摘要：研制一種符合國家無委會民用計量頻段的基于射頻發射自組無線網絡的無線抄表系統，采用CFDA微蜂窩式固定無線數據接入平臺實現網絡的自組織功能；采用的MCU+RF一體化集成方案的超低功耗芯片Si1010設計集中器和采集器；軟件編程實現按需DSR路由協議；集中器通過GPRS與控制中心通信，接入Web平臺，實現快速自動抄表，系統構建簡單方便，性價比高，更加利于實現智能小區無線抄表。
　　
　　引言
　　
　　小區三表集抄系統是小區內水、電、氣三表數據采集系統，一般由集中器和采集器（采集終端）以及通信信道與抄表軟件組成，其中集中器到抄表中心為上行信道，集中器至采集器（采集終端）或水電氣表間為下行信道，目前上行信道是遠程數據傳輸，一般有撥號、GPRS（GSM或CDMA）等，其傳輸可靠性與技術難度已不是抄表中的主要問題，小區抄表關鍵在于下行信道，這也是抄表中zui難的地方。目前小區集抄表系統根據其下行通信信道的不同，可分為電力載波、RS485總線、以太網、有線電視網等。
　　
　　RS485系統因為需要部署專門的有線網絡，在PLC和無線射頻技術的沖擊下越來越勢微。PLC技術利用現有的電力線網絡，在電網條件良好的歐美國家應用較為普及，也是中國目前實現自動抄表的主流技術之一。但受限于中國較差的電網環境，以及PLC在低壓電網上存在的高衰減、諧波干擾等問題，其可靠性和抄通率都存在一些問題。無線射頻技術是另外一種實現自動抄表的主流技術方案，特別是在低功耗無線技術越來越成熟、普及和廉價后，無線抄表已成為自動抄表市場的熱門方案。
　　
　　無線抄表有很好的頻段資源，中國國家無線電管理委員會已經將原來模擬電視的470～510MHz頻段釋放用于民用計量，無線抄表的資源耗費較少、容量大、費用低、范圍廣。目前成熟的射頻抄表方案大多是433MHz，新型基于ZigBee無線傳感器網絡的產品受傳輸距離等因素限制亦未能推廣，由此本項目研制一種新型的符合無委會民用計量頻段的射頻無線抄表系統。
　　
　　1、系統總體結構
　　
　　整個系統按應用分為三層結構：zui上層是綜合應用層，包括下載抄表任務、數據信息查看、系統／報表管理和收費增值服務等；中間層為數據管理層，即為管理中心，其數據來源為各區域中心節點，通過GPRS無線移動網絡接入；zui底層為數據應用層，即為各區域下行信道各節點數據通信網絡。
　　
　　下行信道通過無線自組網絡通信，組網方式采取CFDA（CellularFixed-wirelessDigitalAccess）微蜂窩式固定無線數據接入平臺，每個分布節點既是數據接入點，同時也是中繼點，它是一種全路由的網絡狀的無線數據傳輸系統。zui大的特點是全路由的無線接入，zui大路由可達三級。主要應用于遠程數據采集系統及小區安防報警系統，用無線的方式實現zui后一公里內的分布信息點的數據接入，具有典型SCADA特征，小區之間為蜂窩結構。CFDA系統由一個個的蜂窩組成，其中每個蜂窩是由中心節點（CAC）和分布節點（DAU）組成。一個CAC下面zui多可掛接1023個DAU。多蜂窩結構一般應用于系統比較龐大的情況，在大多數情況下采用的是單個的蜂窩，即一個中心節點及其下面的若干個分布結點，每個分布接點根據其RS485的驅動能力，可掛接32臺電／水／氣表。其系統結構圖如圖1所示。　　
　　2、傳感器節點模塊組成
　　
　　根據應用對象和功能要求，設計一種新的無線自組網絡的傳感器節點，在系統中，主要分兩類節點，一類是中心節點，該節點即構成抄表系統的集中器；另一類是分布節點，此類節點構成抄表系統的采集器。本研究暫不對節點的感應模塊作考慮，每個傳感器中心節點的結構框圖如圖2所示。分布節點可選擇不連PC機，不使用串口。　　
