無線抄表系統中繼技術的研究與改進

蔡宜飛， 陳 新

（福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著電力自動化技術的發展及無線技術廣泛的應用到實際工作及生活當中。無線技術與電力自動化相結合，根據其常見的網絡拓撲，設計出適合的中繼算法，無線技術可更好的用于電力系統之中[1]。

文中從無線抄表系統設計入手，對比幾種常見的無線中繼技術，分析了對于無線抄表系統特有特點的不足及冗余，提出了適當的改進方法，并通過OPNET軟件平臺進行了仿真分析對比，驗證了設計方案的可行性。

1 系統總體方案設計

小區無線抄表系統主要是由電表數據采集器、集中器和控制中心3大部分組成，如圖1所示。其中，控制中心與集中器之間為上行信道，采用GPRS方式來傳輸集中器收集到的數據[2]；集中器與各電表終端的采集器之間為下行信道，由于傳輸距離限制，一些采集器將作為中繼器，因此，集中器與各個采集器之間組成樹形網絡拓撲結構。

圖1 無線抄表系統結構

文中重點探討的是以集中器及各采集器為核心，下行信道的無線傳輸中繼設計。集中器通過射頻模塊與分散在各處的集中器上的射頻模塊相連接，當集中器收到控制中心通過GPRS方式發送的抄表命令后，對其范圍內的采集器發布采集指令，距離較遠的采集器通過多跳的中繼方式接收與發送信號。采集器內嵌于電表中，實現一表一器，與電表的外設通信接口相連接，通過 MCU及射頻模塊實現數據的采集，存儲，轉發等操作。采集器是整個無線抄表系統的通信橋梁，起到無線傳輸中繼的關鍵作用，它的工作情況決定了系統的穩定性及可靠性。

2 采集器的硬件設計

采集器主要由MCU、射頻模塊、復位電路以及通信接口，電平匹配電路等組成，如圖2所示。

圖2 采集器硬件結構

采集器的MCU選用Microchip公司生產的8位單片機PIC16F1829[3]。其特點為單片機，體積小、SRAM大、價格適中，可在線調試。射頻芯片選用TI公司的低成本無線收發芯片CC2500[4]。其工作在2.4 GHz ISM，通過SPI方式可方便地和MCU進行通信，有效通信距離一般在100 m左右。

采集器與電表的通信接口采用12針接口，如圖3所示。采集器由電表直接提供電源，通過MCU的控制與電表進行通信。

圖3 電表與采集器的通信接口

無線抄表系統中的采集器具有作為終端節點和中繼節點兩種功能。當集中器發布抄表指令時，處于集中器通信距離范圍內的采集器可直接與集中器通信，發送采集數據等信息；另外一些遠離集中器通信距離范圍的采集器，通過范圍內的采集器中繼作用，實現與集中器之間的通信。

3 中繼路由算法設計

當前最流行的短距離無線中繼技術有ZigBee協議棧、無線傳感網絡、Ad hoc自組網等[5]。綜合考慮無線抄表網絡拓撲特點，開發難度，商業成本等因素，采用Ad hoc自組網中繼技術最為合適。

現有Ad hoc自組網的路由協議通常分為表驅動路由協議和按需路由協議。表驅動路由協議發現時延短，路由開銷大。按需路由協議不需要實時的維護路由信息，該方式路由開銷較小，效率較高，但路由發現的時延較大。綜合考慮到無線抄表網絡拓撲特點，系統對實時性要求較低，因而選用按需路由協議較為合適。

3.1 幾種按需路由協議的比較

DSR（Dynamic Source Routing）協議是一種基于源路由方式的按需路由協議，每一個給定路線的數據分組都在其頭部帶有完整有序的該分組必須經過的節點列表，而中間節點不必存儲轉發分組所需的路由信息。該協議網絡開銷較少，但存在陳舊路由。

AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector）協議采用基于路由表的路由方式，每個節點都要執行路由維護、管理路由表的任務。該協議需要周期性的廣播分組，以保證路由表的實時性，網絡開銷較大。

TORA（Temporally-Ordered Routing Algorithm）協議是一種源初始化按需路由選擇協議，采用鏈路反轉分布式算法，該協議具有高度自適應、高效率和較好的擴充性，但協議相對復雜網絡開銷大。

這3種路由協議的對比，如表1所示。

表1 幾種按需路由協議比較

3.2 無線抄表系統中繼路由協議

無線抄表系統的樹狀網絡拓撲主要特點有以下幾個方面。

1）集中器與各個采集器組成樹狀拓撲，分為兩類：根節點與葉節點。

2）節點位置固定，除非有節點加入或退出網絡，否則網絡拓撲基本保持不變。

3）對實時性要求較低，對數據準確性要求高。

4）每回合的數據通信均有根節點發起，由葉節點做出相應的回應。

鑒于無線抄表系統網絡拓撲特有的特點，綜合考慮 3.1節中幾種路由協議的優缺點，因而選取最為適合該系統網絡拓撲的DSR路由協議。

DSR協議主要包括路由發現和路由維護2個過程，在文獻[6]中有詳細說明。該協議針對的是一種多跳的臨時性自治系統，節點可自由移動且地位相互平等。為了使該協議充分適用于本系統，對DSR路由協議做出適當改進，主要包括以下幾個方面。

