自動抄表系統(tǒng)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年12月07日

    引 言 

    目前，國內(nèi)電力集中抄表系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)的進步，其在成本、可靠性等方面的優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)，同時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題。國內(nèi)無線抄表的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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，無線電能表為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過在軟件中運用改進后的路由算法，并根據(jù)一定的通信參考模型來組建無線多跳網(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，整個系統(tǒng)由系統(tǒng)主站、集中器、采集器和無線電能表所構(gòu)成。上層信道基于GsM網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS方式來傳輸數(shù)據(jù)；下層信道采用無線射頻通信方式，并通過組建無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。自組織網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(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)點的可移動性差，節(jié)點之間相對靜止不動，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)基本不變，且節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的地位一樣，本文選擇平面結(jié)構(gòu)來組建無線網(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。

    當集中器收到系統(tǒng)主站通過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)點路由信息，并添加到抄表命令幀中直接發(fā)送。當目的節(jié)點的路由信息不存在時，集中器作為源節(jié)點開始路由尋求，直到接收到目的節(jié)點返回的路由請求響應(yīng)幀，這樣就建立了中心站和目的節(jié)點之間的通信鏈路。添加其返回的目的節(jié)點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)點接收到抄讀命令幀后，返回無線電能表中的電能相關(guān)數(shù)據(jù)。

    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(wǎng)絡(luò)。先發(fā)送路由請求至集中器，等待接收到應(yīng)答，若接收不到集中器路由應(yīng)答幀，則廣播其路由請求，獲得其到集中器的路由信息，并存儲。

    2 網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

    自組織網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺包括中心節(jié)點集中器以及普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無線電能表。

    2．1 無線數(shù)傳模塊設(shè)計

    無線電能表的硬件組成是無線數(shù)傳模塊與普通電能表通過串口連接。無線數(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4個I／0口模擬SPI口與射頻收發(fā)芯片nRF905通信，3個I／O口讀取nRF、905的狀態(tài)，另外3個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，兩者相連時需電平匹配，應(yīng)加下拉電阻。天線作為無線傳輸中的一個重要環(huán)節(jié)，其主要作用是延長距離，其LC匹配網(wǎng)絡(luò)性能的好壞對傳輸功率有直接的影響。

    系統(tǒng)中無線電能表具有作為普通節(jié)點和中繼節(jié)點兩種功能。一方面，如果在集中器的通信距離內(nèi)，當其作為普通節(jié)點時，可直接與集中器通信；另一方面，作為中繼節(jié)點，可以轉(zhuǎn)發(fā)集中器與遠距離節(jié)點之間的通信數(shù)據(jù)。

    2．2 集中器設(shè)計

    集中器作為無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，其硬件組成包括32位ARM7處理器LPC2210，以及無線數(shù)傳模塊、GPRS模塊等其他外圍功能模塊。GPRS modem采用華為GTM900。無線數(shù)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(xié)議轉(zhuǎn)換、建立路由、數(shù)據(jù)抄讀及存儲等。由于采用IEC62056標準來構(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，按照存儲的路由來讀取無線電能表中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

    3 網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

    3．1 路由算法

    現(xiàn)有無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通?？煞譃椋罕眚?qū)動式路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。前者需要網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點維護一張或多張路由表，以記錄到其他節(jié)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(xié)議——動態(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)過程中，若普通節(jié)點發(fā)起路由請求幀，則網(wǎng)絡(luò)中所有路由請求幀的目的地址都相同(即中心節(jié)點)，其路由表中路由的目的地址也都是中心節(jié)點，且網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點的地位都是平等的，任何兩個普通節(jié)點不會主動有數(shù)據(jù)傳輸；另一方面，網(wǎng)絡(luò)建立后，節(jié)點的可移動性差，拓撲變化小，網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定。針對其網(wǎng)絡(luò)的復雜性低和路由開銷小的特點對DSR協(xié)議進行改進，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2個過程。

