獲得中心節(jié)點(diǎn)的路由響應(yīng)，間接與中心節(jié)點(diǎn)建立路由。
    ③網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的路由的最大跳數(shù)(maxhop)設(shè)置為4，減少了廣播傳播的沖突，提高了路由發(fā)現(xiàn)的速度。
    ④普通節(jié)點(diǎn)在收到多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的rrep時(shí)，選取跳數(shù)最小的響應(yīng)幀，記錄其路由，并通過(guò)反向路由發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。
    ⑤當(dāng)rrer發(fā)生時(shí)，錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)出rrer，其他節(jié)點(diǎn)在接收到rrer幀時(shí)，刪除本節(jié)點(diǎn)中的中斷路由。中心節(jié)點(diǎn)重新建立中斷節(jié)點(diǎn)的路由。
3．2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計(jì)
    無(wú)線電能表作為網(wǎng)絡(luò)普通節(jié)點(diǎn)，其軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)用戶的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量和處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與集中器通信，加入抄表網(wǎng)絡(luò)。在組網(wǎng)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)軟件使用改進(jìn)后的DSR路由算法，其通信部分程序流程如圖2所示。

    節(jié)點(diǎn)上電初始化后，開(kāi)始電能計(jì)量，同時(shí)與集中器建立路由，加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其發(fā)送路由請(qǐng)求至中心節(jié)點(diǎn)若未接收到中心節(jié)點(diǎn)的路由應(yīng)答，則廣播其路由請(qǐng)求。已加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)接收到路由請(qǐng)求幀后，進(jìn)行計(jì)算，若在規(guī)定的跳數(shù)之內(nèi)，則返回路由響應(yīng)。新節(jié)點(diǎn)接收到路由響應(yīng)幀后，即建立起到中心節(jié)點(diǎn)的路由；節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤幀后，刪除本節(jié)點(diǎn)中中斷的路由，更新路由表。中心節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤幀后，刪除其路由表中所有中斷的路由，并開(kāi)始新的路由請(qǐng)求，建立中斷節(jié)點(diǎn)的新路由，并更新路由表。

4 通信協(xié)議
    在通信參考模型中，嚴(yán)格定義了各層協(xié)議的格式和關(guān)鍵字，并在參照青島東軟載波通信協(xié)議的應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層，同時(shí)遵循國(guó)家電力行業(yè)多功能電能表通信規(guī)約DL／T645—1997的基礎(chǔ)上，根據(jù)無(wú)線通信的特點(diǎn)進(jìn)行了修改和擴(kuò)充。
    應(yīng)用層協(xié)議分為2種：普通抄表幀和中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀。兩者都對(duì)DL／T645幀的控制域進(jìn)行了重新定義，后者還對(duì)DL／T645格式進(jìn)行了一定的擴(kuò)充。數(shù)據(jù)抄讀中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀格式如下：

    網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀包括路由請(qǐng)求幀、路由請(qǐng)求響應(yīng)幀、路由錯(cuò)誤幀3種。以路由請(qǐng)求幀為例，其格式如下：

    在青島東軟載波通信參考模型中增加了網(wǎng)絡(luò)層，所以數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)青島東軟MAC協(xié)議格式中的控制碼進(jìn)行了重定義。集中器與采集器之間數(shù)據(jù)鏈路層幀格式可由控制字段位定義來(lái)決定?？刂朴蛭欢x如下：

    物理層，由nRF905無(wú)線透?jìng)髂K實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中，一方面，nRF905一次最大發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為32個(gè)字節(jié)；另一方面，為了提高系統(tǒng)的通信效率，數(shù)據(jù)鏈路層通常把較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)按照一定的格式分為長(zhǎng)度不同的數(shù)據(jù)包分別發(fā)送，且通過(guò)加入CSMA機(jī)制來(lái)解決廣播沖突等問(wèn)題。

結(jié) 語(yǔ)
    無(wú)線抄表系統(tǒng)是未來(lái)自動(dòng)集抄系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)定義了通信參考模型，增加了改進(jìn)的自組織路由算法，有效地延長(zhǎng)了抄表距離。通過(guò)自定義的通信幀增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，提高了通信效率。該系統(tǒng)還具有良好的通用性和可擴(kuò)展性，應(yīng)用層協(xié)議稍加改動(dòng)后可以應(yīng)用到無(wú)線傳感、家庭智能等更多領(lǐng)域。