自动抄表的低功耗无线网络设计与实现

摘要：由于近些年来智能电网的大力发展需求出现了各种自动抄表系统的应用方案，但各有不足之处未能真正在我国广泛采用。为了实现智能电网自动抄表系统的真正应用，设计了一种易于实现的、网络开销小并低功耗的无线网络，它采用ARM和MCU作为自动抄表系统的无线集中器硬件平台，并搭配Sub—GHz的射频收发模块，集中器与节点设备之间采用自定义协议的自动组网形式，可实现50个节点自动灵活组网，而且网络开销小只占用4 k存储空间。整个系统具有实用性和应用性强的特点。
关键词：自动抄表；无线网络；低功耗；MSP430

    近年来远程自动抄表系统ARMS(Automatic Meter Reading System)作为智能电网建设的基础成为技术应用研究热点之一。自动抄表系统主要由集中器、节点设备、主站数据库以及通信信道装置组成，集中器负责把终端节点设备采集到的电表信息通过有线或无线的方式传送给电力公司的主站数据库。而如何实现集中器与节点设备之间的通信是实现自动抄表的关键技术环节。

1 研究应用现状
    目前自动抄表系统中集中器与节点终端之间的通信组网主要有电力线载波传输(PLC)和无线射频通信两类。
    电力线载波传输的方案，其在电网条件良好的欧美国家应用较为普及，也是中国目前实现自动抄表的主流技术之一，但受限于中国较差的电网环境，以及电力线载波在低压电网上存在的高衰减、谐波干扰等问题，且可靠性和抄通率都存在一些问题。
    而目前采用无线射频技术的具体方案有ZIGBEE自组织网和基于GPRS公共移动通信的无线自动抄表方案等。ZIGBEE是基于IEEE802．15．4标准的低功耗网络协议。但是成本较高，且协议复杂，对于远程抄表的具体应用解析协议的开销大，所以热门的ZIGBEE并没有在其领域得到广泛的使用。而且ZIC3BEE使用的2．4 GHz频段则拥挤不堪，蓝牙、无线局域网、微波炉以至车库大门的遥控器等都在该频段内工作，大大增加其受干扰的可能性。GPRS的无线抄表方案需内置GPFtS通讯模块，并配备开通GPRS服务的SIM卡，成本高，耗电量大。

2 系统设计
    笔者设计了一种实用的低功耗无线自组织网络应用于自动抄表系统。它由一个集中器(主机)和大量节点设备构成(如图1所示)。节点设备可以是独立的采集器也可以是具备采集功能的电子电表。

    集中器由内置Linux的ARM平台M3和MSP430构建，搭配了Clhipcon的射频芯片CC1100做为无线收发模块。如图2所示。M3可以直接和网络相连，负责和主站通信，MSP430负责控制和无线收发模块通信。节点设备由MSP430和CC1100无线模块以及电表构成。
    集中器可以完成以下功能：
    1)实时侦测发现新节点
    2)构建网络侦测表
    3)计算到任一个节点的最佳路径
    4)与任一个节点交换数据
    5)WEB服务器
    节点设备可以完成以下功能：
    1)响应集中器的侦测
    2)传递消息到其他节点
    3)处理集中器发来的指令
    4)提供日历功能
    5)测量电表参数
    该系统使用Sub—GHz(低于1GHz)频段，和ZIGBEE的2．4GHz频段相比，频谱环境相对洁净，且具有传输距离更长、功耗更低的优势。TI的MSP430和M3作为控制器具有低功耗的特点，在休眠状态下可以工作数十年，这对于休眠时间远大于工作时间的自动抄表无线网络极为重要。
    MSP430内建支持网络协议的软件，并只需占用4 k字节的代码空间。集中器将有规律地逐步探测附近节点，直到最后登记完所有的节点。节点会收集并存储周遭与节点的连接信息，为了减少内存资源的消耗，这些信息并不会永久保存在节点中。
    整个网络中集中器将是整个网络中的控制中心，它会向节点发出请求，并且等待其回应。它会使用一个侦测表来构建网络，并且在一定时间间隔后侦测现有网络中的变化，这些变化可能是位置发生变化，也可能是因为节点错误、通信故障等异常引起的。如果侦测到这些变化，集中器将重新建立新的侦测表。所以集中器和节点之间构建的是自组织的无线网络，集中器能有规律地读取节点设备状态、使用情况，获取所需节点信息，也可以通知节点具体应用信息。


3 组网机制
    侦测表的建立需要经历以下几个步骤：1)在最初的阶段所有的节点都没有登记；2)集中器使用特定的"discoverv"指令，设定32个时隙分别接收节点信号，用以侦测寻找附近的节点，确定如图1中1、2和3号节点并向集中器登记：3)依次由1、2和3号节点向外发"discover v"指令，1号节点将接收到2、4、5号节点的信号，2号节点将收到1、4、5、6号节点信号，3号节点将收到2、5、6号节点信号，并且将收到的信号信息报给集中器；4)以此类推，最后所有的节点都会被找到并登记，最后集中器绘制出所有节点的路由，具有健壮性的路由表存储在集中器中。每一个节点将有不止一条可行路径以保证网络的健壮性。利用每次发送"discoverv"指令后所接收到信号的RSSI特性可以获得两者之间的距离，这样将每一跳的距离总和最小作为条件就可以获得集中器和某个节点的最好路由。所有节点和集中器之间的最好路由构成组网的侦测表。所有的节点执行两种基本的操作："discoverv"和"message passing"。
3．1 discovery
    在discoverv操作模式，某个节点会发送一个特殊的包给等待被侦测发现的多个节点。
    这些节点会记录接收信号强度并随机在32个时隙中某一个进行回应。通过这种方式最后每一个节点都会被发现并被登记。发出discoverv包的可以是集中器也可以是某个已经登记的节点。
3．2 message passing
    节点的一个关键任务是沿路径传递消息，这样所能到达的网络会逐渐扩大。消息的格式设计如图3所示。它们主要是：

    1)源节点ID(相当于MAC地址)。
    2)目的节点ID：当发送discovery消息时，该ID设置为0。
    3)消息长度
    4)路径信息：由集中器初始化，节点将根据该信息决定转发消息或是处理该消息。
    5)指令(数据)：只有最终目的节点才处理该信息。
    为了使网络自组织更加便利，设计了如下几种指令类型，用户可以根据需求增加数据开销。
    Discovery：to_ID是0，节点会检查是否回应，并发送相应应答包在随机时延后应答包内会包含射频信号强度。
    Send discovery：集中器发送的指令。
    Lock：停止响应任何Discovery指令。
    Unlock：响应Discovery指令。
    ACK：确认指令
    Read or Write：读节点设备数据／写控制指令。
    消息的数据结构可以如下packet_fields定义：
   
3．3 路由机制
    一般的网络其路由的获取是通过节点的路由表，而文中的这种无线网状网信息传递的路径是先前通过侦测表就已经确定的，如图4所示，节点无需保存，从而大大减少节点的负担。在返回时路径是相反的。图中为便于理解省略了认证和时延等信息。

4 结论
    根据前面所说的硬件和软件设计，以10个节点为例组建了无线网络，通过运行在M3上的GUI程序可以看到每个节点有稳定的连接。
    最后经实验验证自动抄表无线网络可以快速完成集中器同50个节点之间的自动组网。和Zigbee或其他协议的无线传感器网络相比，成本更低、尺寸小、易于实现，网络开销小，节点生存时间长，同样也可以应用于智能家居等领域，有很好的应用前景。