深圳市華旭科技開(kāi)發(fā)有限公司 湯天順
摘要：本文描述了一類(lèi)具有三層結(jié)構(gòu)二級(jí)路由的無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)管理、簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、路由表等概念，構(gòu)造無(wú)線表具網(wǎng)（第３層）和無(wú)線集中器網(wǎng)（第２層）。在符合國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線電管理局[2005]423號(hào)文件“微功耗（短距離）無(wú)線電設(shè)備技術(shù)要求”的硬件環(huán)境中，在不顯著增加電池供電設(shè)備功耗的情況下，使無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通信可靠性、安全性、適用性得到大幅提高。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明已達(dá)到實(shí)用要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線遠(yuǎn)程抄表，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)路由，無(wú)線表具網(wǎng)，無(wú)線集中器網(wǎng)。
一、綜述
計(jì)量?jī)x表的遠(yuǎn)程抄表問(wèn)題，不僅是我國(guó)各城市供水公司、燃?xì)夤尽⒐╇姽鹃L(zhǎng)期以來(lái)十分關(guān)注的問(wèn)題，也是世界發(fā)達(dá)國(guó)家十分關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)際上近年為此相繼出臺(tái)一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如BS EN13757:2002 Communication System for Meters and Remote Reading of Meters，IEC 62056:2002 Electricity Metering-data Exchange for Meter Riding ,Tariff and Load Control等。城市信息化、企業(yè)現(xiàn)代化的要求，計(jì)量到戶政策的實(shí)施，居民居住安全性方面的考慮等因素，為我國(guó)計(jì)量?jī)x表的遠(yuǎn)程抄表提供了推動(dòng)力。目前，幾乎每一個(gè)有影響的大城市都有一定數(shù)量的各式各樣的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)在試運(yùn)行，從模擬式到數(shù)字式，從低壓電力載波到RS-485總線、M-bus總線，從有線到無(wú)線，從單工到半雙工，從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)對(duì)多，從主從到路由，等等，幾乎應(yīng)有盡有。但是，似乎結(jié)果都不十分理想。分線制的模擬信號(hào)遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)已遭到實(shí)質(zhì)性淘汰，留下許多此類(lèi)系統(tǒng)，成為“爛尾樓”。它是早期遠(yuǎn)傳抄表幼稚和勇敢的見(jiàn)證。有線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，無(wú)論RS-485還是M-bus，對(duì)于這類(lèi)短距離低速率數(shù)字通信來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是游刃有余的。但困難不是技術(shù)層面而是來(lái)自管理層面：施工難度和線路質(zhì)量要求超出管理者期許；許多進(jìn)戶的通信線受到有意無(wú)意破壞，使抄收成功率降低。一段時(shí)間，人們一起看好無(wú)線遠(yuǎn)程抄表。試用結(jié)果卻多少令人有些失望：信道不穩(wěn)定，抄收成功率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，甚至不能滿足用戶最低需求。已有頗有影響的用戶具文把它排除在主要選項(xiàng)之外。
無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)工程安裝簡(jiǎn)單，日常維護(hù)量小，安裝維護(hù)成本較有線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)低，對(duì)用戶具有很大吸引力，許多人認(rèn)為無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是計(jì)量?jī)x表抄表問(wèn)題的最終解決方案。
但無(wú)線遠(yuǎn)程抄表遇到的困難也是雙重的。
首先，電池供電與無(wú)線通信設(shè)備需較大的接收和發(fā)送電流有矛盾。電池供電的計(jì)量?jī)x表，電池使用壽命理應(yīng)與計(jì)量?jī)x表的額定壽命相當(dāng)，即氣表５年，水表６年。有人甚至認(rèn)為電池使用壽命應(yīng)比儀表額定壽命多１年，即氣表５＋１年，水表６＋１年。達(dá)到這一要求是不容易的，它比IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layey (PHY) Specification for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)）和Zigbee聯(lián)盟推薦協(xié)議提出的目標(biāo)更高、更嚴(yán)格。因而，不加分析、不作選擇地套用這些協(xié)議是不合適的。
其次，無(wú)線發(fā)送功率有限制，應(yīng)達(dá)到國(guó)家無(wú)線電委員會(huì)[2005]243號(hào)文件“微功耗（短距離）無(wú)線電設(shè)備技術(shù)要求”，這與戶表希望較大范圍集中信息有矛盾。在目前技術(shù)條件下，一定發(fā)送功率對(duì)應(yīng)一定的可靠通信距離，這是物理法則?？桃庾非蟛滑F(xiàn)實(shí)的通信距離必然會(huì)損害通信的可靠和穩(wěn)定。這是很多試驗(yàn)系統(tǒng)歸于失敗的重要原因。
