一种基于无线传感网的远程自动抄表系统设计
摘要: 本文从系统构成、网络协议栈以及硬件平台等方面，介绍了一种基于无线传感网的远程自动抄表系统的设计方案。该系统具有安装简单，可靠高效、成本低廉等优势。
引言
随着供水、供电、供气部门对“一户一表”工程改造的推进以及对自动化的要求，远程自动抄表系统已成为水、电、气自动化管理和智能化控制不可缺少的组成部分[1]。在电力系统的信息化过程中，户表数据的自动抄送具有十分重要的意义，也是行业单位迫切想要解决的问题，因为电表数据抄送的准确性、及时性，直接影响电力系统的信息化水平、甚至管理决策、经济效益。
传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据;一般人工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够，行业的实际需求催生着自动抄表系统的技术和应用的不断发展。
当前市场上存在的自动抄表系统主要是基于无线通信和电力载波通信两种方式，其中无线通信具有施工简单，组网灵活，成本低等优势。针对无线抄表市场对超低功耗、超远距离的无线技术的需求，上海华龙信息技术开发中心推出了TrackRFID远程抄表系统，该系统采用了业内领先的无线技术，在超低功耗、超远距离、抗干扰等方面有着独特的优势。尤其是在抗干扰方面，TrackRFID采用一些先进的处理机制，比如跳频传输、数据交织、纠错编码、载波侦听和干扰检测等等，使其具有极强的抗干扰能力。系统组网方式基于自组网路由协议，具有灵活可靠，施工简单，造价低廉等优点。
TrackRFID远程抄表系统工作在自由频段，目前主要支持433M和2.4G两个频段。系统对一梯多户住宅来讲在每个楼层安装一个采集终端TrackNode，每个采集终端可通过485接口直接联接多户居民的电表。一般情况，一个采集终端可以连接多个电表，在安装时，为获取每块电表的ID号，在无线通信模块内有专门的查询电表ID的程序。该终端可直接实时录取每块电表的用量信息，并通过楼宇内无线自组织网络直接传送到安装在物业管理中心的系统集中器内。集中器可实现无人值班，连续实时运行，对该小区所有住户的电表进行自动抄表、自动存储。在系统集中器TrackCenter内配有有线和无线调制解调器，通过市内电话网与供电公司的营业收费及管理部门直接建立通信联系。电力公司通过市内电话网络可随时收集各用户水、电、燃气用量信息，自动结帐，打印和查询。下面我们将从系统结构、组网协议和硬件结构等几个方面对该系统做逐一的介绍。
系统结构
根据实际施工环境不同，TrackRFID远程无线抄表系统由系统集中器TrackCenter、局部信息集中器TrackCollect、信息中继器TrackRepeater、抄表终端采集器TrackNode等一系列可选产品组成，系统组成如图1所示。
图1 TrackRFID无线自动抄表系统组成
抄表终端采集器
抄表终端采集器(TrackNode)，是采集和传输各电表的读数以及监控电表运行状态的设备，一般安装在电表箱或者电表内。该模块由无线数据收发、信号采集和控制三个部分组成。其中无线数据收发部分采用高集成度的专用短距离、低功耗的无线数传芯片CC1020，与控制单元连接简洁(直接串口连接)，性能稳定可靠的优点，已经得到大量应用。控制单元采用低功耗高速单片机MSP430，具有控制功能强，低功耗的优点，使控制单元简单高效，可靠性高。TrackNode通过485接口和数据采集终端相连，可以同时采集一个或多个电表和水表信息，然后通过多跳网将采集的信息传递给TrackCollect。TrackNode除了具有信息采集的能力外，还具有中继转发功能。根据需要，TrackNode采用3~6V电池或直接电表供电。
局部信息集中器
为了提高并行传输能力和缩短传输时间，我们根据情况将小区划分为若干个簇，局部信息集中器(TrackCollect)收集其管辖的簇中所有TrackNode上传过来的电表数据，最终汇总后上传给TrackCenter。TrackCollect具有手持和固定两种产品类型，具有较大的存储空间一般放置在楼顶，根据情况采用电池或电源供电。其中手持设备增加了良好的人机交互功能。
系统集中器
系统集中器(TrackCenter)通常安装在小区物业管理中心内。其基本功能有定时呼叫和接收采集终端的数据;向采集终端发送冻结命令，以保证数据的同时性;接受总控站的命令，并向总控站发送有关数据;存储每个用户每小时的电量、月累计电量及每个用户日、月最大平均功率和出现的时间等。TrackCenter一般管辖一个小区，收集其管辖的所有的TrackCollect的电表数据，然后通过串口或者网口上传给相关的设备，该设备通过无线公网链路如GPRS/CDMA传送给电力中心部门。TrackCenter具有较高的传输功率，供电不限制。
总控站
安装在供电分公司用电管理部门及煤气公司、自来水公司的营业所，由一台或多台微机、打印机和调制解调器组成。分别接收和存储各用户的电、气、水数据，进行统计、分析、汇总、计费和报表、帐单打印等工作。物业管理中心如需要查询有关用户的水、电、气数据，也可利用调制解调器接收并显示有关数据，但不能更改数据。
信息中继器
信息中继器(TrackRepeater)，其作用主要是解决无线信号的覆盖问题，功能类似于GSM直放站，通过TrackRepeater可以转发信息，从而有效的扩展了TrackNode和TrackCenter之间的距离。
