基于ＣＣ１１１０的無線自動抄表方案

摘要：介紹了一種新的用于抄表系統的無線自組網路由協議，該協議具有多點路由，信道偵聽，自主生成路由，協議精簡等特性，適合在電表抄表中使用。

關鍵詞：無線；自組網；抄表；CC1110

中圖分類號： TP393 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)17-21451-03

長期以來，三表數據抄送問題都是相關供應部門非常想解決但又得不到切實解決的問題。在行業信息化過程之中，戶表數據的自動化抄送具有非常重大的意義，因為戶表數據是相關行業銷售過程中最原始的數據，這個數據的準確度和及時性直接影響了行業內部其它信息化水平。

但是傳統的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導致了不能夠詳細準確的獲得原始數據。無線抄表系統可以擺脫人工抄表的缺點，利用數據通訊協議傳輸數據。快速準確的完成抄表任務。

1 無線自組網抄表

無線自組網抄表系統是近幾年發展起來的新型集中抄表系統。

無線自組網（Wireless Adhoc Network）是一組以無線鏈路進行通信、由移動節點動態形成得網絡，它是一個多跳的臨時性自治系統。

與單跳的無線網絡不同，自組網節點之間是通過多跳數據轉發機制進行數據交換的，需要路由協議進行分組轉發決策。無線信道變換的不規則性，節點的移動、加入、退出網絡等也會引起網絡拓撲結構的動態變換，路由協議的作用就是在這種環境下，監控網絡拓撲結構變換，交換路由信息。定位目的節點位置，產生、維護和選擇路由，并根據選擇的路由轉發數據，提供網絡的連通性。它是移動節點互相通信的基礎。

無線自組網的主要特點在于不需要固定的基礎設施支撐，不需要預先配置主機，能夠在任何時間、任何地點快速的組建起一個移動通信網絡；節點可以任意移動，網絡拓撲結構動態變化，沒有專用的固定基站或路由操作作為網絡的管理中心，網絡中每個節點都兼有主機和路由器的功能；節點間以對等的方式進行通信，具有高度的協作性，網絡路由學藝通常采用分布式控制方式，比中心結構的網絡具有更強的魯棒性和抗毀性等。

無論是在普通居民住宅小區，還是智能化住宅小區、商業樓宇，無線路由集中抄表系統都能方便地進行組建和配置系統，其可擴性強，操作簡單，方便了供電用戶的維護和使用。

2 系統結構及硬件電路

無線路由集中抄表系統由后臺軟件、GPRS 服務器、無線路由數據集中器、終端設備等部分組成。其中終端設備又包括無線收發器和表計。無線路由數據集中器和終端設備自行組成網絡，進行數據的交換。

在硬件電路方面，采用Chipcon公司的CC1110為MCU。CC1110是Chipcon公司設計的用于低功耗及低電壓無線通信的芯片。該芯片可以把頻率設定在315/433/868/915MHz，完全適合在抄表系統中使用。

CC1110包含了CC1100 RF收發機和一個基于8051的核心，并具有集成32kB閃存及外設的高性能低功耗微控制器。同時還包括了4kB SRAM，數據保密（AES）安全協處理器，帶8路輸出的8-14位ADC，以及許多其他的功能。單芯片系統CC1110集成了高度可配置化的基帶調制解調器。此調制解調器支持多種調制格式，可配置數據率最高可達500kbps。

CC1110對外部元件的需求量很低。無須外置濾波器或Tx/Rx開關。圖1為路由設備的硬件電路。

3 無線抄表系統的通信設計

當前在無線抄表系統中，多采用的方式為單跳的星型網絡，采用這種方式，通信協議比較簡單，網絡的拓撲結構也比較簡單，其缺點就是網絡的覆蓋范圍有限，只能在短距離范圍內進行通信。網絡容量也較小。根據當前無線自組網抄表的現狀，提出了一套用于無線自組網的抄表方案，并設計其通信協議。該協議具有多點路由，信道偵聽，自主生成路由，協議精簡等特征，十分適合在集抄系統中使用。

