基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計

潘小琴，徐海龍

（1.西南科技大學 工程技術(shù)中心，綿陽 621000；2.綿陽市人民防空辦公室，綿陽 621000）

智能電網(wǎng)的特點在于利用實時獲取的電網(wǎng)發(fā)電信息和用戶信息進行優(yōu)化調(diào)度[1]。自動抄表系統(tǒng)可以實時獲取用戶用電信息，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中占據(jù)重要的作用[2]。傳統(tǒng)的自動抄表方式使用有線傳輸，系統(tǒng)的可靠性低，后期維護難度大，該方式已不適應智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。新型的無線抄表方式具有實時性好、數(shù)據(jù)抄錄準確、安裝方便、維護費用低等優(yōu)點，逐漸成為抄表系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢[3]。

根據(jù)抄表實際需求，現(xiàn)提出一種基于ZigBee和3G的新型遠程無線抄表系統(tǒng)，將ZigBee技術(shù)低成本、低功耗的特點和3G技術(shù)高速率、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢相結(jié)合[4]，完成用戶用電量的主動抄表和被動抄表。該系統(tǒng)實現(xiàn)了配電室與管理中心之間的遠距離傳輸，適用于抄表終端分布密集的情況[5]。整個網(wǎng)絡(luò)提供雙向通信，采集電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)傳送到智能電網(wǎng)，實現(xiàn)電能測量、分時統(tǒng)計、故障診斷、實時控制、動態(tài)調(diào)度等功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計及工作原理

系統(tǒng)總體架構(gòu)是一個3層分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由電表管理中心、公網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能電表等構(gòu)成[6]。自下而上包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和監(jiān)控管理層，整個網(wǎng)絡(luò)提供雙向通信。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Structure of system

在數(shù)據(jù)采集層，采集器通過RS-485總線采集多個電表數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)幀格式符合多功能電表通信協(xié)議DL/T 645-2007。在數(shù)據(jù)傳輸層，采集器與集中器之間通過ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)進行短距離通信，并使用路由器擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；集中器與管理中心通過3G網(wǎng)絡(luò)進行遠距離傳輸。在監(jiān)控管理層，電表管理中心負責用戶電量的統(tǒng)計、查詢、報表打印等工作，完成小區(qū)用戶檔案的建立，設(shè)置或更改無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)[7]。

該系統(tǒng)上電即用，無需額外設(shè)置，具有雙向通信、自動組網(wǎng)、自動路由、抗干擾等特點。通過該系統(tǒng)，供電公司可及時獲取大量用戶的用電信息，推出各項用電優(yōu)惠政策調(diào)節(jié)用戶的用電習慣，有利于電力系統(tǒng)更加平穩(wěn)、可靠的運行[8]；用戶可通過電腦或移動終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，在供電部門的門戶網(wǎng)站了解耗電情況、實時電價等用電信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線抄表系統(tǒng)包括集中器、路由器、采集器3種硬件設(shè)備，ZigBee組網(wǎng)功能由CC2530射頻模塊實現(xiàn)。

2.1 集中器的硬件設(shè)計

集中器負責通過3G網(wǎng)絡(luò)與管理中心通信，作為中心節(jié)點建立、配置并維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)，下達管理中心的命令和上傳電表數(shù)據(jù)。集中器主要由電源模塊、ZigBee無線通信模塊、3G模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、串口調(diào)理電路、顯示模塊、復位模塊以及時鐘模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。集中器的核心處理器采用STM32F103VET6，ZigBee無線射頻模塊和3G模塊通過串口連接到主控制器上。3G模塊選用華為公司的MC509 CDMA2000無線數(shù)據(jù)終端，該模塊的指令和封裝兼容ME909數(shù)據(jù)終端，因此，該系統(tǒng)后期可以很方便地升級到4G網(wǎng)絡(luò)。

