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自動抄表系統(tǒng)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

文章出處:http://m.overnightmodel.com 作者:中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年12月07日

[文章內(nèi)容簡介]:無線抄表系統(tǒng)是未來自動集抄系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,本文設(shè)計(jì)的自動抄表系統(tǒng)定義了通信參考模型,增加了改進(jìn)的自組織路由算法,有效地延長了抄表距離。通過自定義的通信幀增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性,提高了通信效率。該系統(tǒng)還具有良好的通用性和可擴(kuò)展性,應(yīng)用層協(xié)議稍加改動后可以應(yīng)用到無線傳感、家庭智能等更多領(lǐng)域。

    引 言 

    目前,國內(nèi)電力集中抄表系統(tǒng)中常見的是有線抄表,如RS485總線、電力載波抄表等;但是由于總線抄表的成本、易破壞性等因素和我國電網(wǎng)復(fù)雜性的影響,使得兩者的推廣受到了一定的限制。隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步,其在成本、可靠性等方面的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn),同時(shí)各種路由算法的提出和應(yīng)用也很好地解決了其通信距離短的問題。國內(nèi)無線抄表的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般是星形結(jié)構(gòu),容易受到障礙物、電磁干擾等多方面的影響,可靠性不高。本文以集中器為基站,無線電能表為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),通過在軟件中運(yùn)用改進(jìn)后的路由算法,并根據(jù)一定的通信參考模型來組建無線多跳網(wǎng)絡(luò),從而有效地提高集抄系統(tǒng)的可靠性。 

    1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

    如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)主站、集中器、采集器和無線電能表所構(gòu)成。上層信道基于GsM網(wǎng)絡(luò),采用GPRS方式來傳輸數(shù)據(jù);下層信道采用無線射頻通信方式,并通過組建無線網(wǎng)絡(luò)來延長通信距離,提高可靠性。本文重點(diǎn)研究的是以集中器為核心的,下層信道自組織無線抄表網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為平面和星形兩種結(jié)構(gòu)??紤]到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可移動性差,節(jié)點(diǎn)之間相對靜止不動,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本不變,且節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位一樣,本文選擇平面結(jié)構(gòu)來組建無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其通信參考模型分為4層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、路由層和應(yīng)用層。

    當(dāng)集中器收到系統(tǒng)主站通過GPRS方式發(fā)送的抄表命令后,集中器首先查詢其路由表,找到目的節(jié)點(diǎn)路由信息,并添加到抄表命令幀中直接發(fā)送。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息不存在時(shí),集中器作為源節(jié)點(diǎn)開始路由尋求,直到接收到目的節(jié)點(diǎn)返回的路由請求響應(yīng)幀,這樣就建立了中心站和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路。添加其返回的目的節(jié)點(diǎn)的路由信息到抄讀命令幀,然后發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中的目的節(jié)點(diǎn)接收到抄讀命令幀后,返回?zé)o線電能表中的電能相關(guān)數(shù)據(jù)。

    當(dāng)無線電能表上電初始化后,一方面開始電能計(jì)量,另一方面開始加入無線抄表網(wǎng)絡(luò)。先發(fā)送路由請求至集中器,等待接收到應(yīng)答,若接收不到集中器路由應(yīng)答幀,則廣播其路由請求,獲得其到集中器的路由信息,并存儲。

    2 網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

    自組織網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺包括中心節(jié)點(diǎn)集中器以及普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無線電能表。

    2.1 無線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)

    無線電能表的硬件組成是無線數(shù)傳模塊與普通電能表通過串口連接。無線數(shù)傳模塊主要包括處理器、射頻收發(fā)芯片nRF905、天線及其匹配網(wǎng)絡(luò)等。

    AT89S52為主控制器,通過4個(gè)I/0口模擬SPI口與射頻收發(fā)芯片nRF905通信,3個(gè)I/O口讀取nRF、905的狀態(tài),另外3個(gè)I/O口控制芯片的工作模式(包括空閑模式、發(fā)射模式和接收模式)。由于控制器的I/O口與nRF905電平不同,兩者相連時(shí)需電平匹配,應(yīng)加下拉電阻。天線作為無線傳輸中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其主要作用是延長距離,其LC匹配網(wǎng)絡(luò)性能的好壞對傳輸功率有直接的影響。

