基于Wi-SUN 技術的智能電表無線跳頻通信系統設計

瞿 祎，朱 虹，張新華，牛延謀，趙 強

（華立科技股份有限公司，浙江 杭州 310023）

Wi-SUN 是一種新型的網狀網絡協議，可保證 每個設備結構體都能與相鄰元件組織建立平等的通信傳輸關系，這也是誘導互聯網環境出現非常規遠距離跳轉現象的主要原因。通常情況下，通信距離與通信速率很難在同一時間達到完全良好的應用狀態，然而由于Wi-SUN 技術的存在，Mesh 組網可主動承擔跳頻處理過程中的絕大多數數據參量，不僅能夠彌補物聯網主機與區域布置節點之間的互補關系，也可較好控制網絡總體布建所需的運營成本[1-2]。

智能電表是重要的數據采集設備之一，在智能配電網環境中承擔著數據計量、數據采集與數據傳輸的任務。隨著智能電網的日益復雜化，通信網絡中的節點跳頻誤碼率水平也在不斷提高。為解決此問題，傳統基帶處理系統利用Matlab6.5/Simulink 軟件計算無碰撞區域內的跳頻碼具體數值，然而由于節點負載壓力的存在，該系統的實際應用能力很難達到理想化水平。基于此引入Wi-SUN 技術，在外圍跳頻電路的支持下，設計一種新型的智能電表無線跳頻通信系統，再通過對比實驗的方式，突出該系統的實際應用價值。

1 無線跳頻通信系統硬件設計

智能電表無線跳頻通信系統的硬件執行環境由外圍跳頻電路、內部通信寄存器、數字頻率合成模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 外圍跳頻電路

外圍跳頻電路作為智能電表無線跳頻通信系統的核心硬件結構，由電表繼電器、ULN2003 感應芯片、電表跳頻設備、R 電阻等多個元件共同組成，可為系統提供運行所需的全部消耗電子，并可將暫存電子量轉換為長期存儲的應用形式[3-4]。當電容開關的連接形式發生改變時，接入電路中的電阻數值量水平也會隨之發生變化，此時若電表繼電器出現過量運行的狀態，則會導致智能電表出現無線跳頻的通信行為。由于ULN2003 感應芯片的存在，電表跳頻設備所承擔的物理電壓數值能夠長期處于額定數值水平之下，不僅能夠對電表元件所處網絡環境的通信誤碼率數值進行較好控制，也可避免傳輸電壓過量對外圍跳頻電路造成電流擊穿損傷[5-6]。

外圍跳頻電路結構圖如圖1 所示。

圖1 外圍跳頻電路結構圖

1.2 內部通信寄存器

內部通信寄存器可控制智能電表無線跳頻作用的變動形式，在不違反Wi-SUN 技術權限的前提下，寄存器設備所覆蓋的傳輸范圍越廣，通信系統對于跳頻行為的控制能力也就越強。一般情況下，內部通信寄存器由DAC 設備、FRGA 設備、DDS設備、ADC 設備等多個結構共同組成。其中，DAC 設備具備較強的電量感知能力，能夠較好記錄智能電表無線跳頻行為在單位時間內的變化情況。FRGA設備可與DDS設備直接相連，在調試智能電表耗電行為的同時，將暫存電子量傳輸至下級設備應用元件之中[7-8]。ADC設備負載內部通信寄存器的跳頻信號接收請求，可在保證DDS 設備信號發射能力的同時，對智能跳頻碼所存在的物理數值空間進行有效控制與協調。

內部通信寄存器結構如圖2 所示。

圖2 內部通信寄存器結構圖

1.3 數字頻率合成模塊

數字頻率合成模塊發射端使用Wi-SUN 源碼主機作為跳頻處理器設備，接收端則采用AD9914 元件作為解跳轉碼結構，可將Update、SCLK 等多個波段的傳輸信號統一到同一頻率波譜上，再通過高精度時鐘芯片，實現對智能電表跳頻信號的有效控制與模擬[9-10]。為實現對無線跳頻通信信號的合理轉換，數字頻率合成模塊輸入端與輸出端設備之間同時存在多種傳輸連接信道，一方面可通過Wi-SUN 判處的形式實現對智能電表處理能力的調試，另一方面也可在帶通濾波器元件的作用下，將跳頻通信信號調試至最佳傳輸狀態。

2 無線跳頻通信系統軟件設計

圖3 數字頻率合成模塊結構圖

在Wi-SUN 技術的支持下，按照ALOHA/CSMA協議連接、智能跳頻碼確定、數字通信頻率周期計算的處理流程，完成系統的軟件執行環境搭建，兩相結合，實現基于Wi-SUN 技術智能電表無線跳頻通信系統的順利應用。

