微功率無線智能抄表關鍵技術研究

陳思璇

摘 要：本文緊緊圍繞無線智能抄表應用要求的低復雜度、低功耗、低成本和高可靠性等研究目標，以及國家傳感器網絡標準化工作組通信與信息交互項目組所確定的技術目標和技術路線，概括低功耗的睡眠-喚醒機制、高可靠的通信鏈路、靈活組網方式下的MAC幀優化、跨層協議的設計等技術的研究。

關鍵詞：無線智能抄表；MAC層優化；睡眠喚醒；可靠鏈路

1 研究現狀

1.1 國內外發展現狀與趨勢

在能源日趨緊張、用電需求迅速增長、供電服務要求日益提高的形勢下，世界各國正在試圖尋找更加環保、節約、低能耗的新型綠色能源經濟管理模式。美國、英國、意大利、法國、西班牙、澳大利亞等發達國家，以及印度等新興發展中國家都在積極發展自動化表計系統或智能電表，相繼大規模開展了用電信息采集相關系統建設，在電力用戶用電信息的專業化應用和集成化應用方面均取得良好的應用效果。其中以德國、意大利、西班牙和葡萄牙等國家和歐盟對智能抄表方面的研究居多，用到的技術也各種各樣，如zigbee、藍牙、WIFI、無線寬帶、PLC、總線和以太網方面的技術。

自20世紀90年代起，國內電力系統逐步開展了負荷管理、集中抄表等用電信息采集系統的試點建設與應用，通過智能化的用電服務手段，加強用戶與電網之間的信息集成共享和實時互動，進一步改善電網運營方式和用戶對電能的利用模式，有效提高終端用戶用能效率。國內的一些公司和高校也相繼開展無線智能抄表的研究，國家無線電委員會已將原來模擬電視使用的470MHz-510MHz頻段釋放用于民用計量，這對無線抄表是一個很好的資源。

1.2 國內現有技術基礎

北京新鴻基瑞程科技有限公司在基于國網標準下推出的DCJL22-RC2010采集器具有低功率發射、高抗干擾能力、低誤碼率、傳輸距離遠、多信道、高可靠性、體積小、重量輕等優點，主要服務于城市居民小區和村鎮的無線抄表應用。成都千嘉科技有限公司推出的無線抄表系統，針對小區應用場景，設計出小區管理機、集中器、終端表具之間采用無線通訊方式的管理中心遠程集抄方案，從路由路徑生成與管理、數據交互的主從雙方流程、資源需求分析、協議等各方面進行優化，一定程度上緩解了信號差、對環境要求高、電池電量容易耗盡、易受干擾、安裝配置復雜等問題。然而，由于現有抄表系統的特點和應用場景的復雜性，進一步降低功耗、降低成本、提升鏈路質量可靠性，還有待進一步的深入研究。

2 研究內容和方法

2.1 基于GB/T 15629-2010（CWPAN）技術規范的MAC層優化研究

（1）信幀調度研究。密集型的電表安裝方式，勢必形成復雜的電磁環境，導致數據傳遞過程中相互干擾，增加數據發送碰撞的概率，因此，若MAC層能有效的控制和調度，則可避免上述情況，信標幀調度則是控制節點收發數據的關鍵。（2）睡眠-喚醒機制研究。考慮到抄表系統是以每小時/每天/每月一次或幾次地以周期性發送數據的方式，或者是系統通知電表上傳數據的這種以事件驅動方式的兩種低頻度通信，對現有的MAC層的協議進行優化，針對特定的應用場景，提出相應的睡眠-喚醒機制，讓節點在數據交互之余可以最大限度的休眠。（III）MAC層幀結構研究。MAC層數據幀最大有127字節，其中幀頭占25字節，若加上安全使能則需要65字節作為幀頭開銷，然而在抄表系統這種應用場景下，數據載荷部分所占比例較小（通常只有10-20字節），因此有必要將無線傳感器網絡MAC層幀結構進行精簡、改進，或者對保留的標志位賦予新的控制含義，使MAC幀內有效數據的傳輸達到最大化。

