摘　要：討論了無線抄表系統(tǒng)的架構(gòu)，提出了一個(gè)可用于無線抄表的路由算法，并在網(wǎng)絡(luò)仿真工具Omnet++環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對該路由協(xié)議的模擬仿真，結(jié)果表明該協(xié)議能夠滿足無線抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸路徑選擇的需要。
　　關(guān)鍵詞：低壓無線抄表；路由協(xié)議；Omnet++仿真

 　　在電力系統(tǒng)的信息化過程中，戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄送具有十分重要的意義。所謂無線抄表就是指采用無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)^[1]。目前的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類，這兩大類抄表系統(tǒng)各有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域，但就抄表系統(tǒng)的投資、建設(shè)、維護(hù)等幾方面而言，無線抄表系統(tǒng)顯然具有更大優(yōu)勢。綜觀國內(nèi)外無線抄表產(chǎn)品,除2006年法國公司在東歐建立的首個(gè)大規(guī)模抄表系統(tǒng)外,還沒有其他系統(tǒng)可以大規(guī)模應(yīng)用于居民小區(qū),大部分只是前期試點(diǎn),部分產(chǎn)品還沒有應(yīng)用在實(shí)際生活中^[2]。抄表系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)的可靠性有很高的要求。近距離無線網(wǎng)絡(luò)在無線抄表系統(tǒng)中有很多的應(yīng)用，目前我國低壓電力無線抄表系統(tǒng)的研究，還處于起步階段。
　　無線抄表系統(tǒng)不但要完成新的數(shù)據(jù)采集，而且還要保證數(shù)據(jù)的可靠姓。所以通信過程的可靠性和有效性是整個(gè)抄表系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo)，關(guān)系到系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行。本文分析了無線抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出了一個(gè)可用于表計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚?，并對該路由進(jìn)行了仿真。
1 低壓電力無線抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
　　某公司致力于電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)，該公司現(xiàn)有的電力載波遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)有兩種方案：（1）全載波方案：系統(tǒng)整體由后臺(tái)軟件、集中器和表計(jì)幾個(gè)部分組成，集中器下行與表計(jì)通信，通道方式主要采用低壓電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（2）半載波方案：系統(tǒng)整體由后臺(tái)軟件、集中器、現(xiàn)場采集終端和表計(jì)幾個(gè)部分組成，集中器下行與采集終端通信，通道方式采用低壓電力載波方式，集中器上行與后臺(tái)通信，通道方式包括：GPRS/CDMA、電話線、GSM等多種方式。采集終端和表計(jì)通信通道采用RS485方式。
　　如果在集中器、現(xiàn)場采集終端、表計(jì)中分別集成無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，將電表數(shù)據(jù)采集的電力載波方案改成無線通道方案。與兩種電力載波集抄系統(tǒng)相應(yīng)的無線抄表系統(tǒng)則可以被稱為全無線抄表系統(tǒng)和半無線抄表系統(tǒng)。通常在一個(gè)小區(qū)中使用星型網(wǎng)絡(luò)即可形成一個(gè)由中心節(jié)點(diǎn)（集中器）和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（表計(jì)或現(xiàn)場采集終端）組成的無線抄表網(wǎng)絡(luò)。考慮到小區(qū)內(nèi)有的終端節(jié)點(diǎn)離中心節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低，因此采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成無線自組網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)中，由中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳送。低壓電力無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2 用于無線抄表數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓞f(xié)議
　　與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不同的是，電力抄表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的位置是固定的，因此不具有移動(dòng)性。節(jié)點(diǎn)的電源供電可以通過在用戶儀表中的電源模塊供電實(shí)現(xiàn)，能量因素并不是網(wǎng)絡(luò)的制約因素。因此如何選擇高效的傳輸路徑和提高數(shù)據(jù)的可靠傳輸至關(guān)重要。
　　近距離無線網(wǎng)絡(luò)在無線抄表系統(tǒng)中有很多的應(yīng)用，如藍(lán)牙、Zigbee、Wavenis和Wi-Fi^[3-5]等，各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。目前國際上各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成具有優(yōu)勢和可靠的解決方案，各種方案都處于完善和推廣階段。本文針對無線抄表傳輸數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集路由協(xié)議。
　　協(xié)議描述如下：
　　由于無線通信距離和穿墻性因素的制約，集中器并不能與所有的數(shù)據(jù)采集模塊直接通信，如何使集中器智能、高效、準(zhǔn)確地抄取所有用戶表的信息是本節(jié)主要解決的問題。因?yàn)槁酚蓞f(xié)議直接決定數(shù)據(jù)如何中繼和路由，而路徑的選取直接影響表的工作時(shí)間，進(jìn)而影響功耗。數(shù)據(jù)源端到集中器端的路徑最短、最便捷以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越簡單越好是無線抄表路由協(xié)議的設(shè)計(jì)思想。
本路由協(xié)議包括兩個(gè)過程：數(shù)據(jù)源端到集中器端最小跳數(shù)路由的建立和數(shù)據(jù)的傳輸。每個(gè)節(jié)點(diǎn)中保存NeighborLow和NeighborHigh 2個(gè)數(shù)組，NeighborLow用來記錄跳數(shù)比本節(jié)點(diǎn)跳數(shù)小1的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，NeighborHigh用來記錄跳數(shù)比本節(jié)點(diǎn)跳數(shù)大1的鄰居節(jié)點(diǎn)集合。在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)之前，先根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息來選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
最小跳數(shù)路由的建立過程如下：
　?。?）中心節(jié)點(diǎn)及各終端節(jié)點(diǎn)布置好后，自檢進(jìn)入等待狀態(tài)。中心節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包interest，interest包中定義一個(gè)最小跳數(shù)段MHC（Minimum Hops Count）用來保存節(jié)點(diǎn)到中心的最小跳數(shù)信息，其中的MHC=O。
　?。?）由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)場并保存鄰居節(jié)點(diǎn)信息。中心節(jié)點(diǎn)將interest包注入到網(wǎng)絡(luò)中，interest包采用洪泛的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播，來建立最小跳數(shù)場。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到來自A的interest包后，將B的MHC和interest包中的MHC進(jìn)行比較，然后進(jìn)行如下處理：
　　①如果interest包中的MHC+1小于B的MHC，則清空B的NeighborLow和NeighborHihg，將interest包中MHC+1作為自己的MHC，并將A加入自己的NeighborLow，然后轉(zhuǎn)②；如果interest包中的MHC+1等于B的MHC。則直接將A加入自己的NeighborLow，轉(zhuǎn)②；如果interest包中的MHC-1等于B的MHC，則將A加入自己的NeihgborHigh，然后丟棄該interest包；如果interest包中的MHC-1大于B的MHC，則直接丟棄該interest包。
　?、贐向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播新消息，消息當(dāng)前MHC為B的新MHC值。
　　最小跳數(shù)場建立的流程如圖2所示。

