基于微功率無線自組網的智能電能表

趙四海

摘 要 針對低壓電力載波電能表在抄表中存在的問題，本文設計了一種基于微功率無線自組網的智能電能表，并對其硬件設計、自組網系統的工作原理和組網協議進行了介紹。該微功率無線自組網的智能電能表能有效的彌補當前低壓電力線載波抄表的不足，具有一定的推廣價值。

【關鍵詞】微功率無線 自組網 智能電能表

1 引言

隨著“十三五”規劃的推進，我國智能電網進入全面建設階段，智能電表作為智能電網的重要組成部分，對整個智能電網的建設起著決定性的作用，越來越多的技術應用于居民用戶的電能表數據采集。微功率通訊技術以其低成本、低功耗、組網速度快等特點引起了人們的關注，為解決目前主流的低壓電力線載波技術存在的問題提供了可能。無線自組網通過多個節點的路由轉發，可以延長數據的傳輸距離，增強信號的穩定性，非常適合實際電能表通訊環境。

2 無線智能電能表的硬件設計

無線智能電能表硬件部分主要以MCU為核心分別管控電能計量模塊、系統時鐘模塊、存儲模塊、ESAM安全認證模塊、紅外通信單元、LCD液晶顯示模塊以及無線組網模塊。如圖1所示。

系統MCU采用NEC1166微處理器，主要實現電量及電費計量、各種顯示、故障提示、自動結算及用戶負載控制等功能。

電能計量模塊采用ATT7053AU高精度、低功耗、帶SPI接口的單相計量芯片。完全滿足國網/南網對單相多功能電能表的全部需求。

系統時鐘模塊采用以8025T為核心的時鐘電路，時鐘供電電路主要考慮正常上電和掉電狀態下，在待機狀態下，采用3.3V穩壓管將6V電壓降低到3.3V提供給單片機供電，整機處于低功耗狀態；在電能表處于喚醒狀態時，硬件系統通過5V的穩壓管將6V的電壓降低到穩定的5V電壓，對單片機和紅外供電，能夠穩定可靠的實現數據抄讀。

在計費方式上，該電能表采用金額計費的方式，將用戶的剩余金額保存在ESAM模塊中，用戶用電時，電能表從ESAM模塊中扣除用電金額，保障了用戶用電信息的安全；該電能表采用AT24C512芯片作為存儲器，用來存儲電能表的運行時的基本信息，實現電表數據的掉電可靠存儲。

無線組網模塊硬件是微功率無線自組網智能電表的重要組成部分，是路由建立和數據傳輸的通道。該模塊使用的是無線收發芯片 CC1101，它是一種低功耗、低成本、傳輸可靠、支持無線傳感器網絡技術的可編程 UHF 收發芯片。其工作頻段靈活，收發器集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，其可編程數據傳輸速率可達 500kBaud。MCU通過SPI總線控制CC1101芯片完成射頻芯片初始化，讀取射頻接收數據和數據的發送功能。

3 電能表無線組網絡

無線自組網主要由智能電能和集中器組成，智能電能和集中器上都具有微功率無線通訊模塊，所有的數據都是通過無線數據通道完成的。電能表安裝于每戶家庭，故節點在空間上處于分散狀態，相互之間存在著一定的通訊距離，受節點間的距離以及樓宇的阻礙的影響，節點間的信號傳輸收到限制。系統中每個設備都是一個網絡節點，而集中器是電能表抄表無線自組網系統中的中心節點，是電能表的數據傳輸目的節點，而作為分支節點的無線電能表之間不進行數據交換，所以集中器需要建立到所有分之節點的路由。當集中器和電表的距離在無線模塊的通訊范圍內，則它們可以直接通訊；當超過通訊范圍則采用多跳的方式通過路由節點進行轉發通訊。

同時無線自組網絡上層具有GPRS網絡，用于將集中器采集的電能數據傳輸至主站服務器，從而完成電網電能表數據的采集。

4 自組網系統路由協議的設計

系統采用了按需路由協議AODV協議，其借用了DSR中路由發現和路由維護的基礎程序，及DSDV的逐跳路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制，以DSDV為基礎，結合DSR中的按需路由思想并加以改進。它不僅采用逐跳轉發的分組方式，而且加入了組播路由協議擴展。該協議可以實現移動終端之間動態的、自發的路由，使移動終端快速獲得通向目標終端的路由，同時又不用維護多余的路由信息，并且還能對斷鏈的拓撲網絡的變化做出快速的反應，非常適用于電能表抄表的環境。

路由建立可分為三個階段：路由準備階段一級路由節點建立階段、高級路由節點建立階段。

路由準備階段：待所有節點全部上電后，由中心節點發出“路由準備”命令，同時設置延時等待節點準備就緒；分支節點收到“路由準備”的建立幀后，定時啟動廣播Hello幀。當某節點收到其鄰居節點的“Hello”幀后，通過相關算法計算信號強度，當兩節點間信號強度大于Emin時，則認為它們之間能夠進行可靠的數據傳輸，故當前節點認可該鄰居節點，將該鄰居節點加入其鄰居節點表里。分支節點通過廣播的方式來尋找其周圍可靠的鄰居節點的過程，也就等同于為數據通信選擇了穩定的中繼節點，為建立下一步路由做好了準備。如圖3所示。

一級路由節點建立階段：當分支準備就緒后，由中心節點依照地址表的順序，依次向分支節點發送“點名幀”，用以尋找中心節點的單跳節點，并對分支節點的回復報文進行解析，將可靠的節點加入一級路由節點。中心節點通過網絡向所有分支節點發出“點名幀”，分支節點收到“點名幀”后，將自身節點ID和目的節點ID對比，若不同，則將該數據包丟棄，不進行轉發；若相同，則節點發送“點名回復幀”到中心節點。中心節點收到分支節點的“點名回復幀”后，經過計算分支節點的信號強度，確定兩節點之間若能夠進行可靠的數據傳輸，則將該節點加入到中心節點的一級節點，繼續點名下一個分支節點。中心節點向同一節點發送“點名幀”的上限為4次，超過上限次數則跳過該節點。如圖4所示。

高級路由節點建立階段：中心節點發送“路由發現幀”，該幀通過網絡逐跳傳播來尋找目的節點。

分支節點接收到“路由發現幀”后，通過對幀數據中的幀識別碼和源路由信息的分析，有以下三種處理狀態。

（1）若該節點最近收到過相同的識別幀，則放棄對該幀后續的幀處理，不進行轉播。

（2）若該節點首次收到到該“路由發現幀”，提取該幀的源路由信息。查看源路由中的最后一個路由節點，若在當前節點的“鄰居節點表”中，則將該節點的ID添加到“路由發現幀”的源路由部分，更新幀信息后，該節點轉播新的“路由發現幀”。若前一節點不在該節點的“鄰居節點表"中，則放棄該數據幀的處理，不進行轉發。

（3）若當前節點ID與目的節點ID相同，則節點回復“路由確認幀”至中心節點。“路由確認幀”中包含了具有當前節點ID的源路由表，源路由表構成了確認幀返回的反向路徑。如圖5所示。

5 總結

該微功率無線自組網智能電能表具有集成度高、結構簡單、成本低、功耗低的特點，滿足了電能智能化管理的要求，其微功率自組網的無線通訊功能有效的彌補了低壓電力線載波通訊的不足，因此能夠在未來需求繁多的智能電網應用市場中占據一席之地。

參考文獻

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