2.2 基于470MHz物理信道的MAC層機制研究

智能抄表系統工作在室外，對傳感網通信質量的要求就比較高。但處于2.4GHz 的節點在建筑環境中工作較差，因此增加了470MHz的物理信道使用頻率作為抄表系統選擇頻率之一。相對于2.4GHz來說，處于470MHz的電磁波雖然穿透力沒有2.4GHz強，但對于一般住宅型的建筑來說已經夠用，并且470MHz的電磁波繞射性能更優，適用于戶外環境。其頻段窄，傳播特性良好，適宜廣覆蓋、容量不大的應用場景。

2.3 無線智能抄表系統跨層協議研究

在已有的傳感網技術標準中，對路由協議和MAC層協議都是各自獨立研究的，比如針對《傳感器網絡通信與信息交互第1部分：低速無線傳感器網絡網絡層和應用支持子層技術規范》，或者IEEE802.15.4c和IEEE802.15.4g標準等，各層協議的獨立性帶來一些優勢的同時也影響了系統的性能，如若將第2層的一些狀態參數信息作為路由依據，將MAC層與路由層的功能進行一定程度的整合，采用跨層次設計的思路能夠使網絡層了解到底層數據的傳輸情況，從而做出更加切合實際的路由選擇，這樣更適用于智能抄表系統。針對抄表系統這種應用場景來說，一些已有的網絡層的路由協議并不是非常有效。那么，為了保證數據傳輸的可靠性，應該參考MAC層協議，設計多路徑路由平衡網絡負載，緩解單路徑路由時的網絡震蕩，實現路由容錯提高魯棒性。

2.4 抄表系統應用層協議與傳感網MAC層通信協議適配的研究

對于抄表系統來說，不僅需要實時上傳用電數據，還要滿足用戶用電量查詢、電表管理等更多的功能要求。從《電力用戶用電信息采集系統通信協議：主站與采集終端通信協議》可以看出：電力行業對于抄表系統的應用層通信規約有自己的行業規范，而且其應用層協議主要是基于傳統的RS485和PLC底層通信協議，對于短距離無線通信的物理層和MAC的兼容與適配問題，以及適配的高效率問題，有待于深入研究。

3 無線抄表的關鍵技術點

3.1 低功耗的睡眠-喚醒機制

據資料顯示傳感器節點通信模塊的能耗占全部能耗的95%以上，而節點在收發數據之余持續的監聽狀態對于周期性或者事件觸發性的數據采集方式來說并不是必須的，提出一種針對該應用場景的睡眠-喚醒機制，既能從根本上降低節點的能耗，且又能保證在突發事件產生時，相關節點能快速地喚醒，這需要高效的MAC層調度機制與網絡層路由的精確配合。

3.2 高可靠的通信鏈路

集中式的電表安裝方式決定了高密度的無線節點通信環境，這對底層傳輸數據的可靠性產生很大的威脅，增加通信過程中的誤碼率，甚至于CRC校驗時出現高錯誤率，造成眾多數據包重傳、一次數據發送成功率大大降低的局面，遠達不到鏈路通信可靠性的要求。結合具體的拓撲結構，進行分時分層分信道調度，建立有效的MAC層調度機制能克服上述問題。

3.3 靈活組網方式下的MAC幀優化

無線智能抄表的應用場景形式多樣，目前主要有兩種方式：直連模式和集中器模式，國內大部分的抄表系統都是集中器的模式。提出有針對性的MAC幀優化方法，在不破壞已有協議幀格式的前提下，對幀格式的標志位進行精簡、擴展、必要的填充，保證MAC幀內有效數據的傳輸達到最大化。

4 結束語

改變用戶用能方式，促進節能減排，服務“兩型”社會建設、提高能源利用效率，實現國家能源可持續發展的戰略目標，準確有效的抄表是一個重要環節。由于現有抄表系統的特點和應用場景的復雜性，在低功耗、低成本、鏈路質量可靠性上得不到保障。無線智能抄表以其技術先進、易于安裝和維護、可靠性高、成本低等優點，必將成為未來發展的趨勢。

參考文獻

[1]許建安.電力系統通信技術[M].北京：中國水利水電出版社，2007：97-112.

[2]丁毓山.電子式電能表與抄表系統[M].北京：中國水利水電出版社，2005.