自動抄表系統的無線網狀網絡設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：中國一卡通網 收編   人氣： 發表時間：2011年12月07日

    引 言 

    目前，國內電力集中抄表系統中常見的是有線抄表，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電網復雜性的影響，使得兩者的推廣受到了一定的限制。隨著無線通信技術的進步，其在成本、可靠性等方面的優點逐漸顯現，同時各種路由算法的提出和應用也很好地解決了其通信距離短的問題。國內無線抄表的網絡拓撲結構一般是星形結構，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，無線電能表為網絡節點，通過在軟件中運用改進后的路由算法，并根據一定的通信參考模型來組建無線多跳網絡，從而有效地提高集抄系統的可靠性。 

    1 系統結構及工作原理

    如圖1所示，整個系統由系統主站、集中器、采集器和無線電能表所構成。上層信道基于GsM網絡，采用GPRS方式來傳輸數據；下層信道采用無線射頻通信方式，并通過組建無線網絡來延長通信距離，提高可靠性。本文重點研究的是以集中器為核心的，下層信道自組織無線抄表網絡的設計。自組織網絡的拓撲結構一般分為平面和星形兩種結構。考慮到網絡節點的可移動性差，節點之間相對靜止不動，網絡的拓撲結構基本不變，且節點在網絡中的地位一樣，本文選擇平面結構來組建無線網狀網絡。其通信參考模型分為4層：物理層、數據鏈路層、路由層和應用層。

    當集中器收到系統主站通過GPRS方式發送的抄表命令后，集中器首先查詢其路由表，找到目的節點路由信息，并添加到抄表命令幀中直接發送。當目的節點的路由信息不存在時，集中器作為源節點開始路由尋求，直到接收到目的節點返回的路由請求響應幀，這樣就建立了中心站和目的節點之間的通信鏈路。添加其返回的目的節點的路由信息到抄讀命令幀，然后發送。網絡中的目的節點接收到抄讀命令幀后，返回無線電能表中的電能相關數據。

    當無線電能表上電初始化后，一方面開始電能計量，另一方面開始加入無線抄表網絡。先發送路由請求至集中器，等待接收到應答，若接收不到集中器路由應答幀，則廣播其路由請求，獲得其到集中器的路由信息，并存儲。

    2 網絡硬件設計

    自組織網絡的硬件平臺包括中心節點集中器以及普通網絡節點無線電能表。

    2．1 無線數傳模塊設計

    無線電能表的硬件組成是無線數傳模塊與普通電能表通過串口連接。無線數傳模塊主要包括處理器、射頻收發芯片nRF905、天線及其匹配網絡等。

    AT89S52為主控制器，通過4個I／0口模擬SPI口與射頻收發芯片nRF905通信，3個I／O口讀取nRF、905的狀態，另外3個I／O口控制芯片的工作模式(包括空閑模式、發射模式和接收模式)。由于控制器的I／O口與nRF905電平不同，兩者相連時需電平匹配，應加下拉電阻。天線作為無線傳輸中的一個重要環節，其主要作用是延長距離，其LC匹配網絡性能的好壞對傳輸功率有直接的影響。

    系統中無線電能表具有作為普通節點和中繼節點兩種功能。一方面，如果在集中器的通信距離內，當其作為普通節點時，可直接與集中器通信；另一方面，作為中繼節點，可以轉發集中器與遠距離節點之間的通信數據。

    2．2 集中器設計

    集中器作為無線網絡的中心節點，其硬件組成包括32位ARM7處理器LPC2210，以及無線數傳模塊、GPRS模塊等其他外圍功能模塊。GPRS modem采用華為GTM900。無線數傳模塊和GPRS modem分別通過串口O和串口1與處理器相連。

    集中器主要功能包括：協議轉換、建立路由、數據抄讀及存儲等。由于采用IEC62056標準來構建抄表系統，集中器的協議轉換指的是IEC62056與DL／T645之間的轉換。集中器在收到數據抄讀命令后，按照存儲的路由來讀取無線電能表中的相關數據。

    3 網絡軟件設計

    3．1 路由算法

    現有無線網狀網絡的路由協議通常可分為：表驅動式路由協議和按需路由協議。前者需要網絡中的每個節點維護一張或多張路由表，以記錄到其他節點的路由，增加了路由開銷。本文選取一種典型的按需路由協議——動態源路由協議(DSR)。抄表網絡具有其特殊性：一方面，在組網過程中，若普通節點發起路由請求幀，則網絡中所有路由請求幀的目的地址都相同(即中心節點)，其路由表中路由的目的地址也都是中心節點，且網絡中普通節點的地位都是平等的，任何兩個普通節點不會主動有數據傳輸；另一方面，網絡建立后，節點的可移動性差，拓撲變化小，網絡比較穩定。針對其網絡的復雜性低和路由開銷小的特點對DSR協議進行改進，使之更適應抄表網絡的應用。