　　2．1MCU+RF模塊
　　
　　核心模塊采用具有技術的Silicon公司的芯片Si1010。Si10xx系列無線MCU具有25MHz的8051內核、EZRadioPROSub-GHzRF收發器、zui高達64KB的FLASH和zui高12b的ADC，所有組件集成在5mm×7mm大小的封裝內。Si10xx系列產品是業界zui的單芯片無線MCU解決方案，常用操作模式下具有zui低的電流消耗。Si10xx無線MCU是惟一能工作在0．9V、并集成RF無線收發功能的MCU，它還是目前工作功耗zui低的MCU，僅有160μA／MHz，這使得基于它的應用無需使用昂貴的鋰電池，而可改用便宜的堿性電池。其RF收發器的輸出功率高達+20dBm，室外無線工作距離可達3km，在室內工作時可穿過7～10層樓，是無線抄表器的選擇。
　　
　　2．2供電單元
　　
　　采集控制中心節點和無線傳感器節點都采用包括超級電容的阻容降壓方式供電，亦可選擇電池供電，因為Si10xx系列產品的超低功耗架構和快速喚醒（2μs）極大地延長了鋰／堿性電池的使用壽命。Si10xx架構還包含DC-DC升壓轉換器，可以為大負載提供電能，DC-DC轉換器還可為周期性RF收發提供所需電能，效率高達90％。
　　
　　2．3串口
　　
　　控制中心節點可通過串口與PC機，如收到上位機的采集命令，把采集到的數據送給PC機并顯示，故采取標準的RS232C串口提供連接。對于分布節點，則可不需要串口通信。
　　
　　3、無線自組網絡拓撲結構
　　
　　本設計采取CFDA（CellularFixed-wirelessDigitalAccess）微蜂窩式固定無線數據接入平臺，每個分布節點既是數據接入點，同時也是中繼點，它是一種全路由的網絡狀的無線數據傳輸系統。智能能源表計數據的可靠傳送是設計通信協議的關鍵。把每個數據采集終端和能源表計設為一個無線傳感器節點（為DAU），負責采集智能表計的數據；數據采集基站設為控制中心，智能表計的數據通過無線網絡傳送給CAC，控制中心則負責整個自動抄表系統的數據采集、管理及實時監控。在小區自動抄表系統中，為了區別網絡中每戶能源表計即無線傳感器節點，給每個節點首先分配一個惟一的ID信息。
　　
　　當數據采集模塊收到發給自己的采集命令就會采集數據并發送給控制中心節點。在抄表中心節點和采集終端之間采用無線通信方式，由于無線通信距離有限，有些傳感器節點不能直接把數據傳送到抄表中心，這就需要其他的傳感器節點即中繼節點來轉發數據。
　　
　　針對提出的小區無線自動抄表系統，必須處理好下面幾個問題：網絡的拓撲結構；新節點加入網絡；采集終端之間數據傳輸過程中的干擾。
　　
　　基于無線傳感器網絡的自動抄表系統是一個多跳的自組織網絡，本設汁中假沒一個傳感器節點zui多經過3跳就可到達控制中心節點，整個系統網絡拓撲結構如圖3所示。　　
　　4、系統的軟件設計
　　
　　本研究設計的抄表系統采用被動抄表的方式，其自動抄表系統是由一個中心節點和數目眾多的傳感器節點組成，每個傳感器節點又包括具有傳感器功能的智能表計和采集模塊。
　　
　　4．1中心節點軟件實現
　　