3.1 協議棧結構

整個協議棧的結構如圖2所示。分別由應用層、網絡層、MAC層和物理層組成。其中，網絡的組織、管理及維護都由網絡層和MAC層完成，每一層都以函數庫的形式提供給上一層，由上一層調用。應用層由用戶自行定義。

3.2 數據幀格式

由CC1110組成的無線抄表系統，其通信協議的基本格式表1所示。

其中，CMD包含了眾多的在組網和網絡維護中所用到的命令，LocalAdd、DestinationAdd、StartAdd和EndAdd是四個非常重要的地址，通過這四個地址，我們可以方便的分析出每一條命令的路徑，從哪一個節點發出，最終到達哪一個節點，中間的路由轉發等情況。RouteLevel代表節點的路由層，在組網初期，網絡就是根據路由層從低往高組建的。PID是用來區分不同網絡的網絡編號。

3.3 組網過程

1)新節點加入網絡

新節點進入網絡后首先發送廣播，收到廣播的節點返回確認信息，新節點收到確認信息后將這些節點保存在鄰居列表中并且選擇其中兩個節點作為自己的父節點（選取的原則為：優先選擇路由層低的節點，即優先選擇離集中器近的節點，若路由層相同，則根據鏈路質量選擇），同時，自己本身作為父節點的子節點，并且本身的路由層在父節點的路由層上加1。

整個網絡將由若干層組成，最大路由層為16層。

2)新節點的綁定

新節點加入網絡后，向集中器發送一個綁定請求，下一跳的地址為自己本身的父節點，最終目的為集中器。同時，父節點記錄到達此節點的第一級下行路由。父節點在收到新節點的綁定請求后，將向上一級父節點轉發此信息，上一級父節點也記錄到達新節點的下行路由。

3)路由的轉發

數據在網絡中的傳輸，根據每個節點中所記錄的父節點地址和子節點地址進行雙向的傳遞，對于抄表所得到的數據，只需要封裝在數據包內，就可以將數據方便快速的發送到集中器。完成抄表過程。

4)路由的維護與管理

a.數據確認重送（Data Repeater）

在發射數據后會在一段時間內回復一個確認信號，當收到一個確認信號后，確認數據已經傳送到下一個目標則不再重送，否則會對目標重送數次，多次失敗后會確認此目標有問題。然后選擇備用路由發送數據。

b.數據傳送單元

數據傳送單元是由封包偵聽（Packet Sense），載波偵聽（Carries Sense），數據確認重送（Data Repeater）所組成。

c.網絡間的沖突問題

為了避免同一個節點可以同時加入相鄰兩個網絡的情況，所以在每個網絡的協調器中必須提前輸入本網絡的每一個節點信息。若節點在綁定過程中，發現在協調器中沒有節點的信息，則協調器發送命令給此節點，踢除此節點，同時拒絕該節點再次進入網絡。

d.網絡的維護

每隔若干小時，整個網絡自動對路由進行一次維護，每個節點均向協調器發送一條路由維護信息，協調器在收到返回確認信息。若節點收到確認信息，則認為此路徑完好。

4 CSMA-CA機制

在設置路由設備的頻率時，由于采用的是同頻收發，自然就存在節點之間的同頻干擾問題。在解決這個問題時，我們引入了CSMA‐CA 機制，即載波偵聽多點接入/避免沖撞。在每次發送數據時，需要先等待一個任意長的周期，在這個任意的退避時間之后，如果設備發現信道空閑，就會發送數據幀；反之，如果設備發現信道正忙，則將等待任意長的周期后，再次嘗試接入信道。這樣可大大降低沖突發生次數的概率，從而能夠滿足抄表的需要。

5 結束語

以上通信協議經過測試，能夠較好的完成網絡的自組織，及時準確的完成抄表工作。

目前在國內無線自組網抄表在抄表行業中屬于熱點問題，但大多都處在研究階段，還沒有一個統一的行業標準。相信隨著行業的發展，無線自動抄表系統將在我國有著廣闊的發展。

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