圖2 集中器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of concentrator

2.2 數(shù)據(jù)采集器和路由器的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器的主要功能是采集電表數(shù)據(jù)并上傳至傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者接收路由器的命令并下達到電表。數(shù)據(jù)采集模塊由主控芯片CC2530（MCU+RF）、電源模塊、RS-485調(diào)理電路、功率放大調(diào)理電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、復位模塊以及時鐘模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。為方便數(shù)據(jù)采集器的部署，電源部分采用高能鋰離子電池供電方案。另外，考慮到電表數(shù)據(jù)不需要頻繁采集，為了節(jié)省能耗，數(shù)據(jù)采集器采用睡眠-喚醒-正常工作的循環(huán)模式，其通信時間與休眠時間的占空比為0.05%～0.5%，滿足抄表行業(yè)的要求[9]。

路由器設(shè)備利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由能力，用于增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和擴大覆蓋范圍，路由器不需要與電表通信，其硬件結(jié)構(gòu)減少了RS-485調(diào)理電路，其他部分與數(shù)據(jù)采集器類似。

圖3 數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of data collector node

3 無線網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的工作流程

使用開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Woekbench移植Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)。集中器和采集器的工作流程如圖 4（a）、（b）所示，包括初始化網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)自檢和抄表3個階段。

圖4 系統(tǒng)工作流程Fig.4 Flow chart of system

初始化網(wǎng)絡(luò)階段集中器啟動之后，首先進行初始化，隨后啟動信道掃描獲取信道信息，根據(jù)掃描結(jié)果設(shè)置 PANID、channel、short address等網(wǎng)絡(luò)屬性值。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，集中器等待路由器和采集器的入網(wǎng)請求。路由器和采集器的啟動與集中器類似，初始化完畢將進行信道掃描，根據(jù)掃描結(jié)果選擇一個合適的PANID網(wǎng)絡(luò)加入，集中器將分配網(wǎng)絡(luò)地址。

系統(tǒng)自檢階段在無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)之后，管理中心打開管理軟件，向下發(fā)送一個自檢命令，自檢有2個作用：檢查管理中心、3G網(wǎng)絡(luò)模塊、集中器、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點及電表的連通性，確保數(shù)據(jù)鏈路無斷點；同時，通過設(shè)備返回的自檢數(shù)據(jù)，獲得每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的PANID，建立采集器與電表之間的地址映射關(guān)系[10]。

抄表階段抄表方式有主動抄表與被動抄表2種模式。主動抄表模式：每個采集器自動周期性地向電表發(fā)送抄表命令，獲得電表數(shù)據(jù)并自動將此數(shù)據(jù)上傳到管理系統(tǒng)服務器。被動抄表模式：需要人為操控，管理系統(tǒng)向采集器發(fā)送單次抄表命令，各個采集器得到電表數(shù)據(jù)之后上傳到管理系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

應用層的通信采用自定義的幀結(jié)構(gòu)，由集中器和管理中心負責構(gòu)造協(xié)議幀，3G網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。應用層幀格式如圖5（a）所示，由前導字符、網(wǎng)絡(luò)標識符、發(fā)送模式、返回模式、目的地址、功能碼、載荷、校驗碼組成。

圖5 多種模式的幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Various modes of the frame structure

為了減少網(wǎng)絡(luò)中的信號發(fā)射，數(shù)據(jù)幀有單播、組播、廣播3種發(fā)送方式，系統(tǒng)中盡量減少使用廣播這種方式，避免引起數(shù)據(jù)流的擁堵。圖5（b）為單播的幀格式，目的地址表示發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中的某個采集器，表地址代表RS-485下的某個電表，實現(xiàn)對采集器下的單個電表的遠程控制。圖5（c）為組播的幀格式，為了便于管理，將各個不同的樓棟分為不同的組，不同的組號可以用于遠程測試并定位故障的源頭。圖5（d）為廣播的幀格式，這種發(fā)送方式可以對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的電表進行操作。

