一種基于自組網(wǎng)絡(luò)的無線抄表系統(tǒng)研制

摘要：研制一種符合國家無委會(huì)民用計(jì)量頻段的基于射頻發(fā)射自組無線網(wǎng)絡(luò)的無線抄表系統(tǒng)，采用CFDA微蜂窩式固定無線數(shù)據(jù)接入平臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能；采用最新的MCU+RF一體化集成方案的超低功耗芯片Si1010設(shè)計(jì)集中器和采集器；軟件編程實(shí)現(xiàn)按需DSR路由協(xié)議；集中器通過GPRS與控制中心通信，接入Web平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)抄表，系統(tǒng)構(gòu)建簡單方便，性價(jià)比高，更加利于實(shí)現(xiàn)智能小區(qū)無線抄表。
關(guān)鍵詞：自組網(wǎng)絡(luò)；無線抄表；CFDA；Si1010；DSR路由協(xié)議

0 引言
    小區(qū)三表集抄系統(tǒng)是小區(qū)內(nèi)水、電、氣三表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般由集中器和采集器(采集終端)以及通信信道與抄表軟件組成，其中集中器到抄表中心為上行信道，集中器至采集器(采集終端)或水電氣表間為下行信道，目前上行信道是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，一般有電話撥號(hào)、GPRS(GSM或CDMA)等，其傳輸可靠性與技術(shù)難度已不是抄表中的主要問題，小區(qū)抄表關(guān)鍵在于下行信道，這也是抄表中最難的地方。目前小區(qū)集抄系統(tǒng)根據(jù)其下行通信信道的不同，可分為電力載波、RS 485總線、以太網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等。
    RS 485系統(tǒng)因?yàn)樾枰渴饘ｉT的有線網(wǎng)絡(luò)，在PLC和無線射頻技術(shù)的沖擊下越來越勢微。PLC技術(shù)利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)，在電網(wǎng)條件良好的歐美國家應(yīng)用較為普及，也是中國目前實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表的主流技術(shù)之一。但受限于中國較差的電網(wǎng)環(huán)境，以及PLC在低壓電網(wǎng)上存在的高衰減、諧波干擾等問題，其可靠性和抄通率都存在一些問題。無線射頻技術(shù)是另外一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表的主流技術(shù)方案，特別是在低功耗無線技術(shù)越來越成熟、普及和廉價(jià)后，無線抄表已成為自動(dòng)抄表市場的熱門方案。
    無線抄表有很好的頻段資源，中國國家無線電管理委員會(huì)已經(jīng)將原來模擬電視的470～510 MHz頻段釋放用于民用計(jì)量，無線抄表的資源耗費(fèi)較少、容量大、費(fèi)用低、范圍廣。目前成熟的射頻抄表方案大多是433 MHz，新型基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品受傳輸距離等因素限制亦未能推廣，由此本項(xiàng)目研制一種新型的符合無委會(huì)民用計(jì)量頻段的射頻無線抄表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    整個(gè)系統(tǒng)按應(yīng)用分為三層結(jié)構(gòu)：最上層是綜合應(yīng)用層，包括下載抄表任務(wù)、數(shù)據(jù)信息查看、系統(tǒng)／報(bào)表管理和收費(fèi)增值服務(wù)等；中間層為數(shù)據(jù)管理層，即為管理中心，其數(shù)據(jù)來源為各區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)，通過GPRS無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入；最底層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層，即為各區(qū)域下行信道各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
    下行信道通過無線自組網(wǎng)絡(luò)通信，組網(wǎng)方式采取CFDA(Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窩式固定無線數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，每個(gè)分布節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)接入點(diǎn)，同時(shí)也是中繼點(diǎn)，它是一種全路由的網(wǎng)絡(luò)狀的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。最大的特點(diǎn)是全路由的無線接入，最大路由可達(dá)三級。主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及小區(qū)安防報(bào)警系統(tǒng)，用無線的方式實(shí)現(xiàn)最后一公里內(nèi)的分布信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)接入，具有典型SCADA特征，小區(qū)之間為蜂窩結(jié)構(gòu)。CFDA系統(tǒng)由一個(gè)個(gè)的蜂窩組成，其中每個(gè)蜂窩是由中心節(jié)點(diǎn)(CAC)和分布節(jié)點(diǎn)(DAU)組成。一個(gè)CAC下面最多可掛接1 023個(gè)DAU。多蜂窩結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于系統(tǒng)比較龐大的情況，在大多數(shù)情況下采用的是單個(gè)的蜂窩，即一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)及其下面的若干個(gè)分布結(jié)點(diǎn)，每個(gè)分布接點(diǎn)根據(jù)其RS 485的驅(qū)動(dòng)能力，可掛接32臺(tái)電／水／氣表。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊組成
    根據(jù)應(yīng)用對象和功能要求，設(shè)計(jì)一種新的無線自組網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中，主要分兩類節(jié)點(diǎn)，一類是中心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)即構(gòu)成抄表系統(tǒng)的集中器；另一類是分布節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成抄表系統(tǒng)的采集器。本研究暫不對節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)模塊作考慮，每個(gè)傳感器中心節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。分布節(jié)點(diǎn)可選擇不連PC機(jī)，不使用串口。

