一種基于無線傳感網(wǎng)的遠程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要: 本文從系統(tǒng)構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧以及硬件平臺等方面，介紹了一種基于無線傳感網(wǎng)的遠程自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)具有安裝簡單，可靠高效、成本低廉等優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞: 無線傳感網(wǎng);自動抄表系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　引言

　　隨著供水、供電、供氣部門對“一戶一表”工程改造的推進以及對自動化的要求，遠程自動抄表系統(tǒng)已成為水、電、氣自動化管理和智能化控制不可缺少的組成部分[1]。在電力系統(tǒng)的信息化過程中，戶表數(shù)據(jù)的自動抄送具有十分重要的意義，也是行業(yè)單位迫切想要解決的問題，因為電表數(shù)據(jù)抄送的準確性、及時性，直接影響電力系統(tǒng)的信息化水平、甚至管理決策、經(jīng)濟效益。

　　傳統(tǒng)的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導(dǎo)致了相關(guān)營銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數(shù)據(jù);一般人工抄表都按月抄表，對于用戶計量來說是可行的，但對于相關(guān)供應(yīng)部門進行更深層次的分析和管理決策卻不夠，行業(yè)的實際需求催生著自動抄表系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展。

　　當前市場上存在的自動抄表系統(tǒng)主要是基于無線通信和電力載波通信兩種方式，其中無線通信具有施工簡單，組網(wǎng)靈活，成本低等優(yōu)勢。針對無線抄表市場對超低功耗、超遠距離的無線技術(shù)的需求，上海華龍信息技術(shù)開發(fā)中心推出了TrackRFID遠程抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的無線技術(shù)，在超低功耗、超遠距離、抗干擾等方面有著獨特的優(yōu)勢。尤其是在抗干擾方面，TrackRFID采用一些先進的處理機制，比如跳頻傳輸、數(shù)據(jù)交織、糾錯編碼、載波偵聽和干擾檢測等等，使其具有極強的抗干擾能力。系統(tǒng)組網(wǎng)方式基于自組網(wǎng)路由協(xié)議，具有靈活可靠，施工簡單，造價低廉等優(yōu)點。

　　TrackRFID遠程抄表系統(tǒng)工作在自由頻段，目前主要支持433M和2.4G兩個頻段。系統(tǒng)對一梯多戶住宅來講在每個樓層安裝一個采集終端TrackNode，每個采集終端可通過485接口直接聯(lián)接多戶居民的電表。一般情況，一個采集終端可以連接多個電表，在安裝時，為獲取每塊電表的ID號，在無線通信模塊內(nèi)有專門的查詢電表ID的程序。該終端可直接實時錄取每塊電表的用量信息，并通過樓宇內(nèi)無線自組織網(wǎng)絡(luò)直接傳送到安裝在物業(yè)管理中心的系統(tǒng)集中器內(nèi)。集中器可實現(xiàn)無人值班，連續(xù)實時運行，對該小區(qū)所有住戶的電表進行自動抄表、自動存儲。在系統(tǒng)集中器TrackCenter內(nèi)配有有線和無線調(diào)制解調(diào)器，通過市內(nèi)電話網(wǎng)與供電公司的營業(yè)收費及管理部門直接建立通信聯(lián)系。電力公司通過市內(nèi)電話網(wǎng)絡(luò)可隨時收集各用戶水、電、燃氣用量信息，自動結(jié)帳，打印和查詢。下面我們將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)協(xié)議和硬件結(jié)構(gòu)等幾個方面對該系統(tǒng)做逐一的介紹。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)實際施工環(huán)境不同，TrackRFID遠程無線抄表系統(tǒng)由系統(tǒng)集中器TrackCenter、局部信息集中器TrackCollect、信息中繼器TrackRepeater、抄表終端采集器TrackNode等一系列可選產(chǎn)品組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 TrackRFID無線自動抄表系統(tǒng)組成

