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民用計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)接入平臺實現(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)計集中器和采集器；軟件編程實現(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，實現(xiàn)快速自動抄表，系統(tǒng)構(gòu)建簡單方便，性價比高，更加利于實現(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，目前上行信道是遠程數(shù)據(jù)傳輸，一般有電話撥號、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)因為需要部署專門的有線網(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，也是中國目前實現(xiàn)自動抄表的主流技術(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)是另外一種實現(xiàn)自動抄表的主流技術(shù)方案，特別是在低功耗無線技術(shù)越來越成熟、普及和廉價后，無線抄表已成為自動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已經(jīng)將原來模擬電視的470～510 MHz頻段釋放用于民用計量，無線抄表的資源耗費較少、容量大、費用低、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，由此本項目研制一種新型的符合無委會民用計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)／報表管理和收費增值服務(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，通過GPRS無線移動網(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，每個分布節(jié)點既是數(shù)據(jù)接入點，同時也是中繼點，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)。最大的特點是全路由的無線接入，最大路由可達三級。主要應(yīng)用于遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及小區(qū)安防報警系統(tǒng)，用無線的方式實現(xiàn)最后一公里內(nèi)的分布信息點的數(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)由一個個的蜂窩組成，其中每個蜂窩是由中心節(jié)點(CAC)和分布節(jié)點(DAU)組成。一個CAC下面最多可掛接1 023個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的蜂窩，即一個中心節(jié)點及其下面的若干個分布結(jié)點，每個分布接點根據(jù)其RS 485的驅(qū)動能力，可掛接32臺電／水／氣表。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 傳感器節(jié)點模塊組成
    根據(jù)應(yīng)用對象和功能要求，設(shè)計一種新的無線自組網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點，在系統(tǒng)中，主要分兩類節(jié)點，一類是中心節(jié)點，該節(jié)點即構(gòu)成抄表系統(tǒng)的集中器；另一類是分布節(jié)點，此類節(jié)點構(gòu)成抄表系統(tǒng)的采集器。本研究暫不對節(jié)點的感應(yīng)模塊作考慮，每個傳感器中心節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。分布節(jié)點可選擇不連PC機，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+20 dBm，室外無線工作距離可達3 km，在室內(nèi)工作時可穿過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)點和無線傳感器節(jié)點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，因為Si10xx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90％。
2．3 串口
    控制中心節(jié)點可通過串口與PC機聯(lián)系，如收到上位機的采集命令，把采集到的數(shù)據(jù)送給PC機并顯示，故采取標(biāo)準(zhǔn)的RS 232C串口提供連接。對于分布節(jié)點，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)計采取CFDA(Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窩式固定無線數(shù)據(jù)接入平臺，每個分布節(jié)點既是數(shù)據(jù)接入點，同時也是中繼點，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)。智能能源表計數(shù)據(jù)的可靠傳送是設(shè)計通信協(xié)議的關(guān)鍵。把每個數(shù)據(jù)采集終端和能源表計設(shè)為一個無線傳感器節(jié)點(為DAU)，負(fù)責(zé)采集智能表計的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集基站設(shè)為控制中心，智能表計的數(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)整個自動抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、管理及實時監(jiān)控。在小區(qū)自動抄表系統(tǒng)中，為了區(qū)別網(wǎng)絡(luò)中每戶能源表計即無線傳感器節(jié)點，給每個節(jié)點首先分配一個惟一的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采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制中心節(jié)點。在抄表中心節(jié)點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)點即中繼節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
針對提出的小區(qū)無線自動抄表系統(tǒng)，必須處理好下面幾個問題：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；新節(jié)點加入網(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)的自動抄表系統(tǒng)是一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)汁中假沒一個傳感器節(jié)點最多經(jīng)過3跳就可到達控制中心節(jié)點，整個系統(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
    本研究設(shè)計的抄表系統(tǒng)采用被動抄表的方式，其自動抄表系統(tǒng)是由一個中心節(jié)點和數(shù)目眾多的傳感器節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點又包括具有傳感器功能的智能表計和采集模塊。
4．1 中心節(jié)點軟件實現(xiàn)
    控制中心節(jié)點協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的工作，接收上位機傳來的命令，并按指令的要求做出相應(yīng)的操作，接收無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并上傳給上位機或管理中心。自動抄表系統(tǒng)采用分時分段抄表，即中心節(jié)點采用輪詢的方式采集各個用戶的能源用量。首先中心控制節(jié)點的各模塊程序進行初始化，然后處于接收狀態(tài)，當(dāng)中心節(jié)點收到管理中心發(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)點的ID和采樣ID(即水、電、氣等采樣標(biāo)識)，然后在其保存的路由表中查找到要采集節(jié)點的路由信息。在其保存的路由表中，如果有到采集節(jié)點即目的節(jié)點的路由信息，則把到目的節(jié)點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)點的路由信息，中心節(jié)點就會發(fā)起一個路由請求分組RREQ。然后中心節(jié)點就處于接收狀態(tài)接收消息分組，當(dāng)中心節(jié)點收到路由響應(yīng)分組RREP后，即找到到達目的節(jié)點的路由信息后，則把此路由信息寫入路由表中并將其到達目的節(jié)點的路由標(biāo)識置高，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，然后上位機保存采集到的用戶的能源用量，并統(tǒng)計計算每戶的費用以方便收費管理。
4．2 傳感器節(jié)點軟件
    無線傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集小區(qū)用戶的能源表計的用量，并把采集到的數(shù)據(jù)上傳給中心節(jié)點或作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。由于本系統(tǒng)采用被動抄表方式，所以每個傳感器節(jié)點只有收到發(fā)給自己的采集數(shù)據(jù)命令時才會采集該節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)有新用戶使用智能表計記錄自己的能源用量即有新節(jié)點加入網(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)點一樣處于接收狀態(tài)，接收中心節(jié)點和其他節(jié)點發(fā)來的消息分組。
    當(dāng)傳感器節(jié)點各個部分初始化之后，Si1010就進入接收狀態(tài)，監(jiān)測信道并接收其他節(jié)點發(fā)送的消息分組。每個節(jié)點根據(jù)其收到的不同的消息分組，將進行不同的處理。當(dāng)收到其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)采集命令時，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。
    中心節(jié)點的主要作用是：接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行校正、融合等處理，然后發(fā)給管理節(jié)點；接收管理節(jié)點所發(fā)的指令，確定節(jié)點工作狀態(tài)。其基本工作流程如圖4所示。

5 結(jié)論
    本項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)新點主要有：
    (1)對系統(tǒng)中控制中心節(jié)點和無線傳感器節(jié)點的硬件進行全新設(shè)計，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)接入平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能，每個傳感器節(jié)點根據(jù)所處的位置關(guān)系可形成一個多跳的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可隨時加入或退出網(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已經(jīng)將原來模擬電視的470～510 MHz頻段釋放用于民用計量，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系列平臺和TI的CC430平臺等，Si10xx平臺支持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)編程實現(xiàn)按需DSR路由協(xié)議，可及時準(zhǔn)確地找到到達數(shù)據(jù)采集節(jié)點的最佳路由信息，實現(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，達到了產(chǎn)品設(shè)計要求。