2．1 MCU+RF模塊
    核心模塊采用具有最新技術(shù)的Silicon公司的芯片Si1010。Si10xx系列無線MCU具有25 MHz的8051內(nèi)核、EZRadioPRO Sub-GHz RF收發(fā)器、最高達(dá)64 KB的FLASH和最高12 b的ADC，所有組件集成在5 mm×7 mm大小的封裝內(nèi)。Si10xx系列產(chǎn)品是業(yè)界最高效的單芯片無線MCU解決方案，常用操作模式下具有最低的電流消耗。Si10xx無線MCU是全球惟一能工作在0．9 V、并集成RF無線收發(fā)功能的MCU，它還是目前全球工作功耗最低的MCU，僅有160μA／MHz，這使得基于它的應(yīng)用無需使用昂貴的鋰電池，而可改用便宜的堿性電池。其RF收發(fā)器的輸出功率高達(dá)+20 dBm，室外無線工作距離可達(dá)3 km，在室內(nèi)工作時(shí)可穿過7～10層樓，是無線抄表器的絕佳選擇。
2．2 供電單元
    采集控制中心節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)都采用包括超級電容的阻容降壓方式供電，亦可選擇電池供電，因?yàn)镾i10xx系列產(chǎn)品的超低功耗架構(gòu)和快速喚醒(2μs)極大地延長了鋰／堿性電池的使用壽命。Si10xx架構(gòu)還包含DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，可以為大負(fù)載提供高效電能，DC-DC轉(zhuǎn)換器還可為周期性RF收發(fā)提供所需電能，效率高達(dá)90％。
2．3 串口
    控制中心節(jié)點(diǎn)可通過串口與PC機(jī)聯(lián)系，如收到上位機(jī)的采集命令，把采集到的數(shù)據(jù)送給PC機(jī)并顯示，故采取標(biāo)準(zhǔn)的RS 232C串口提供連接。對于分布節(jié)點(diǎn)，則可不需要串口通信。