　　圖2中，MHCm表示任意節(jié)點(diǎn)B到中心節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)信息。
　　經(jīng)過以上過程，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都獲得了到中心節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，并保存了一個(gè)跳數(shù)=當(dāng)前節(jié)點(diǎn)跳數(shù)-1的NeighborLow節(jié)點(diǎn)集和一個(gè)跳數(shù)=當(dāng)前跳數(shù)+1的NeighborHigh節(jié)點(diǎn)集。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都建立了到中心節(jié)點(diǎn)的多條最小跳路徑，為數(shù)據(jù)包的路由傳送做好了準(zhǔn)備。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)要求終端節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先檢查緩存中是否存在終端節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的有效路由。如果存在,則直接使用,否則啟動(dòng)路由建立過程。
3 路由協(xié)議建模及仿真
　　通過仿真試驗(yàn)建立無線網(wǎng)絡(luò)的模型，驗(yàn)證該協(xié)議在路徑選擇上的有效性。仿真工具采用Omnet++3.3p1，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積為500 m×600 m網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為9個(gè)，節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為200m。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的分布相對均勻，建立如下模型：系統(tǒng)中node[0]為中心節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)。在仿真中，中心通過多次interest消息建立路徑，為每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)建立最短路徑。
　　圖3為無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖4中，最小節(jié)點(diǎn)向每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出interest包，此包在網(wǎng)絡(luò)中以洪泛的方式傳送。圖 5為各節(jié)點(diǎn)到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。由圖5可以看出，在不考慮節(jié)點(diǎn)失效的情況下該算法能夠正確地獲取各終端到中心節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。各節(jié)點(diǎn)獲取最小跳數(shù)路由，使得數(shù)據(jù)可以沿著最優(yōu)路徑快速高效地傳送到中心節(jié)點(diǎn)中。

　　本文介紹了無線抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給出了一個(gè)可用于無線抄表的基于最小跳數(shù)的路由協(xié)議算法，并對該算法進(jìn)行了仿真。仿真證明該協(xié)議可以很好地選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚÷窂剑珜β酚蓞f(xié)議的維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃€有待進(jìn)一步的研究。

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