    系統(tǒng)中無線電能表具有作為普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩種功能。一方面,如果在集中器的通信距離內(nèi),當(dāng)其作為普通節(jié)點(diǎn)時(shí),可直接與集中器通信;另一方面,作為中繼節(jié)點(diǎn),可以轉(zhuǎn)發(fā)集中器與遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)。

    2.2 集中器設(shè)計(jì)

    集中器作為無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),其硬件組成包括32位ARM7處理器LPC2210,以及無線數(shù)傳模塊、GPRS模塊等其他外圍功能模塊。GPRS modem采用華為GTM900。無線數(shù)傳模塊和GPRS modem分別通過串口O和串口1與處理器相連。

    集中器主要功能包括:協(xié)議轉(zhuǎn)換、建立路由、數(shù)據(jù)抄讀及存儲等。由于采用IEC62056標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建抄表系統(tǒng),集中器的協(xié)議轉(zhuǎn)換指的是IEC62056與DL/T645之間的轉(zhuǎn)換。集中器在收到數(shù)據(jù)抄讀命令后,按照存儲的路由來讀取無線電能表中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

    3 網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

    3.1 路由算法


    現(xiàn)有無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通??煞譃椋罕眚?qū)動式路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。前者需要網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張或多張路由表,以記錄到其他節(jié)點(diǎn)的路由,增加了路由開銷。本文選取一種典型的按需路由協(xié)議——動態(tài)源路由協(xié)議(DSR)。抄表網(wǎng)絡(luò)具有其特殊性:一方面,在組網(wǎng)過程中,若普通節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請求幀,則網(wǎng)絡(luò)中所有路由請求幀的目的地址都相同(即中心節(jié)點(diǎn)),其路由表中路由的目的地址也都是中心節(jié)點(diǎn),且網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,任何兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)不會主動有數(shù)據(jù)傳輸;另一方面,網(wǎng)絡(luò)建立后,節(jié)點(diǎn)的可移動性差,拓?fù)渥兓?,網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定。針對其網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性低和路由開銷小的特點(diǎn)對DSR協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),使之更適應(yīng)抄表網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

    DSR協(xié)議主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)2個(gè)過程。

    ①路由發(fā)現(xiàn)過程:節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),當(dāng)節(jié)點(diǎn)中沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí),廣播發(fā)送路由請求幀(rreq),每個(gè)收到該幀的中間節(jié)點(diǎn)都加上自己的地址,重新廣播(忽略重復(fù)請求和已發(fā)自身請求)。當(dāng)rreq到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí),目的節(jié)點(diǎn)可以得到到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)的完整路由。目的節(jié)點(diǎn)(中心節(jié)點(diǎn))將所得中心節(jié)點(diǎn)路由包含在路由響應(yīng)幀(rrep),然后沿著反向路由發(fā)送回中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)收到rrep后,就將路由存入路由存儲器中,并添加到抄表命令幀的頭部。

    ②路由維護(hù)過程:如果在抄讀命令幀的逐跳傳輸過程中發(fā)現(xiàn)鏈路失敗,則可以由中間節(jié)點(diǎn)使用緩沖中的可用路由來代替原頭部中含有失敗鏈路的路由,同時(shí)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤幀(rrer)。中間節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽rrer以刪除失敗路由。如果路由失敗,則中心節(jié)點(diǎn)重新開始一次新的路由發(fā)現(xiàn)過程。

    改進(jìn)的DSR協(xié)議主要包括以下幾個(gè)方面:

    ①DL/T645——1997《多功能電能表通信規(guī)約》規(guī)定抄表命令響應(yīng)的時(shí)間為50~500 ms,受其限制,初次組網(wǎng)時(shí),中心節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在未收抄表到命令前組建網(wǎng)絡(luò),提高一次抄表的成功率。

    ②由于網(wǎng)絡(luò)中所有普通節(jié)點(diǎn)在建立路由時(shí),目的地址唯一,為減少廣播沖突,節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),先點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送路由請求至中心節(jié)點(diǎn)。若無路由響應(yīng)幀,則廣播其rreq,從已加入網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點(diǎn)中獲得中心節(jié)點(diǎn)的路由響應(yīng),間接與中心節(jié)點(diǎn)建立路由。