    ①路由發(fā)現(xiàn)過程：節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，當節(jié)點中沒有到達目的節(jié)點的路由時，廣播發(fā)送路由請求幀(rreq)，每個收到該幀的中間節(jié)點都加上自己的地址，重新廣播(忽略重復請求和已發(fā)自身請求)。當rreq到達目的節(jié)點時，目的節(jié)點可以得到到達中心節(jié)點的完整路由。目的節(jié)點(中心節(jié)點)將所得中心節(jié)點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。中心節(jié)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(fā)現(xiàn)鏈路失敗，則可以由中間節(jié)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(jié)點發(fā)送路由錯誤幀(rrer)。中間節(jié)點監(jiān)聽rrer以刪除失敗路由。如果路由失敗，則中心節(jié)點重新開始一次新的路由發(fā)現(xiàn)過程。

    改進的DSR協(xié)議主要包括以下幾個方面：

    ①DL／T645——1997《多功能電能表通信規(guī)約》規(guī)定抄表命令響應(yīng)的時間為50～500 ms，受其限制，初次組網(wǎng)時，中心節(jié)點應(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)點在建立路由時，目的地址唯一，為減少廣播沖突，節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)時，先點對點發(fā)送路由請求至中心節(jié)點。若無路由響應(yīng)幀，則廣播其rreq，從已加入網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點中獲得中心節(jié)點的路由響應(yīng)，間接與中心節(jié)點建立路由。

    ③網(wǎng)絡(luò)中每個普通節(jié)點到中心節(jié)點的路由的最大跳數(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)點在收到多個普通節(jié)點的rrep時，選取跳數(shù)最小的響應(yīng)幀，記錄其路由，并通過反向路由發(fā)送至中心節(jié)點。

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

    3．2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信程序設(shè)計

    無線電能表作為網(wǎng)絡(luò)普通節(jié)點，其軟件設(shè)計主要是對用戶的電量數(shù)據(jù)進行計量和處理，同時實現(xiàn)與集中器通信，加入抄表網(wǎng)絡(luò)。在組網(wǎng)過程中，節(jié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)。其發(fā)送路由請求至中心節(jié)點若未接收到中心節(jié)點的路由應(yīng)答，則廣播其路由請求。已加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點接收到路由請求幀后，進行計算，若在規(guī)定的跳數(shù)之內(nèi)，則返回路由響應(yīng)。新節(jié)點接收到路由響應(yīng)幀后，即建立起到中心節(jié)點的路由；節(jié)點收到路由錯誤幀后，刪除本節(jié)點中中斷的路由，更新路由表。中心節(jié)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(jié)點的新路由，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，同時遵循國家電力行業(yè)多功能電能表通信規(guī)約DL／T645—1997的基礎(chǔ)上，根據(jù)無線通信的特點進行了修改和擴充。

    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(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)幀包括路由請求幀、路由請求響應(yīng)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(wǎng)絡(luò)層，所以數(shù)據(jù)鏈路層對青島東軟MAC協(xié)議格式中的控制碼進行了重定義。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決定。控制域位定義如下：物理層，由nRF905無線透傳模塊實現(xiàn)。在系統(tǒng)中，一方面，nRF905一次最大發(fā)送數(shù)據(jù)的長度為32個字節(jié)；另一方面，為了提高系統(tǒng)的通信效率，數(shù)據(jù)鏈路層通常把較長的數(shù)據(jù)按照一定的格式分為長度不同的數(shù)據(jù)包分別發(fā)送，且通過加入CSMA機制來解決廣播沖突等問題。

    結(jié) 語

    無線抄表系統(tǒng)是未來自動集抄系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，本文設(shè)計的自動抄表系統(tǒng)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(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展性，應(yīng)用層協(xié)議稍加改動后可以應(yīng)用到無線傳感、家庭智能等更多領(lǐng)域。