一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的遠程自動(dòng)抄表系統設計

　　摘要: 本文從系統構成、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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的遠程自動(dòng)抄表系統的設計方案。該系統具有安裝簡(jiǎn)單，可靠高效、成本低廉等優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞: 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng);自動(dòng)抄表系統;網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

　　引言

　　隨著(zhù)供水、供電、供氣部門(mén)對“一戶(hù)一表”工程改造的推進(jìn)以及對自動(dòng)化的要求，遠程自動(dòng)抄表系統已成為水、電、氣自動(dòng)化管理和智能化控制不可缺少的組成部分[1]。在電力系統的信息化過(guò)程中，戶(hù)表數據的自動(dòng)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(wèn)題，因為電表數據抄送的準確性、及時(shí)性，直接影響電力系統的信息化水平、甚至管理決策、經(jīng)濟效益。

　　傳統的手工抄表費時(shí)、費力，準確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，這導致了相關(guān)營(yíng)銷(xiāo)和企業(yè)管理類(lèi)軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數據;一般人工抄表都按月抄表，對于用戶(hù)計量來(lái)說(shuō)是可行的，但對于相關(guān)供應部門(mén)進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠，行業(yè)的實(shí)際需求催生著(zhù)自動(dòng)抄表系統的技術(shù)和應用的不斷發(fā)展。

　　當前市場(chǎng)上存在的自動(dòng)抄表系統主要是基于無(wú)線(xiàn)通信和電力載波通信兩種方式，其中無(wú)線(xiàn)通信具有施工簡(jiǎn)單，組網(wǎng)靈活，成本低等優(yōu)勢。針對無(wú)線(xiàn)抄表市場(chǎng)對超低功耗、超遠距離的無(wú)線(xiàn)技術(shù)的需求，上海華龍信息技術(shù)開(kāi)發(fā)中心推出了TrackRFID遠程抄表系統，該系統采用了業(yè)內領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，在超低功耗、超遠距離、抗干擾等方面有著(zhù)獨特的優(yōu)勢。尤其是在抗干擾方面，TrackRFID采用一些先進(jìn)的處理機制，比如跳頻傳輸、數據交織、糾錯編碼、載波偵聽(tīng)和干擾檢測等等，使其具有極強的抗干擾能力。系統組網(wǎng)方式基于自組網(wǎng)路由協(xié)議，具有靈活可靠，施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。

　　TrackRFID遠程抄表系統工作在自由頻段，目前主要支持433M和2.4G兩個(gè)頻段。系統對一梯多戶(hù)住宅來(lái)講在每個(gè)樓層安裝一個(gè)采集終端TrackNode，每個(gè)采集終端可通過(guò)485接口直接聯(lián)接多戶(hù)居民的電表。一般情況，一個(gè)采集終端可以連接多個(gè)電表，在安裝時(shí)，為獲取每塊電表的ID號，在無(wú)線(xiàn)通信模塊內有專(zhuān)門(mén)的查詢(xún)電表ID的程序。該終端可直接實(shí)時(shí)錄取每塊電表的用量信息，并通過(guò)樓宇內無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )直接傳送到安裝在物業(yè)管理中心的系統集中器內。集中器可實(shí)現無(wú)人值班，連續實(shí)時(shí)運行，對該小區所有住戶(hù)的電表進(jìn)行自動(dòng)抄表、自動(dòng)存儲。在系統集中器TrackCenter內配有有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)調制解調器，通過(guò)市內電話(huà)網(wǎng)與供電公司的營(yíng)業(yè)收費及管理部門(mén)直接建立通信聯(lián)系。電力公司通過(guò)市內電話(huà)網(wǎng)絡(luò )可隨時(shí)收集各用戶(hù)水、電、燃氣用量信息，自動(dòng)結帳，打印和查詢(xún)。下面我們將從系統結構、組網(wǎng)協(xié)議和硬件結構等幾個(gè)方面對該系統做逐一的介紹。

　　系統結構

　　根據實(shí)際施工環(huán)境不同，TrackRFID遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統由系統集中器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，系統組成如圖1所示。

圖1 TrackRFID無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統組成

　　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以及監控電表運行狀態(tài)的設備，一般安裝在電表箱或者電表內。該模塊由無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)、信號采集和控制三個(gè)部分組成。其中無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)部分采用高集成度的專(zhuān)用短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)數傳芯片CC1020，與控制單元連接簡(jiǎn)潔(直接串口連接)，性能穩定可靠的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到大量應用?？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(diǎn)，使控制單元簡(jiǎn)單高效，可靠性高。TrackNode通過(guò)485接口和數據采集終端相連，可以同時(shí)采集一個(gè)或多個(gè)電表和水表信息，然后通過(guò)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，還具有中繼轉發(fā)功能。根據需要，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(shí)間，我們根據情況將小區劃分為若干個(gè)簇，局部信息集中器(TrackCollect)收集其管轄的簇中所有TrackNode上傳過(guò)來(lái)的電表數據，最終匯總后上傳給TrackCenter。TrackCollect具有手持和固定兩種產(chǎn)品類(lèi)型，具有較大的存儲空間一般放置在樓頂，根據情況采用電池或電源供電。其中手持設備增加了良好的人機交互功能。

