一种基于自组网络的无线抄表系统研制

摘要：研制一种符合国家无委会民用计量频段的基于射频发射自组无线网络的无线抄表系统，采用CFDA微蜂窝式固定无线数据接入平台实现网络的自组织功能；采用最新的MCU+RF一体化集成方案的超低功耗芯片Si1010设计集中器和采集器；软件编程实现按需DSR路由协议；集中器通过GPRS与控制中心通信，接入Web平台，实现快速自动抄表，系统构建简单方便，性价比高，更加利于实现智能小区无线抄表。
关键词：自组网络；无线抄表；CFDA；Si1010；DSR路由协议

0 引言
    小区三表集抄系统是小区内水、电、气三表数据采集系统，一般由集中器和采集器(采集终端)以及通信信道与抄表软件组成，其中集中器到抄表中心为上行信道，集中器至采集器(采集终端)或水电气表间为下行信道，目前上行信道是远程数据传输，一般有电话拨号、GPRS(GSM或CDMA)等，其传输可靠性与技术难度已不是抄表中的主要问题，小区抄表关键在于下行信道，这也是抄表中最难的地方。目前小区集抄系统根据其下行通信信道的不同，可分为电力载波、RS 485总线、以太网、有线电视网等。
    RS 485系统因为需要部署专门的有线网络，在PLC和无线射频技术的冲击下越来越势微。PLC技术利用现有的电力线网络，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PLC在低压电网上存在的高衰减、谐波干扰等问题，其可靠性和抄通率都存在一些问题。无线射频技术是另外一种实现自动抄表的主流技术方案，特别是在低功耗无线技术越来越成熟、普及和廉价后，无线抄表已成为自动抄表市场的热门方案。
    无线抄表有很好的频段资源，中国国家无线电管理委员会已经将原来模拟电视的470～510 MHz频段释放用于民用计量，无线抄表的资源耗费较少、容量大、费用低、范围广。目前成熟的射频抄表方案大多是433 MHz，新型基于ZigBee无线传感器网络的产品受传输距离等因素限制亦未能推广，由此本项目研制一种新型的符合无委会民用计量频段的射频无线抄表系统。

1 系统总体结构
    整个系统按应用分为三层结构：最上层是综合应用层，包括下载抄表任务、数据信息查看、系统／报表管理和收费增值服务等；中间层为数据管理层，即为管理中心，其数据来源为各区域中心节点，通过GPRS无线移动网络接入；最底层为数据应用层，即为各区域下行信道各节点数据通信网络。
    下行信道通过无线自组网络通信，组网方式采取CFDA(Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窝式固定无线数据接入平台，每个分布节点既是数据接入点，同时也是中继点，它是一种全路由的网络状的无线数据传输系统。最大的特点是全路由的无线接入，最大路由可达三级。主要应用于远程数据采集系统及小区安防报警系统，用无线的方式实现最后一公里内的分布信息点的数据接入，具有典型SCADA特征，小区之间为蜂窝结构。CFDA系统由一个个的蜂窝组成，其中每个蜂窝是由中心节点(CAC)和分布节点(DAU)组成。一个CAC下面最多可挂接1 023个DAU。多蜂窝结构一般应用于系统比较庞大的情况，在大多数情况下采用的是单个的蜂窝，即一个中心节点及其下面的若干个分布结点，每个分布接点根据其RS 485的驱动能力，可挂接32台电／水／气表。其系统结构图如图1所示。

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2 传感器节点模块组成
    根据应用对象和功能要求，设计一种新的无线自组网络的传感器节点，在系统中，主要分两类节点，一类是中心节点，该节点即构成抄表系统的集中器；另一类是分布节点，此类节点构成抄表系统的采集器。本研究暂不对节点的感应模块作考虑，每个传感器中心节点的结构框图如图2所示。分布节点可选择不连PC机，不使用串口。

2．1 MCU+RF模块
    核心模块采用具有最新技术的Silicon公司的芯片Si1010。Si10xx系列无线MCU具有25 MHz的8051内核、EZRadioPRO Sub-GHz RF收发器、最高达64 KB的FLASH和最高12 b的ADC，所有组件集成在5 mm×7 mm大小的封装内。Si10xx系列产品是业界最高效的单芯片无线MCU解决方案，常用操作模式下具有最低的电流消耗。Si10xx无线MCU是全球惟一能工作在0．9 V、并集成RF无线收发功能的MCU，它还是目前全球工作功耗最低的MCU，仅有160μA／MHz，这使得基于它的应用无需使用昂贵的锂电池，而可改用便宜的碱性电池。其RF收发器的输出功率高达+20 dBm，室外无线工作距离可达3 km，在室内工作时可穿过7～10层楼，是无线抄表器的绝佳选择。
2．2 供电单元
    采集控制中心节点和无线传感器节点都采用包括超级电容的阻容降压方式供电，亦可选择电池供电，因为Si10xx系列产品的超低功耗架构和快速唤醒(2μs)极大地延长了锂／碱性电池的使用寿命。Si10xx架构还包含DC-DC升压转换器，可以为大负载提供高效电能，DC-DC转换器还可为周期性RF收发提供所需电能，效率高达90％。
2．3 串口
    控制中心节点可通过串口与PC机联系，如收到上位机的采集命令，把采集到的数据送给PC机并显示，故采取标准的RS 232C串口提供连接。对于分布节点，则可不需要串口通信。