    ③網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的路由的最大跳數(shù)(maxhop)設(shè)置為4,減少了廣播傳播的沖突,提高了路由發(fā)現(xiàn)的速度。

    ④普通節(jié)點(diǎn)在收到多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的rrep時(shí),選取跳數(shù)最小的響應(yīng)幀,記錄其路由,并通過反向路由發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。

    ⑤當(dāng)rrer發(fā)生時(shí),錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)出rrer,其他節(jié)點(diǎn)在接收到rrer幀時(shí),刪除本節(jié)點(diǎn)中的中斷路由。中心節(jié)點(diǎn)重新建立中斷節(jié)點(diǎn)的路由。

    3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計(jì)

    無線電能表作為網(wǎng)絡(luò)普通節(jié)點(diǎn),其軟件設(shè)計(jì)主要是對用戶的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量和處理,同時(shí)實(shí)現(xiàn)與集中器通信,加入抄表網(wǎng)絡(luò)。在組網(wǎng)過程中,節(jié)點(diǎn)軟件使用改進(jìn)后的DSR路由算法,其通信部分程序流程如圖2所示。

    節(jié)點(diǎn)上電初始化后,開始電能計(jì)量,同時(shí)與集中器建立路由,加入無線網(wǎng)絡(luò)。其發(fā)送路由請求至中心節(jié)點(diǎn)若未接收到中心節(jié)點(diǎn)的路由應(yīng)答,則廣播其路由請求。已加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)接收到路由請求幀后,進(jìn)行計(jì)算,若在規(guī)定的跳數(shù)之內(nèi),則返回路由響應(yīng)。新節(jié)點(diǎn)接收到路由響應(yīng)幀后,即建立起到中心節(jié)點(diǎn)的路由;節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤幀后,刪除本節(jié)點(diǎn)中中斷的路由,更新路由表。中心節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤幀后,刪除其路由表中所有中斷的路由,并開始新的路由請求,建立中斷節(jié)點(diǎn)的新路由,并更新路由表。

    4 通信協(xié)議

    在通信參考模型中,嚴(yán)格定義了各層協(xié)議的格式和關(guān)鍵字,并在參照青島東軟載波通信協(xié)議的應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層,同時(shí)遵循國家電力行業(yè)多功能電能表通信規(guī)約DL/T645—1997的基礎(chǔ)上,根據(jù)無線通信的特點(diǎn)進(jìn)行了修改和擴(kuò)充。

    應(yīng)用層協(xié)議分為2種:普通抄表幀和中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀。兩者都對DL/T645幀的控制域進(jìn)行了重新定義,后者還對DL/T645格式進(jìn)行了一定的擴(kuò)充。數(shù)據(jù)抄讀中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀格式如下:

    網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀包括路由請求幀、路由請求響應(yīng)幀、路由錯(cuò)誤幀3種。以路由請求幀為例,其格式如下:

    在青島東軟載波通信參考模型中增加了網(wǎng)絡(luò)層,所以數(shù)據(jù)鏈路層對青島東軟MAC協(xié)議格式中的控制碼進(jìn)行了重定義。集中器與采集器之間數(shù)據(jù)鏈路層幀格式可由控制字段位定義來決定。控制域位定義如下:物理層,由nRF905無線透傳模塊實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中,一方面,nRF905一次最大發(fā)送數(shù)據(jù)的長度為32個(gè)字節(jié);另一方面,為了提高系統(tǒng)的通信效率,數(shù)據(jù)鏈路層通常把較長的數(shù)據(jù)按照一定的格式分為長度不同的數(shù)據(jù)包分別發(fā)送,且通過加入CSMA機(jī)制來解決廣播沖突等問題。

    結(jié) 語

    無線抄表系統(tǒng)是未來自動集抄系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,本文設(shè)計(jì)的自動抄表系統(tǒng)定義了通信參考模型,增加了改進(jìn)的自組織路由算法,有效地延長了抄表距離。通過自定義的通信幀增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性,提高了通信效率。該系統(tǒng)還具有良好的通用性和可擴(kuò)展性,應(yīng)用層協(xié)議稍加改動后可以應(yīng)用到無線傳感、家庭智能等更多領(lǐng)域。

本文關(guān)鍵詞:自動抄表系統(tǒng),無線,無線電能表
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