一種基于無線傳感網的遠程自動抄表系統設計

摘要：本文從系統構成、網絡協議棧以及硬件平臺等方面，介紹了一種基于無線傳感網的遠程自動抄表系統的設計方案。該系統具有安裝簡單，可靠高效、成本低廉等優勢。

關鍵詞：無線傳感網；自動抄表系統；網絡協議

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。在電力系統的信息化過程中，戶表數據的自動抄送具有十分重要的意義，也是行業單位迫切想要解決的問題，因為電表數據抄送的準確性、及時性，直接影響電力系統的信息化水平、甚至管理決策、經濟效益。

傳統的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導致了相關營銷和企業管理類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，對于用戶計量來說是可行的，但對于相關供應部門進行更深層次的分析和管理決策卻不夠，行業的實際需求催生著自動抄表系統的技術和應用的不斷發展。

當前市場上存在的自動抄表系統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，組網靈活，成本低等優勢。針對無線抄表市場對超低功耗、超遠距離的無線技術的需求，上海華龍信息技術開發中心推出了TrackRFID遠程抄表系統，該系統采用了業內領先的無線技術，在超低功耗、超遠距離、抗干擾等方面有著獨特的優勢。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、數據交織、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。系統組網方式基于自組網路由協議.具有靈活可靠，施工簡單，造價低廉等優點。

TrackRFID遠程抄表系統工作在自由頻段，目前主要支持433M和2.4G兩個頻段。系統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，并通過樓宇內無線自組織網絡直接傳送到安裝在物業管理中心的系統集中器內。集中器可實現無人值班，連續實時運行，對該小區所有住戶的電表進行自動抄表、自動存儲。在系統集中器TrackCenter內配有有線和無線調制解調器，通過市內電話網與供電公司的營業收費及管理部門直接建立通信聯系。電力公司通過市內電話網絡可隨時收集各用戶水、電、燃氣用量信息，自動結帳，打印和查詢。下面我們將從系統結構、組網協議和硬件結構等幾個方面對該系統做逐一的介紹。

系統結構

根據實際施工環境不同，TrackRFID遠程無線抄表系統由系統集中器TrackCenter、局部信息集中器T rackCollect、信息中繼器TraekRepeater、抄表終端采集器TrackNode等一系列可選產品組成，系統組成如圖1所示。

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的設備，一般安裝在電表箱或者電表內。該模塊由無線數據收發、信號采集和控制三個部分組成。其中無線數據收發部分采用高集成度的專用短距離、低功耗的無線數傳芯片CC1020，與控制單元連接簡潔(直接串口連接)，性能穩定可靠的優點，已經得到大量應用?？刂茊卧捎玫凸母咚賳纹瑱CMSP430，具有控制功能強，低功耗的優點，使控制單元簡單高效，可靠性高。TrackNode通過485接口和數據采集終端相連，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間，我們根據情況將小區劃分為若干個簇，局部信息集中器(TrackCollect)收集其管轄的簇中所有TrackNode上傳過來的電表數據，最終匯總后上傳給TrackCenter。TrackConect具有手持和固定兩種產品類型，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管理中心內。其基本功能有定時呼叫和接收采集終端的數據；向采集終端發送凍結命令，以保證數據的同時性；接受總控站的命令，并向總控站發送有關數據，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的時間等。TrackCenter一般管轄一個小區，收集其管轄的所有的TmckCollect的電表數據，然后通過串口或者網口上傳給相關的設備，該設備通過無線公網鏈路如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的電、氣、水數據，進行統計、分析、匯總、計費和報表、帳單打印等工作。物業管理中心如需要查詢有關用戶的水、電、氣數據，也可利用調制解調器接收并顯示有關數據，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線信號的覆蓋問題，功能類似于GSM直放站，通過TrackRepeater可以轉發信息，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。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點。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。

網絡協議

目前，我們不僅基于MSP430，ARM7和CC1020／CC2240自主開發了TrackNode和TrackCollect／TrackCenter等硬件平臺，而且自主設計和實現了一套用于自動抄表的自組網協議棧TrackRFID，在此基礎上構建了TrackRFID遠程無線抄表試驗系統，網絡結構采用兩層混合自組網結構，圖3所示。

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計分析。而“單抄”是指TrackCenter需要查詢和讀寫特定的電表數據，譬如：實時電表預充值服務和節點故障報警功能。每個TraekCenter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，譬如同一棟樓節點劃為同一個簇。根據我們的經驗，一般三跳以內即可到達簇首節點Trackcollect，TrackConect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TmckCollcet可以收集簇內節點的信息，然后再將信息發送給TrackCenter，圖3所示。

從簡單實用的角度出發，我們設計了一套TrackRFID協議棧。首先，該系統節點之間利用無線數據鏈路層的廣播信道功能，一個節點發送廣播消息，接收到廣播消息的一組節點通過比較各自接收到的消息的本地時刻，實現它們之間時間同步。在多址接入問題上，我們通過一種周期性時隙slot調度和CSMA相結合的多址接入算法來解決節點數據發送的數據沖突避免問題。其中，簇首節點TrackCollect之間自組織網絡路由算法是該協議棧的核心，我們通過廣播泛洪進行拓撲發現，在此過程中建立了基于樹的網絡拓撲結構，從而為基于樹的路由策略奠定了基礎。出于快速單點查詢的要求，簇內TraekCollect與TrackNode之間的最大跳數不超過3，這樣我們采用簡單的廣播泛洪方式進行簇內信息傳遞。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增強通信抗干擾性能。目前，在規定時間內，對于上百個節點的網絡，該協議棧基本能保證數據包正確收集率100％。

結語

本文介紹了一種基于無線傳感網實現小區自動抄表系統，該系統方案已經在上海華龍信息技術開發中心的TrackRFID遠程抄表系統平臺上實現并進行了反復的外場測試，證明運行穩定、方案切實可行。目前網絡規模在150個節點，更大規模的網絡測試仍在進行中。