3.3 網(wǎng)絡(luò)的抗干擾處理

由于物聯(lián)網(wǎng)的興起，ZigBee、WiFi和藍牙等無線通信網(wǎng)絡(luò)運行在共存環(huán)境中，核心工作頻率是2.4 GHz，通信信道相互重疊。目前，這些協(xié)議不能相互協(xié)商頻譜資源的使用，對彼此的正常通信產(chǎn)生很大的干擾。

根據(jù)干擾源是否來自相同無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以細分為同質(zhì)干擾和異質(zhì)干擾。同一個抄表系統(tǒng)內(nèi)部不同的設(shè)備之間或者通信范圍內(nèi)的其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)與抄表系統(tǒng)之間均存在同質(zhì)干擾；共存環(huán)境中的WiFi、藍牙與抄表系統(tǒng)之間存在異質(zhì)干擾。不管是同質(zhì)干擾還是異質(zhì)干擾，最根本的原因是共享頻譜資源時，彼此產(chǎn)生了通信沖突，如果能夠從物理層隔離不同的協(xié)議，那么就可以減少干擾。因此，系統(tǒng)從頻率隔離、時間隔離、提高容忍能力三方面進行了抗干擾的處理。

3.3.1 頻率隔離

頻率隔離主要通過多信道技術(shù)[11]使不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運行在不同的頻率上，避免干擾。ZigBee網(wǎng)絡(luò)定義了11～26共16個不同的物理信道，每個信道使用不同的頻率。因此，從頻率上對抄表系統(tǒng)進行分解，參照移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的形式，在大型社區(qū)里面實行一區(qū)多網(wǎng)模式，如圖6所示。

圖6 一區(qū)多網(wǎng)模式Fig.6 Area network mode

將整個社區(qū)在地域上劃分為多個更小的區(qū)域，每個區(qū)域由集中器建立不同的Mash網(wǎng)絡(luò)。地理位置臨近的網(wǎng)絡(luò)使用不同的信道進行隔離，信道的選擇固化在程序之中，無需人為的操作即可完成自動組建網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)等功能。另外，每個網(wǎng)絡(luò)使用不同的網(wǎng)絡(luò)標識符PANID（personal area network ID）加以區(qū)分，各個網(wǎng)絡(luò)的組建互不干擾，以并行的方式共存。

一區(qū)多網(wǎng)模式使得每個子網(wǎng)絡(luò)管轄的區(qū)域縮小，組建的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量減少，通信傳輸延時變短，因此，抗外部干擾能力更強，誤碼率和丟包率降低，網(wǎng)絡(luò)運行更加穩(wěn)定[12]。

3.3.2 時間隔離

時間隔離主要通過載波偵聽多點接入/避讓（CSMA-CA）機制實現(xiàn)，共存的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在不同的時間運行，在一定程度上可以避免干擾的出現(xiàn)。

在CSMA-CA機制中，當設(shè)備想要傳輸數(shù)據(jù)時，先要進行信道狀態(tài)檢測，倘若信道空閑，在等待一個隨機間隔時間后可接入信道；如果檢測到當前信道有傳輸信號，設(shè)備必須退避一個隨機間隔時間之后再重新感知信道狀態(tài)，退避時間根據(jù)算法計算。該機制判斷信道狀態(tài)的方法是能量監(jiān)聽，無論是同質(zhì)干擾還是異質(zhì)干擾，該方法均適用。

3.3.3 提高容忍能力

根據(jù)捕獲效應（capture effect）[13]可知，當 2 個發(fā)送者同時給1個接收者發(fā)送信號時，通常信號能量較高的數(shù)據(jù)包可以被成功解析。捕獲效應在WiFi、ZigBee和藍牙協(xié)議中都存在，利用捕獲效應可以提高系統(tǒng)對干擾的容忍能力[14]。