　　抄表終端采集器

　　抄表終端采集器(TrackNode)，是采集和傳輸各電表的讀數(shù)以及監(jiān)控電表運行狀態(tài)的設(shè)備，一般安裝在電表箱或者電表內(nèi)。該模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)、信號采集和控制三個部分組成。其中無線數(shù)據(jù)收發(fā)部分采用高集成度的專用短距離、低功耗的無線數(shù)傳芯片CC1020，與控制單元連接簡潔(直接串口連接)，性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，已經(jīng)得到大量應(yīng)用?？刂茊卧捎玫凸母咚賳纹瑱CMSP430，具有控制功能強，低功耗的優(yōu)點，使控制單元簡單高效，可靠性高。TrackNode通過485接口和數(shù)據(jù)采集終端相連，可以同時采集一個或多個電表和水表信息，然后通過多跳網(wǎng)將采集的信息傳遞給TrackCollect。TrackNode除了具有信息采集的能力外，還具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。根據(jù)需要，TrackNode采用3~6V電池或直接電表供電。

　　局部信息集中器

　　為了提高并行傳輸能力和縮短傳輸時間，我們根據(jù)情況將小區(qū)劃分為若干個簇，局部信息集中器(TrackCollect)收集其管轄的簇中所有TrackNode上傳過來的電表數(shù)據(jù)，最終匯總后上傳給TrackCenter。TrackCollect具有手持和固定兩種產(chǎn)品類型，具有較大的存儲空間一般放置在樓頂，根據(jù)情況采用電池或電源供電。其中手持設(shè)備增加了良好的人機交互功能。

　　系統(tǒng)集中器

　　系統(tǒng)集中器(TrackCenter)通常安裝在小區(qū)物業(yè)管理中心內(nèi)。其基本功能有定時呼叫和接收采集終端的數(shù)據(jù);向采集終端發(fā)送凍結(jié)命令，以保證數(shù)據(jù)的同時性;接受總控站的命令，并向總控站發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù);存儲每個用戶每小時的電量、月累計電量及每個用戶日、月最大平均功率和出現(xiàn)的時間等。TrackCenter一般管轄一個小區(qū)，收集其管轄的所有的TrackCollect的電表數(shù)據(jù)，然后通過串口或者網(wǎng)口上傳給相關(guān)的設(shè)備，該設(shè)備通過無線公網(wǎng)鏈路如GPRS/CDMA傳送給電力中心部門。TrackCenter具有較高的傳輸功率，供電不限制。

　　總控站

　　安裝在供電分公司用電管理部門及煤氣公司、自來水公司的營業(yè)所，由一臺或多臺微機、打印機和調(diào)制解調(diào)器組成。分別接收和存儲各用戶的電、氣、水數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計、分析、匯總、計費和報表、帳單打印等工作。物業(yè)管理中心如需要查詢有關(guān)用戶的水、電、氣數(shù)據(jù)，也可利用調(diào)制解調(diào)器接收并顯示有關(guān)數(shù)據(jù)，但不能更改數(shù)據(jù)。

　　信息中繼器

　　信息中繼器(TrackRepeater)，其作用主要是解決無線信號的覆蓋問題，功能類似于GSM直放站，通過TrackRepeater可以轉(zhuǎn)發(fā)信息，從而有效的擴展了TrackNode和TrackCenter之間的距離。

　　硬件平臺

　　基本的無線數(shù)傳模塊TrackNode采用MSP430和CC1020組合的硬件平臺，如圖2所示。Chipcon公司的CC1020芯片使用GFSK的編碼調(diào)制方式，目前支持9.6Kbps /19.2Kbps兩種數(shù)據(jù)速率，輸出功率達到10dBm, 視距傳輸距離可以達到1Km[5]。MSP430是TI公司的超低功耗處理器芯片，支持快速休眠，具有節(jié)省系統(tǒng)能量等優(yōu)點。出于存儲空間需要，TrackCollect采用ARM7和CC1020構(gòu)建。出于成本和其他應(yīng)用的需要，射頻芯片可以被譬如CC1100所替代，其結(jié)構(gòu)根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活替換。