3 无线自组网络拓扑结构
    本设计采取CFDA(Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窝式固定无线数据接入平台，每个分布节点既是数据接入点，同时也是中继点，它是一种全路由的网络状的无线数据传输系统。智能能源表计数据的可靠传送是设计通信协议的关键。把每个数据采集终端和能源表计设为一个无线传感器节点(为DAU)，负责采集智能表计的数据；数据采集基站设为控制中心，智能表计的数据通过无线网络传送给CA C，控制中心则负责整个自动抄表系统的数据采集、管理及实时监控。在小区自动抄表系统中，为了区别网络中每户能源表计即无线传感器节点，给每个节点首先分配一个惟一的ID信息。
    当数据采集模块收到发给自己的采集命令就会采集数据并发送给控制中心节点。在抄表中心节点和采集终端之间采用无线通信方式，由于无线通信距离有限，有些传感器节点不能直接把数据传送到抄表中心，这就需要其他的传感器节点即中继节点来转发数据。
针对提出的小区无线自动抄表系统，必须处理好下面几个问题：网络的拓扑结构；新节点加入网络；采集终端之间数据传输过程中的干扰。
    基于无线传感器网络的自动抄表系统是一个多跳的自组织网络，本设汁中假没一个传感器节点最多经过3跳就可到达控制中心节点，整个系统网络拓扑结构如图3所示。

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4 系统的软件设计
    本研究设计的抄表系统采用被动抄表的方式，其自动抄表系统是由一个中心节点和数目众多的传感器节点组成，每个传感器节点又包括具有传感器功能的智能表计和采集模块。
4．1 中心节点软件实现
    控制中心节点协调整个网络的工作，接收上位机传来的命令，并按指令的要求做出相应的操作，接收无线传感器节点的数据并上传给上位机或管理中心。自动抄表系统采用分时分段抄表，即中心节点采用轮询的方式采集各个用户的能源用量。首先中心控制节点的各模块程序进行初始化，然后处于接收状态，当中心节点收到管理中心发来的采集数据命令，首先读取其要采集数据的节点的ID和采样ID(即水、电、气等采样标识)，然后在其保存的路由表中查找到要采集节点的路由信息。在其保存的路由表中，如果有到采集节点即目的节点的路由信息，则把到目的节点的路由信息及采样信息加入到采集数据分组中发送出去。
    如果路由表中没有到目的节点的路由信息，中心节点就会发起一个路由请求分组RREQ。然后中心节点就处于接收状态接收消息分组，当中心节点收到路由响应分组RREP后，即找到到达目的节点的路由信息后，则把此路由信息写入路由表中并将其到达目的节点的路由标识置高，然后把路由信息加入采集命令分组中发送采集数据命令分组。
    中心控制节点发送完数据采集命令分组之后就一直处于接收状态，当其接收到其他传感器节点发送过来的采集数据，则把该用户的能源用量信息上传给上位机，然后上位机保存采集到的用户的能源用量，并统计计算每户的费用以方便收费管理。
4．2 传感器节点软件
    无线传感器节点主要负责采集小区用户的能源表计的用量，并把采集到的数据上传给中心节点或作为路由器转发其他节点的数据信息。由于本系统采用被动抄表方式，所以每个传感器节点只有收到发给自己的采集数据命令时才会采集该节点的数据信息。当有新用户使用智能表计记录自己的能源用量即有新节点加入网络，首先发送加入网络的消息，其成功加入网络后就跟其他的节点一样处于接收状态，接收中心节点和其他节点发来的消息分组。
    当传感器节点各个部分初始化之后，Si1010就进入接收状态，监测信道并接收其他节点发送的消息分组。每个节点根据其收到的不同的消息分组，将进行不同的处理。当收到其他节点发送来的数据采集命令时，其首先判断是否是发给自己的数据采集命令，如果不是发给自己的采集数据命令，直置发送状态，则其按分组中的路由信息把该分组转发给其下一跳节点。
    中心节点的主要作用是：接收来自其他节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后发给管理节点；接收管理节点所发的指令，确定节点工作状态。其基本工作流程如图4所示。

5 结论
    本项目研究一种基于小区的无线自组网抄表系统，其创新点主要有：
    (1)对系统中控制中心节点和无线传感器节点的硬件进行全新设计，采用最新的MCU+RF一体化集成方案芯片Si1010，与双芯片解决方案相比，单芯片方案的封装尺寸与PCB空间均缩小50％，既降低了芯片本身的成本也降低了终端解决方案的成本。集成方案由于已经集成了射频功能，简化了产品的开发过程，降低了终端的开发难度。
    (2)采用CFDA微蜂窝式固定无线数据接入平台实现网络的自组织功能，每个传感器节点根据所处的位置关系可形成一个多跳的链式网络，节点可随时加入或退出网络而不影响网络正常工作。
    (3)中国国家无线电管理委员会已经将原来模拟电视的470～510 MHz频段释放用于民用计量，这对于Sub-GHz系统在中国无线抄表市场上的应用也是好消息。目前支持Sub-GHz的解决方案有Silicon Labs的Si10xx系列平台和TI的CC430平台等，Si10xx平台支持240～960 MHz频率。开发的无线抄表系统符合新规，而符合新规的产品处于刚起步阶段，具有巨大的市场潜力。
    (4)编程实现按需DSR路由协议，可及时准确地找到到达数据采集节点的最佳路由信息，实现了快速准确抄表。系统在测试中获得了良好的效果，该系统具有结构简单、工作可靠、功耗低、通信成本低等优点，达到了产品设计要求。