3 無線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    本設(shè)計(jì)采取CFDA(Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窩式固定無線數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，每個(gè)分布節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)接入點(diǎn)，同時(shí)也是中繼點(diǎn)，它是一種全路由的網(wǎng)絡(luò)狀的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。智能能源表計(jì)數(shù)據(jù)的可靠傳送是設(shè)計(jì)通信協(xié)議的關(guān)鍵。把每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端和能源表計(jì)設(shè)為一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)(為DAU)，負(fù)責(zé)采集智能表計(jì)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集基站設(shè)為控制中心，智能表計(jì)的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給CA C，控制中心則負(fù)責(zé)整個(gè)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、管理及實(shí)時(shí)監(jiān)控。在小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，為了區(qū)別網(wǎng)絡(luò)中每戶能源表計(jì)即無線傳感器節(jié)點(diǎn)，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)首先分配一個(gè)惟一的ID信息。
    當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊收到發(fā)給自己的采集命令就會(huì)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制中心節(jié)點(diǎn)。在抄表中心節(jié)點(diǎn)和采集終端之間采用無線通信方式，由于無線通信距離有限，有些傳感器節(jié)點(diǎn)不能直接把數(shù)據(jù)傳送到抄表中心，這就需要其他的傳感器節(jié)點(diǎn)即中繼節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
針對提出的小區(qū)無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，必須處理好下面幾個(gè)問題：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)；采集終端之間數(shù)據(jù)傳輸過程中的干擾。
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)是一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)汁中假?zèng)]一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最多經(jīng)過3跳就可到達(dá)控制中心節(jié)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    本研究設(shè)計(jì)的抄表系統(tǒng)采用被動(dòng)抄表的方式，其自動(dòng)抄表系統(tǒng)是由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和數(shù)目眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)又包括具有傳感器功能的智能表計(jì)和采集模塊。
4．1 中心節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)
    控制中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作，接收上位機(jī)傳來的命令，并按指令的要求做出相應(yīng)的操作，接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并上傳給上位機(jī)或管理中心。自動(dòng)抄表系統(tǒng)采用分時(shí)分段抄表，即中心節(jié)點(diǎn)采用輪詢的方式采集各個(gè)用戶的能源用量。首先中心控制節(jié)點(diǎn)的各模塊程序進(jìn)行初始化，然后處于接收狀態(tài)，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到管理中心發(fā)來的采集數(shù)據(jù)命令，首先讀取其要采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的ID和采樣ID(即水、電、氣等采樣標(biāo)識(shí))，然后在其保存的路由表中查找到要采集節(jié)點(diǎn)的路由信息。在其保存的路由表中，如果有到采集節(jié)點(diǎn)即目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，則把到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息及采樣信息加入到采集數(shù)據(jù)分組中發(fā)送出去。
    如果路由表中沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，中心節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)起一個(gè)路由請求分組RREQ。然后中心節(jié)點(diǎn)就處于接收狀態(tài)接收消息分組，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到路由響應(yīng)分組RREP后，即找到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息后，則把此路由信息寫入路由表中并將其到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由標(biāo)識(shí)置高，然后把路由信息加入采集命令分組中發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令分組。
    中心控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)采集命令分組之后就一直處于接收狀態(tài)，當(dāng)其接收到其他傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的采集數(shù)據(jù)，則把該用戶的能源用量信息上傳給上位機(jī)，然后上位機(jī)保存采集到的用戶的能源用量，并統(tǒng)計(jì)計(jì)算每戶的費(fèi)用以方便收費(fèi)管理。
4．2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件
    無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集小區(qū)用戶的能源表計(jì)的用量，并把采集到的數(shù)據(jù)上傳給中心節(jié)點(diǎn)或作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。由于本系統(tǒng)采用被動(dòng)抄表方式，所以每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只有收到發(fā)給自己的采集數(shù)據(jù)命令時(shí)才會(huì)采集該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)有新用戶使用智能表計(jì)記錄自己的能源用量即有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，首先發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的消息，其成功加入網(wǎng)絡(luò)后就跟其他的節(jié)點(diǎn)一樣處于接收狀態(tài)，接收中心節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的消息分組。
    當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分初始化之后，Si1010就進(jìn)入接收狀態(tài)，監(jiān)測信道并接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息分組。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其收到的不同的消息分組，將進(jìn)行不同的處理。當(dāng)收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)采集命令時(shí)，其首先判斷是否是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)采集命令，如果不是發(fā)給自己的采集數(shù)據(jù)命令，直置發(fā)送狀態(tài)，則其按分組中的路由信息把該分組轉(zhuǎn)發(fā)給其下一跳節(jié)點(diǎn)。
    中心節(jié)點(diǎn)的主要作用是：接收來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、融合等處理，然后發(fā)給管理節(jié)點(diǎn)；接收管理節(jié)點(diǎn)所發(fā)的指令，確定節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。其基本工作流程如圖4所示。

5 結(jié)論
    本項(xiàng)目研究一種基于小區(qū)的無線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)，其創(chuàng)新點(diǎn)主要有：
    (1)對系統(tǒng)中控制中心節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，采用最新的MCU+RF一體化集成方案芯片Si1010，與雙芯片解決方案相比，單芯片方案的封裝尺寸與PCB空間均縮小50％，既降低了芯片本身的成本也降低了終端解決方案的成本。集成方案由于已經(jīng)集成了射頻功能，簡化了產(chǎn)品的開發(fā)過程，降低了終端的開發(fā)難度。
    (2)采用CFDA微蜂窩式固定無線數(shù)據(jù)接入平臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)所處的位置關(guān)系可形成一個(gè)多跳的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)而不影響網(wǎng)絡(luò)正常工作。
    (3)中國國家無線電管理委員會(huì)已經(jīng)將原來模擬電視的470～510 MHz頻段釋放用于民用計(jì)量，這對于Sub-GHz系統(tǒng)在中國無線抄表市場上的應(yīng)用也是好消息。目前支持Sub-GHz的解決方案有Silicon Labs的Si10xx系列平臺(tái)和TI的CC430平臺(tái)等，Si10xx平臺(tái)支持240～960 MHz頻率。開發(fā)的無線抄表系統(tǒng)符合新規(guī)，而符合新規(guī)的產(chǎn)品處于剛起步階段，具有巨大的市場潛力。
    (4)編程實(shí)現(xiàn)按需DSR路由協(xié)議，可及時(shí)準(zhǔn)確地找到到達(dá)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的最佳路由信息，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確抄表。系統(tǒng)在測試中獲得了良好的效果，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、功耗低、通信成本低等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。