    DSR協議主要包括路由發現和路由維護2個過程。

    ①路由發現過程：節點要發送數據時，當節點中沒有到達目的節點的路由時，廣播發送路由請求幀(rreq)，每個收到該幀的中間節點都加上自己的地址，重新廣播(忽略重復請求和已發自身請求)。當rreq到達目的節點時，目的節點可以得到到達中心節點的完整路由。目的節點(中心節點)將所得中心節點路由包含在路由響應幀(rrep)，然后沿著反向路由發送回中心節點。中心節點收到rrep后，就將路由存入路由存儲器中，并添加到抄表命令幀的頭部。

    ②路由維護過程：如果在抄讀命令幀的逐跳傳輸過程中發現鏈路失敗，則可以由中間節點使用緩沖中的可用路由來代替原頭部中含有失敗鏈路的路由，同時向中心節點發送路由錯誤幀(rrer)。中間節點監聽rrer以刪除失敗路由。如果路由失敗，則中心節點重新開始一次新的路由發現過程。

    改進的DSR協議主要包括以下幾個方面：

    ①DL／T645——1997《多功能電能表通信規約》規定抄表命令響應的時間為50～500 ms，受其限制，初次組網時，中心節點應該在未收抄表到命令前組建網絡，提高一次抄表的成功率。

    ②由于網絡中所有普通節點在建立路由時，目的地址唯一，為減少廣播沖突，節點在加入網絡時，先點對點發送路由請求至中心節點。若無路由響應幀，則廣播其rreq，從已加入網絡的普通節點中獲得中心節點的路由響應，間接與中心節點建立路由。

    ③網絡中每個普通節點到中心節點的路由的最大跳數(maxhop)設置為4，減少了廣播傳播的沖突，提高了路由發現的速度。

    ④普通節點在收到多個普通節點的rrep時，選取跳數最小的響應幀，記錄其路由，并通過反向路由發送至中心節點。

    ⑤當rrer發生時，錯誤節點廣播發出rrer，其他節點在接收到rrer幀時，刪除本節點中的中斷路由。中心節點重新建立中斷節點的路由。

    3．2 網絡節點通信程序設計

    無線電能表作為網絡普通節點，其軟件設計主要是對用戶的電量數據進行計量和處理，同時實現與集中器通信，加入抄表網絡。在組網過程中，節點軟件使用改進后的DSR路由算法，其通信部分程序流程如圖2所示。

    節點上電初始化后，開始電能計量，同時與集中器建立路由，加入無線網絡。其發送路由請求至中心節點若未接收到中心節點的路由應答，則廣播其路由請求。已加入網絡的節點接收到路由請求幀后，進行計算，若在規定的跳數之內，則返回路由響應。新節點接收到路由響應幀后，即建立起到中心節點的路由；節點收到路由錯誤幀后，刪除本節點中中斷的路由，更新路由表。中心節點收到路由錯誤幀后，刪除其路由表中所有中斷的路由，并開始新的路由請求，建立中斷節點的新路由，并更新路由表。

    4 通信協議

    在通信參考模型中，嚴格定義了各層協議的格式和關鍵字，并在參照青島東軟載波通信協議的應用層和數據鏈路層，同時遵循國家電力行業多功能電能表通信規約DL／T645—1997的基礎上，根據無線通信的特點進行了修改和擴充。

    應用層協議分為2種：普通抄表幀和中繼轉發幀。兩者都對DL／T645幀的控制域進行了重新定義，后者還對DL／T645格式進行了一定的擴充。數據抄讀中繼轉發幀格式如下：

    網絡層的數據幀包括路由請求幀、路由請求響應幀、路由錯誤幀3種。以路由請求幀為例，其格式如下：

    在青島東軟載波通信參考模型中增加了網絡層，所以數據鏈路層對青島東軟MAC協議格式中的控制碼進行了重定義。集中器與采集器之間數據鏈路層幀格式可由控制字段位定義來決定。控制域位定義如下：物理層，由nRF905無線透傳模塊實現。在系統中，一方面，nRF905一次最大發送數據的長度為32個字節；另一方面，為了提高系統的通信效率，數據鏈路層通常把較長的數據按照一定的格式分為長度不同的數據包分別發送，且通過加入CSMA機制來解決廣播沖突等問題。

    結 語

    無線抄表系統是未來自動集抄系統發展的必然趨勢，本文設計的自動抄表系統定義了通信參考模型，增加了改進的自組織路由算法，有效地延長了抄表距離。通過自定義的通信幀增強了系統可靠性，提高了通信效率。該系統還具有良好的通用性和可擴展性，應用層協議稍加改動后可以應用到無線傳感、家庭智能等更多領域。