一种基于无线传感网的远程自动抄表系统设计

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  

网络协议  

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。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。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。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。