基于捕獲效應，從提高ZigBee信號能量的角度著手，對射頻模塊進行優(yōu)化，增大發(fā)射功率。在射頻前端增加CC2591功率放大芯片，采用巴倫調(diào)理芯片2450BM15A0002進行匹配，取代傳統(tǒng)的分立電感和電容元件組成的巴倫調(diào)理電路，排除元件參數(shù)、焊接工藝、電路板制造工藝等因素對匹配效果的影響。改進前發(fā)射功率為4.5 dBm，改進后的最大輸出功率為22 dBm。

4 系統(tǒng)測試

為了保證抄表系統(tǒng)的實際運行效果，對ZigBee通信模塊的最大通信距離及穿墻能力進行了測試。無線信號發(fā)射功率設(shè)置為22 dBm，空曠場景下最大通信距離為500 m，將通信模塊放在相距80 m的2棟樓里，間隔4層混凝土墻，模塊均正常收發(fā)數(shù)據(jù)，實驗48 h，通信的丟包率小于1%，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)的通信距離滿足實際需要。

為測試系統(tǒng)的抄表成功率，在某小區(qū)對智能電表進行測試。系統(tǒng)包括1臺集中器、8臺路由器、18臺采集器、200臺智能電表。經(jīng)統(tǒng)計，系統(tǒng)的抄表延時為3～5 s，系統(tǒng)一次抄表成功率為97%，二次抄表成功率達到100%。管理軟件顯示系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如圖7所示，系統(tǒng)施工維護方便，穩(wěn)定性高，能夠為電力公司和用戶提供可靠的數(shù)據(jù)分析，提高了工作效率和服務質(zhì)量。

圖7 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Fig.7 Test data of system

5 結(jié)語

本文提出并設(shè)計了一種兼容國家電網(wǎng)公司標準的遠程無線抄表系統(tǒng)方案，分別從系統(tǒng)組成的架構(gòu)、硬件的框圖、軟件設(shè)計等方面介紹了該方案在大型小區(qū)的應用。為了增強網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，采用頻率隔離、時間隔離、提高容忍能力3種措施。經(jīng)過實際測試，該遠程無線抄表系統(tǒng)滿足實際需求，具備實用性強、易擴展、易升級等特點，具有一定的使用價值和經(jīng)濟價值。

[1]曹軍威，萬宇鑫，涂國煜，等.智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[J].計算機學報，2013，36（1）：143-166.

[2]石家駿，鐘俊，易平.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2011，32（3）：875-878.

[3]汪銀芳，馬世偉.一種基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].測控技術(shù)，2013，32（1）：14-18.

[4]包啟明，陳益民，蘇保蘭.基于ZigBee和3G的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014，22（10）：3171-3173.

[5]汪玉鳳，姜林.基于ZigBee和GPRS的無線抄表系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：49-50.

[6]曹舒.采用智能電表的居民用戶無線自動抄表系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2010（8）：112-116.

[7]Tse Norman CF，Chan John YC，Lai LL.Development of a smart metering scheme for building smart grid system[C]//8th International Conferenceon Advances in Power System Control，Operation and Management（APSCOM 2009），2009.

[8]熊邦毛，陳亞軍，王興邦.基于433M路由算法在抄表系統(tǒng)中的應用與研究[J].計算機工程，2008，34（8）：281-282.

[9]張先燃.低功耗Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及其在智能抄表中的應用[D].蘇州：蘇州大學，2013.

[10]宋國青，葉進，屈國旺，等.基于工作流的ZigBee無線抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2010，25（4）：22-25.

[11]Incel O D，Van Hoesel L，Jansen P，et al.MC-LMAC：A multichannel MAC protocol for wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2011，9（1）：73-74.

[12]周鑫，朱向東，于秀波.ZigBee遠程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化儀表，2013，34（3）：31-33.

[13]Leetvaar K，F(xiàn)lint J H.The capture effect in FM receivers[J].IEEE Trans on Communications，1976，24（5）：531-539.

[14]何源，鄭霄龍.2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)共存技術(shù)研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2016，53（1）：26-37.