硬件平台
基本的无线数传模块TrackNode采用MSP430和CC1020组合的硬件平台，如图2所示。Chipcon公司的CC1020芯片使用GFSK的编码调制方式，目前支持9.6Kbps /19.2Kbps两种数据速率，输出功率达到10dBm, 视距传输距离可以达到1Km[5]。MSP430是TI公司的超低功耗处理器芯片，支持快速休眠，具有节省系统能量等优点。出于存储空间需要，TrackCollect采用ARM7和CC1020构建。出于成本和其他应用的需要，射频芯片可以被譬如CC1100所替代，其结构根据具体应用需求灵活替换。
图2 硬件平台
目前，我们不仅基于MSP430，ARM7和CC1020/CC2240自主开发了TrackNode和TrackCollect/TrackCenter等硬件平台，而且自主设计和实现了一套用于自动抄表的自组网协议栈TrackRFID，在此基础上构建了TrackRFID远程无线抄表试验系统，网络结构采用两层混合自组网结构，图3所示。
图3 典型的TrackRFID远程抄表网络结构
目前，该系统主要支持两种应用：集抄和单抄。“集抄”是指TrackCenter定期需要将所属电表信息通过轮询或者同一命令全部收集上来，譬如：每月一次抄表计费或者用电统计分析。而“单抄”是指TrackCenter需要查询和读写特定的电表数据，譬如：实时电表预充值服务和节点故障报警功能。每个TrackCenter可以管辖多个TrackCollect簇，最多可以管理至少上千个TrackNode，如图2所示。簇可以是按照位置划分，譬如同一栋楼节点划为同一个簇。根据我们的经验，一般三跳以内即可到达簇首节点Trackcollect，TrackCollect负责收集簇内所有TrackNode采集到的数据并传递给TrackCenter。TrackCollet一般安装在大楼顶部，每个TrackCollcet可以收集簇内节点的信息，然后再将信息发送给TrackCenter，图3所示。
从简单实用的角度出发，我们设计了一套TrackRFID协议栈。首先，该系统节点之间利用无线数据链路层的广播信道功能，一个节点发送广播消息，接收到广播消息的一组节点通过比较各自接收到的消息的本地时刻，实现它们之间时间同步[2]。在多址接入问题上，我们通过一种周期性时隙slot调度和CSMA相结合的多址接入算法来解决节点数据发送的数据冲突避免问题[3]。其中，簇首节点TrackCollect之间自组织网络路由算法是该协议栈的核心，我们通过广播泛洪进行拓扑发现，在此过程中建立了基于树的网络拓扑结构，从而为基于树的路由策略奠定了基础[4]。出于快速单点查询的要求，簇内TrackCollect与TrackNode之间的最大跳数不超过3，这样我们采用简单的广播泛洪方式进行簇内信息传递。除此之外，我们采用一套对于电表和收集中心完全透明的寻址方式，电表地址作为数据包源地址;物理链路传输上我们采用跳频技术增强通信抗干扰性能。目前，在规定时间内，对于上百个节点的网络，该协议栈基本能保证数据包正确收集率100%。
结语
本文介绍了一种基于无线传感网实现小区自动抄表系统，该系统方案已经在上海华龙信息技术开发中心的TrackRFID远程抄表系统平台上实现并进行了反复的外场测试，证明运行稳定、方案切实可行。目前网络规模在150个节点，更大规模的网络测试仍在进行中。
参考文献：
1 Adler, R., Buonadonna, P., Chhabra, J., Flanigan, Design and deployment of industrial sensor networks: Experiences from the north sea and a smiconductor plant. In Proceedings of ACM SenSys 2005.
2 Elson, J., Estrin, D.. Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast, The Fifth Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI), 2002, pp. 147-163
3 Carley, T., Ba, M., Barua, R., and Stewart, D. Contention-free periodic message scheduler medium access control in wireless sensor/actuator networks. 2003. RTSS, 24th IEEE, 298-304.
4 Hierarchical Routing over 6LoWPAN (HiLow), http://www.potaroo.net/ietf/idref/draft-daniel-6lowpan-hilow-hierarchical-routing/draft-daniel-6lowpan-hilow-hierarchical-routing-01.txt
5 Chipcon, Inc. http://www.chipcon.com/files/CC1020_Data_Sheet_1_0.pdf. CC1020 Datasheet.
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