　　系統集中器

　　系統集中器(TrackCenter)通常安裝在小區物業(yè)管理中心內。其基本功能有定時(shí)呼叫和接收采集終端的數據;向采集終端發(fā)送凍結命令，以保證數據的同時(shí)性;接受總控站的命令，并向總控站發(fā)送有關(guān)數據;存儲每個(gè)用戶(hù)每小時(shí)的電量、月累計電量及每個(gè)用戶(hù)日、月最大平均功率和出現的時(shí)間等。TrackCenter一般管轄一個(gè)小區，收集其管轄的所有的TrackCollect的電表數據，然后通過(guò)串口或者網(wǎng)口上傳給相關(guān)的設備，該設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)鏈路如GPRS/CDMA傳送給電力中心部門(mén)。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(mén)及煤氣公司、自來(lái)水公司的營(yíng)業(yè)所，由一臺或多臺微機、打印機和調制解調器組成。分別接收和存儲各用戶(hù)的電、氣、水數據，進(jìn)行統計、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(xún)有關(guān)用戶(hù)的水、電、氣數據，也可利用調制解調器接收并顯示有關(guān)數據，但不能更改數據。

　　信息中繼器

　　信息中繼器(TrackRepeater)，其作用主要是解決無(wú)線(xiàn)信號的覆蓋問(wèn)題，功能類(lèi)似于GSM直放站，通過(guò)TrackRepeater可以轉發(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(wú)線(xiàn)數傳模塊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的編碼調制方式，目前支持9.6Kbps /19.2Kbps兩種數據速率，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，具有節省系統能量等優(yōu)點(diǎn)。出于存儲空間需要，TrackCollect采用ARM7和CC1020構建。出于成本和其他應用的需要，射頻芯片可以被譬如CC1100所替代，其結構根據具體應用需求靈活替換。

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(kāi)發(fā)了TrackNode和TrackCollect/TrackCenter等硬件平臺，而且自主設計和實(shí)現了一套用于自動(dòng)抄表的自組網(wǎng)協(xié)議棧TrackRFID，在此基礎上構建了TrackRFID遠程無(wú)線(xiàn)抄表試驗系統，網(wǎng)絡(luò )結構采用兩層混合自組網(wǎng)結構，圖3所示。

圖3 典型的TrackRFID遠程抄表網(wǎng)絡(luò )結構

　　目前，該系統主要支持兩種應用：集抄和單抄?！凹笔侵窽rackCenter定期需要將所屬電表信息通過(guò)輪詢(xún)或者同一命令全部收集上來(lái)，譬如：每月一次抄表計費或者用電統計分析。而“單抄”是指TrackCenter需要查詢(xún)和讀寫(xiě)特定的電表數據，譬如：實(shí)時(shí)電表預充值服務(wù)和節點(diǎn)故障報警功能。每個(gè)TrackCenter可以管轄多個(gè)TrackCollect簇，最多可以管理至少上千個(gè)TrackNode，如圖2所示。簇可以是按照位置劃分，譬如同一棟樓節點(diǎn)劃為同一個(gè)簇。根據我們的經(jīng)驗，一般三跳以?xún)燃纯傻竭_簇首節點(diǎn)Trackcollect，TrackCollect負責收集簇內所有TrackNode采集到的數據并傳遞給TrackCenter。TrackCollet一般安裝在大樓頂部，每個(gè)TrackCollcet可以收集簇內節點(diǎn)的信息，然后再將信息發(fā)送給TrackCenter，圖3所示。

　　從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度出發(fā)，我們設計了一套TrackRFID協(xié)議棧。首先，該系統節點(diǎn)之間利用無(wú)線(xiàn)數據鏈路層的廣播信道功能，一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送廣播消息，接收到廣播消息的一組節點(diǎn)通過(guò)比較各自接收到的消息的本地時(shí)刻，實(shí)現它們之間時(shí)間同步[2]。在多址接入問(wèn)題上，我們通過(guò)一種周期性時(shí)隙slot調度和CSMA相結合的多址接入算法來(lái)解決節點(diǎn)數據發(fā)送的數據沖突避免問(wèn)題[3]。其中，簇首節點(diǎn)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(guò)廣播泛洪進(jìn)行拓撲發(fā)現，在此過(guò)程中建立了基于樹(shù)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，從而為基于樹(shù)的路由策略奠定了基礎[4]。出于快速單點(diǎn)查詢(xún)的要求，簇內TrackCollect與TrackNode之間的最大跳數不超過(guò)3，這樣我們采用簡(jiǎn)單的廣播泛洪方式進(jìn)行簇內信息傳遞。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，電表地址作為數據包源地址;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，在規定時(shí)間內，對于上百個(gè)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )，該協(xié)議?；灸鼙ＷC數據包正確收集率100%。

　　結語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)實(shí)現小區自動(dòng)抄表系統，該系統方案已經(jīng)在上海華龍信息技術(shù)開(kāi)發(fā)中心的TrackRFID遠程抄表系統平臺上實(shí)現并進(jìn)行了反復的外場(chǎng)測試，證明運行穩定、方案切實(shí)可行。目前網(wǎng)絡(luò )規模在150個(gè)節點(diǎn)，更大規模的網(wǎng)絡(luò )測試仍在進(jìn)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

　　3 Carley, T., Ba, M., Barua, R., and Stewart, D. Contention-free periodic message scheduler medium access control in wireless sensor/actuator networks. 2003. RTSS, 24th IEEE, 298-304.

　　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.