圖2 硬件平臺

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　目前，我們不僅基于MSP430，ARM7和CC1020/CC2240自主開發(fā)了TrackNode和TrackCollect/TrackCenter等硬件平臺，而且自主設(shè)計和實現(xiàn)了一套用于自動抄表的自組網(wǎng)協(xié)議棧TrackRFID，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了TrackRFID遠程無線抄表試驗系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用兩層混合自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圖3所示。

圖3 典型的TrackRFID遠程抄表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　目前，該系統(tǒng)主要支持兩種應(yīng)用：集抄和單抄。“集抄”是指TrackCenter定期需要將所屬電表信息通過輪詢或者同一命令全部收集上來，譬如：每月一次抄表計費或者用電統(tǒng)計分析。而“單抄”是指TrackCenter需要查詢和讀寫特定的電表數(shù)據(jù)，譬如：實時電表預(yù)充值服務(wù)和節(jié)點故障報警功能。每個TrackCenter可以管轄多個TrackCollect簇，最多可以管理至少上千個TrackNode，如圖2所示。簇可以是按照位置劃分，譬如同一棟樓節(jié)點劃為同一個簇。根據(jù)我們的經(jīng)驗，一般三跳以內(nèi)即可到達簇首節(jié)點Trackcollect，TrackCollect負責(zé)收集簇內(nèi)所有TrackNode采集到的數(shù)據(jù)并傳遞給TrackCenter。TrackCollet一般安裝在大樓頂部，每個TrackCollcet可以收集簇內(nèi)節(jié)點的信息，然后再將信息發(fā)送給TrackCenter，圖3所示。

　　從簡單實用的角度出發(fā)，我們設(shè)計了一套TrackRFID協(xié)議棧。首先，該系統(tǒng)節(jié)點之間利用無線數(shù)據(jù)鏈路層的廣播信道功能，一個節(jié)點發(fā)送廣播消息，接收到廣播消息的一組節(jié)點通過比較各自接收到的消息的本地時刻，實現(xiàn)它們之間時間同步[2]。在多址接入問題上，我們通過一種周期性時隙slot調(diào)度和CSMA相結(jié)合的多址接入算法來解決節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)沖突避免問題[3]。其中，簇首節(jié)點TrackCollect之間自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法是該協(xié)議棧的核心，我們通過廣播泛洪進行拓撲發(fā)現(xiàn)，在此過程中建立了基于樹的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，從而為基于樹的路由策略奠定了基礎(chǔ)[4]。出于快速單點查詢的要求，簇內(nèi)TrackCollect與TrackNode之間的最大跳數(shù)不超過3，這樣我們采用簡單的廣播泛洪方式進行簇內(nèi)信息傳遞。除此之外，我們采用一套對于電表和收集中心完全透明的尋址方式，電表地址作為數(shù)據(jù)包源地址;物理鏈路傳輸上我們采用跳頻技術(shù)增強通信抗干擾性能。目前，在規(guī)定時間內(nèi)，對于上百個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議?；灸鼙ＷC數(shù)據(jù)包正確收集率100%。

　　結(jié)語

　　本文介紹了一種基于無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)小區(qū)自動抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)方案已經(jīng)在上海華龍信息技術(shù)開發(fā)中心的TrackRFID遠程抄表系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)并進行了反復(fù)的外場測試，證明運行穩(wěn)定、方案切實可行。目前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在150個節(jié)點，更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測試仍在進行中。

　　參考文獻：

　　1 Adler, R., Buonadonna, P., Chhabra, J., Flanigan, Design and deployment of industrial sensor networks: Experiences from the north sea and a smiconductor plant. In Proceedings of ACM SenSys 2005.

　　2 Elson, J., Estrin, D.. Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast, The Fifth Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI), 2002, pp. 147-163

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　　4 Hierarchical Routing over 6LoWPAN (HiLow), http://www.potaroo.net/ietf/idref/draft-daniel-6lowpan-hilow-hierarchical-routing/draft-daniel-6lowpan-hilow-hierarchical-routing-01.txt

　　5 Chipcon, Inc. http://www.chipcon.com/files/CC1020_Data_Sheet_1_0.pdf. CC1020 Datasheet.