2.1 ALOHA/CSMA協議

ALOHA/CSMA 協議的應用意義在于其首次在無線跳頻信道中注入了數據包廣播思想，且在應用的過程中，電表節點之間能夠長久保存點與點對應的傳輸連接關系。由于交換網絡的覆蓋范圍相對較為廣泛，因此該協議可有效解決無線跳頻通信誤碼率過高的問題。通過這種公共協議廣播的形式，一個智能電表節點可以隨時向另一個節點發送跳頻通信信號，且此處理過程并不需要與無線傳輸信道保持同步性應用配合關系[11-12]。ALOHA/CSMA 協議主要作用于外圍跳頻電路、內部通信寄存器、數字頻率合成模塊等多個硬件應用設備之間，能夠直接順承Wi-SUN 技術的調試指令，并可在此基礎上，對待傳輸的跳頻通信信號進行后續的加工與處理。ALOHA/CSMA 協議連接作用原理如表1 所示。其節點作用功能包括無線跳頻通信信號的傳輸與發送，傳輸連接關系為在順承Wi-SUN 技術調試指令的同時，對待傳輸跳頻通信信號進行加工與處理。

表1 ALOHA/CSMA協議連接作用原理

2.2 智能跳頻碼

智能跳頻碼能夠限定智能電表無線跳頻信號的通信傳輸能力，一般情況下，前者的數值水平越大，后者的通信傳輸能力也就越強。在不考慮其他干擾條件的情況下，智能跳頻碼計算結果僅受到跳頻量指標、Wi-SUN 處置權限兩項物理系數的直接影響[13-14]。跳頻量指標最小值可表示為e0，最大值可表示為en，n代表單次信號傳輸行為所能承載的跳頻處理系數值，一般情況下，最大值、最小值之間的數值空間越大，最終所得的智能跳頻碼計算值結果也就越大。Wi-SUN 處置權限常表示為w，出于對無線跳頻通信信號的妥善調試，在智能跳頻碼計算過程中，常取w的最大表現數值結果wmax。聯立上述物理量，可將智能跳頻碼計算結果表示為：

2.3 數字通信頻率周期

數字通信頻率周期計算是基于Wi-SUN 技術智能電表無線跳頻通信系統設計的末尾處理環節，能夠聯合智能跳頻碼，對智能電表中的信號傳輸能力進行集中限定，從而抑制跳頻誤碼率對信息文件傳輸造成的負面影響。在一個數字通信頻率周期中，系統數據庫所承載的通信信息總量越大，智能電表主機兩端的無線跳頻作用能力也就越強，反之則越弱[15-16]。規定ξ1、ξ2分別代表兩個不同的智能電表無線跳頻電感系數，且在一個周期性信號傳輸時長中，ξ1≠ξ2的物理關系恒成立[17-18]。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將系統數字通信頻率周期計算結果表示為：

式中，λ代表跳頻電壓的電感作用系數，f代表既定的跳頻作用指標值，代表系統數據庫所承載的通信信息均值量。至此，實現系統軟、硬件執行環境的搭建，在Wi-SUN 技術的支持下，完成智能電表的無線跳頻通信系統設計。

3 實用性檢測

為驗證基于Wi-SUN 技術智能電表無線跳頻通信系統的實際應用價值，設計如下對比實驗。以圖4所示智能電表設備作為實驗元件，分別將其與實驗組、對照組控制主機相連，其中實驗主機搭載基于Wi-SUN 技術智能電表無線跳頻通信系統，對照組主機搭載傳統基帶處理系統。

圖4 智能電表設備

DBR 指標、DPR 指標均能反映無線跳頻通信的誤碼率水平，一般情況下，DBR 指標、DPR 指標數值越小，無線跳頻通信的誤碼率水平也就越高，反之則越低。表2 記錄了實驗組、對照組指標的具體數值情況。

表2 DBR指標數值對比表

分析表2可知，隨著實驗時間的延長，實驗組DBR指標保持先上升、再穩定、最后下降的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果達到了71.5%。對照組DBR 指標則始終保持不斷上升的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果僅能達到40.7%，與實驗組最大值相比，下降了30.8%。

分析表3 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組DPR 指標始終保持相對穩定的數值波動變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果達到了80.3%。對照組DPR 指標則保持先上升、再下降的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果僅能達到41.9%，與實驗組最大值相比，下降了38.4%。

表3 DPR指標數值對比表

綜上可知，應用基于Wi-SUN 技術智能電表無線跳頻通信系統后，DBR 指標、DPR 指標均出現了明顯上升的數值變化趨勢，能夠較好抑制無線跳頻通信誤碼率的攀升變化行為。

4 結束語

在Wi-SUN 技術的作用下，智能電表無線跳頻通信系統利用外圍跳頻電路、內部通信寄存器等多個硬件應用設備，計算數字通信頻率周期的具體數值結果，不僅能夠實現ALOHA/CSMA 協議的穩定連接，也可以對智能跳頻碼變化狀態進行較好的控制。從實用性角度來看，DBR 指標數值與DPR 指標數值的提升，能夠降低無線跳頻通信的誤碼率水平，實現對電表通信數據的無誤傳輸。