一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(tái)等方面，介紹了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單，可靠高效、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞: 無(wú)線傳感網(wǎng);自動(dòng)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(duì)“一戶一表”工程改造的推進(jìn)以及對(duì)自動(dòng)化的要求，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)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(tǒng)的信息化過(guò)程中，戶表數(shù)據(jù)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題，因?yàn)殡姳頂?shù)據(jù)抄送的準(zhǔn)確性、及時(shí)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(jì)效益。

　　傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，這導(dǎo)致了相關(guān)營(yíng)銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù);一般人工抄表都按月抄表，對(duì)于用戶計(jì)量來(lái)說(shuō)是可行的，但對(duì)于相關(guān)供應(yīng)部門進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠，行業(yè)的實(shí)際需求催生著自動(dòng)抄表系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展。

　　當(dāng)前市場(chǎng)上存在的自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要是基于無(wú)線通信和電力載波通信兩種方式，其中無(wú)線通信具有施工簡(jiǎn)單，組網(wǎng)靈活，成本低等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)無(wú)線抄表市場(chǎng)對(duì)超低功耗、超遠(yuǎn)距離的無(wú)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的無(wú)線技術(shù)，在超低功耗、超遠(yuǎn)距離、抗干擾等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。尤其是在抗干擾方面，TrackRFID采用一些先進(jìn)的處理機(jī)制，比如跳頻傳輸、數(shù)據(jù)交織、糾錯(cuò)編碼、載波偵聽和干擾檢測(cè)等等，使其具有極強(qiáng)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(jiǎn)單，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。

　　TrackRFID遠(yuǎn)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(gè)頻段。系統(tǒng)對(duì)一梯多戶住宅來(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(hào)，在無(wú)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(shí)時(shí)錄取每塊電表的用量信息，并通過(guò)樓宇內(nèi)無(wú)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(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，連續(xù)實(shí)時(shí)運(yùn)行，對(duì)該小區(qū)所有住戶的電表進(jìn)行自動(dòng)抄表、自動(dòng)存儲(chǔ)。在系統(tǒng)集中器TrackCenter內(nèi)配有有線和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)市內(nèi)電話網(wǎng)與供電公司的營(yíng)業(yè)收費(fèi)及管理部門直接建立通信聯(lián)系。電力公司通過(guò)市內(nèi)電話網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)收集各用戶水、電、燃?xì)庥昧啃畔ⅲ詣?dòng)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(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)做逐一的介紹。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境不同，TrackRFID遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線自動(dòng)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(yùn)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(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)、信號(hào)采集和控制三個(gè)部分組成。其中無(wú)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(wú)線數(shù)傳芯片CC1020，與控制單元連接簡(jiǎn)潔(直接串口連接)，性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到大量應(yīng)用?？刂茊卧捎玫凸母咚賳纹瑱C(jī)MSP430，具有控制功能強(qiáng)，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(shù)據(jù)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(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(shí)間，我們根據(jù)情況將小區(qū)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(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(chǔ)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(jī)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(shí)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(shí)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(chǔ)每個(gè)用戶每小時(shí)的電量、月累計(jì)電量及每個(gè)用戶日、月最大平均功率和出現(xiàn)的時(shí)間等。TrackCenter一般管轄一個(gè)小區(qū)，收集其管轄的所有的TrackCollect的電表數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口或者網(wǎng)口上傳給相關(guān)的設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)無(wú)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(lái)水公司的營(yíng)業(yè)所，由一臺(tái)或多臺(tái)微機(jī)、打印機(jī)和調(diào)制解調(diào)器組成。分別接收和存儲(chǔ)各用戶的電、氣、水?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、匯總、計(jì)費(fèi)和報(bào)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(wú)線信號(hào)的覆蓋問題，功能類似于GSM直放站，通過(guò)TrackRepeater可以轉(zhuǎn)發(fā)信息，從而有效的擴(kuò)展了TrackNode和TrackCenter之間的距離。

　　硬件平臺(tái)

　　基本的無(wú)線數(shù)傳模塊TrackNode采用MSP430和CC1020組合的硬件平臺(tái)，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(dá)到10dBm, 視距傳輸距離可以達(dá)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(diǎn)。出于存儲(chǔ)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(tái)

　　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(tái)，而且自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套用于自動(dòng)抄表的自組網(wǎng)協(xié)議棧TrackRFID，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了TrackRFID遠(yuǎn)程無(wú)線抄表試驗(yàn)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(yuǎn)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?！凹笔侵窽rackCenter定期需要將所屬電表信息通過(guò)輪詢或者同一命令全部收集上來(lái)，譬如：每月一次抄表計(jì)費(fèi)或者用電統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)電表預(yù)充值服務(wù)和節(jié)點(diǎn)故障報(bào)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(jié)點(diǎn)劃為同一個(gè)簇。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，一般三跳以內(nèi)即可到達(dá)簇首節(jié)點(diǎn)Trackcollect，TrackCollect負(fù)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(gè)TrackCollcet可以收集簇內(nèi)節(jié)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?cè)O(shè)計(jì)了一套TrackRFID協(xié)議棧。首先，該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間利用無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路層的廣播信道功能，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息，接收到廣播消息的一組節(jié)點(diǎn)通過(guò)比較各自接收到的消息的本地時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)它們之間時(shí)間同步[2]。在多址接入問題上，我們通過(guò)一種周期性時(shí)隙slot調(diào)度和CSMA相結(jié)合的多址接入算法來(lái)解決節(jié)點(diǎn)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(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?fù)浒l(fā)現(xiàn)，在此過(guò)程中建立了基于樹的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(diǎn)查詢的要求，簇內(nèi)TrackCollect與TrackNode之間的最大跳數(shù)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(nèi)信息傳遞。除此之外，我們采用一套對(duì)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(qiáng)通信抗干擾性能。目前，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，對(duì)于上百個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議棧基本能保證數(shù)據(jù)包正確收集率100%。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)小區(qū)自動(dòng)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了反復(fù)的外場(chǎng)測(cè)試，證明運(yùn)行穩(wěn)定、方案切實(shí)可行。目前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在150個(gè)節(jié)點(diǎn)，更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試仍在進(jìn)行中。

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