1）由于節點不會發生運動，拓撲結構幾乎不發生改變，故對無線抄表網絡中的集中器和所有采集器分別進行編址，使其具有固定且唯一的地址。

2）新節點加入網絡要首先發起路由尋找過程，向它的鄰節點廣播消息分組，鄰節點收到分組后回復ACK幀，再加入自己的ID信息，同時跳數加1再轉發出去，直到網絡中的中心節點收到消息，并把此路由信息存儲在路由表中。

3）結合傳輸距離和小區規模，將網絡拓撲中路由的最大跳數(maxhop)設置為 5，可以減少廣播沖突，并有效提高路由發現的速度。

改進后DSR協議的幀結構如表2所示。

表2 RREQ幀結構、RREP幀結構和RRER幀結構

4 仿真及結果

4.1 OPNET

OPNET是由美國MIL3公司開發的一款產品，核心軟件OPNET Modeler將各個仿真階段所需要的工具相整合，組成了一個由模型設計工具、仿真核心、數據收集工具和數據分析工具有機結合起來的大型仿真系統[7-8]。

4.2 仿真環境的建立

使用 OPNET Modeler 14.5仿真軟件進行網絡的仿真，均勻在500 m×500 m范圍內放置50個葉節點和1個根節點，節點的通信范圍是100 m，每個節點設置為固定，并且運行相同的協議，網絡層采用AODV、TORA以及做出修改的DSR協議。節點產生分組的時間間隔服從指數分布，數據傳輸率為1 MB/S，仿真時間設置為1 h。

4.3 仿真結果分析

由圖 4看出 AODV協議的平均時延最小，而DSR協議的平均時延最大，這是因為DSR網絡中各個葉節點不需要維護路由表，當發生鏈路錯誤時，需要中心節點重新建立路由。針對無線抄表網絡來說，對數據采集的實時性方面要求不高，平均時延并不是選擇的決定因素。

圖4 DSR、AODV和TORA協議端到端平均時延對比

由圖5可以看出，隨時時間的推移，路由開銷都慢慢的趨近于平穩，但三者相比，DSR協議的路由開銷相對最小。這是因為DSR協議不需要實時維護路由信息，從而避免浪費過多資源。TORA協議的有向無環圖和鏈路反轉使得其路由開銷相對最大。所以TORA協議更適合于高度動態移動的無線網絡，不適用于本無線抄表系統。

圖5 DSR、AODV和 TORA協議路由開銷對比

由圖6和圖7可以看出，DSR協議的RREQ和RREP包數都低于AODV協議，AODV協議通常只使用最新的路由信息，網絡負擔較重。DSR協議建立路由后，不區分路由信息的陳舊，直到鏈接失敗，才發起新一次的路由請求過程。很明顯，DSR協議更適合于網絡拓撲幾乎不發生改變的無線抄表系統。

圖6 DSR、AODV協議的RREQ包數對比

圖7 DSR、AODV協議的RREP包數對比

綜上所述，做出適當改進后的DSR協議比其他協議更適合于無線抄表網絡拓撲結構，該協議雖然時延較大，但路由開銷小，編程較容易實現，網絡中各葉節點不需要維護路由表，可降低對采集器硬件的要求，從而降低開發成本。

5 結語

無線抄表系統具有成本低廉、使用方便、應用靈活、不需要重新布線等優點。文中利用 CC2500等芯片設計了無線抄表系統網絡中的關鍵部分—采集器，對比分析DSR、AODV和TORA協議，且對DSR協議做出適當改進。經過仿真驗證，證明了DSR協議更適合于無線抄表系統的網絡拓撲特點。由于仿真時間和環境的不同，仿真結果可能會出現一定的差異，但總體趨勢一致。期待更進一步搭建完整系統，進行實際測試，驗證該協議的有效性及可靠性[9]。該算法亦適用于其他電力自動化應用，例如小區報警及安全系統，高壓線路故障檢測等。

[1] 張瑞民,侯少紅.淺析電力自動化發展趨勢[J].科技創新導報,2011(19):120-121.

[2] 張紅霞,王亞微,郭佳,等.基于 GPRS通信技術的遠程抄表系統設計[J].通信技術,2008,41(08):213-215.

[3] Microchip.PIC16F/LF1825/1829 Data Sheet [DB/OL].(2011-02-05)[2013-10-31].http://www.microchip.c om/downloads/cn/DeviceDoc.

[4] Texas Instruments.CC2500 Data Sheet[DB/OL].(2010-06-09)[2013-10-31].http://focus.ti.com/li t/ds/symlink/cc2500.pdf.

[5] 石明明,魯周迅.三種無線通信協議綜述[J].通信技術,2011,44(07):78-79,97.

[6] 陳林星,曾曦,曹毅.移動 Ad Hoc網絡[M].北京:電子工業出版社,2006:245-253.

[7] 高嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京:電子工業出版社,2010:1-4.

[8] 田海福,郭義喜,張弘.OPNET網絡仿真中的校核驗證過程研究[J].信息安全與保密通信,2009(06):65-68.

[9] 曹亮,蔣興浩.一種改進型Ad hoc網絡安全路由協議[J].信息安全與保密通信,2008(06):119-121,125.