　　控制中心節點協調整個網絡的工作，接收上位機傳來的命令，并按指令的要求做出相應的操作，接收無線傳感器節點的數據并上傳給上位機或管理中心。自動抄表系統采用分時分段抄表，即中心節點采用輪詢的方式采集各個用戶的能源用量。首先中心控制節點的各模塊程序進行初始化，然后處于接收狀態，當中心節點收到管理中心發來的采集數據命令，首先讀取其要采集數據的節點的ID和采樣ID（即水、電、氣等采樣標識），然后在其保存的路由表中查找到要采集節點的路由信息。在其保存的路由表中，如果有到采集節點即目的節點的路由信息，則把到目的節點的路由信息及采樣信息加入到采集數據分組中發送出去。
　　
　　如果路由表中沒有到目的節點的路由信息，中心節點就會發起一個路由請求分組RREQ。然后中心節點就處于接收狀態接收消息分組，當中心節點收到路由響應分組RREP后，即找到到達目的節點的路由信息后，則把此路由信息寫入路由表中并將其到達目的節點的路由標識置高，然后把路由信息加入采集命令分組中發送采集數據命令分組。
　　
　　中心控制節點發送完數據采集命令分組之后就一直處于接收狀態，當其接收到其他傳感器節點發送過來的采集數據，則把該用戶的能源用量信息上傳給上位機，然后上位機保存采集到的用戶的能源用量，并統計計算每戶的費用以方便收費管理。
　　
　　4．2傳感器節點軟件
　　
　　無線傳感器節點主要負責采集小區用戶的能源表計的用量，并把采集到的數據上傳給中心節點或作為路由器轉發其他節點的數據信息。由于本系統采用被動抄表方式，所以每個傳感器節點只有收到發給自己的采集數據命令時才會采集該節點的數據信息。當有新用戶使用智能表計記錄自己的能源用量即有新節點加入網絡，首先發送加入網絡的消息，其成功加入網絡后就跟其他的節點一樣處于接收狀態，接收中心節點和其他節點發來的消息分組。
　　
　　當傳感器節點各個部分初始化之后，Si1010就進入接收狀態，監測信道并接收其他節點發送的消息分組。每個節點根據其收到的不同的消息分組，將進行不同的處理。當收到其他節點發送來的數據采集命令時，其首先判斷是否是發給自己的數據采集命令，如果不是發給自己的采集數據命令，直置發送狀態，則其按分組中的路由信息把該分組轉發給其下一跳節點。
　　
　　中心節點的主要作用是：接收來自其他節點的數據，并對數據進行校正、融合等處理，然后發給管理節點；接收管理節點所發的指令，確定節點工作狀態。其基本工作流程如圖4所示。　　
　　5、結論
　　
　　本項目研究一種基于小區的無線自組網抄表系統，其創新點主要有：
　　
　　（1）對系統中控制中心節點和無線傳感器節點的硬件進行全新設計，采用的MCU+RF一體化集成方案芯片Si1010，與雙芯片解決方案相比，單芯片方案的封裝尺寸與PCB空間均縮小50％，既降低了芯片本身的成本也降低了終端解決方案的成本。集成方案由于已經集成了射頻功能，簡化了產品的開發過程，降低了終端的開發難度。
　　
　　（2）采用CFDA微蜂窩式固定無線數據接入平臺實現網絡的自組織功能，每個傳感器節點根據所處的位置關系可形成一個多跳的鏈式網絡，節點可隨時加入或退出網絡而不影響網絡正常工作。
　　
　　（3）中國國家無線電管理委員會已經將原來模擬電視的470～510MHz頻段釋放用于民用計量，這對于Sub-GHz系統在中國無線抄表市場上的應用也是好消息。目前支持Sub-GHz的解決方案有SiliconLabs的Si10xx系列平臺和TI的CC430平臺等，Si10xx平臺支持240～960MHz頻率。開發的無線抄表系統符合新規，而符合新規的產品處于剛起步階段，具有巨大的市場潛力。
　　
　　（4）編程實現按需DSR路由協議，可及時準確地找到到達數據采集節點的*路由信息，實現了快速準確抄表。系統在測試中獲得了良好的效果，該系統具有結構簡單、工作可靠、功耗低、通信成本低等優點，達到了產品設計要求。