解決問(wèn)題的出路在于尋找有效的通信方法。本文描述一種基于改進(jìn)通信方法的無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，它根據(jù)戶用計(jì)量?jī)x表安裝和分布特點(diǎn)，運(yùn)用Zigbee聯(lián)盟和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)推薦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)管理方法，組成具有三層結(jié)構(gòu)二級(jí)路由功能的網(wǎng)絡(luò)，有效地解決了無(wú)線信息出戶及信息集中的可靠性和穩(wěn)定性問(wèn)題。
二、系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
嚴(yán)格說(shuō)，無(wú)線計(jì)量?jī)x表遠(yuǎn)程抄表與BS EN13757:2002和 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的服務(wù)對(duì)象低速無(wú)線個(gè)人網(wǎng) (LR-WPAN)是不同的，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
１）每塊表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，每次僅數(shù)十至數(shù)百字節(jié)。
２）每塊表通信發(fā)生頻率很低，每月僅數(shù)次。
３）表與表之間，表與集中器之間距離不能保證一定在10m左右，有時(shí)遠(yuǎn)大于這個(gè)距離。
４）表具位置基本固定。不會(huì)自動(dòng)撤出和自動(dòng)接入。
５）表與表之間，表與集中器之間通信障礙較多，而且會(huì)有變動(dòng)。
６）表具多為電池供電,電池使用壽命要求5-7年。
７）民用設(shè)備，成本要求苛刻。
根據(jù)通信對(duì)象的特殊性，本文介紹的無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，分別稱(chēng)作表具網(wǎng)、集中器網(wǎng)和城域網(wǎng)，見(jiàn)圖１。
圖1 廣域無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
表具網(wǎng)是集中器網(wǎng)的子系統(tǒng)，是戶用計(jì)量數(shù)據(jù)出戶的關(guān)鍵。它通常由一個(gè)集中器和若干計(jì)量?jī)x表組成，集中器和計(jì)量?jī)x表都具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力。集中器是表具網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)調(diào)器（Coordinator）和集中器網(wǎng)訪問(wèn)的入口(Access Point)。系統(tǒng)主要目標(biāo)是解決通信的常期穩(wěn)定性和電池使用壽命問(wèn)題。
集中器網(wǎng)是城域網(wǎng)的子系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)大面積集中的關(guān)鍵。它通常由一個(gè)主集中器和若干表具網(wǎng)集中器組成，主集中器是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)調(diào)器和城域網(wǎng)訪問(wèn)的入口。主集中器和表具網(wǎng)集中器對(duì)電源消耗和設(shè)備成本的要求都可以適當(dāng)放寬，例如用市電供電或大容量電池供電。本級(jí)系統(tǒng)主要目標(biāo)是在受限技術(shù)條件下解決數(shù)據(jù)大面積集中和命令大范圍下達(dá)的可靠性和常期穩(wěn)定性問(wèn)題。
城域網(wǎng)是連結(jié)各相關(guān)信息中心和各主集中器的網(wǎng)絡(luò)。這一層可以是手工的，如使用抄表機(jī)抄各主集中器的數(shù)據(jù)，也可以是自動(dòng)的，如GPRS，PSTN 等。當(dāng)城域網(wǎng)采用自動(dòng)方式時(shí)，手工抄表應(yīng)仍是其必要的備用方式。
表具網(wǎng)和集中器網(wǎng)的物理基礎(chǔ)是自建的專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)，城域網(wǎng)的物理基礎(chǔ)是已有的公共信息網(wǎng)絡(luò)，如電信網(wǎng)，internet等。城域網(wǎng)的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性應(yīng)該是有保證的，本文僅對(duì)表具網(wǎng)和集中器網(wǎng)描述其結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信管理。
三、關(guān)于表具網(wǎng)
表具網(wǎng)是位于戶內(nèi)的計(jì)量表具與位于戶外建筑物內(nèi)的集中器組成的通信網(wǎng)絡(luò)。計(jì)量表具一般電池供電，集中器可用大容量電池或穩(wěn)壓電源供電。集中器在表具網(wǎng)內(nèi)是通信秩序協(xié)調(diào)者和命令的發(fā)布或轉(zhuǎn)發(fā)者，在網(wǎng)外是集中器網(wǎng)的一個(gè)全功能設(shè)備。表具網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)應(yīng)遵循以下規(guī)則：
１）一般安裝時(shí)表具應(yīng)能與集中器直接建立通信，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)與集中器建立通信的表具數(shù)應(yīng)控制在30%以下。
２）通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)與集中器建立通信的每塊表具，與集中器通信的轉(zhuǎn)發(fā)路徑應(yīng)在2條或2條以上。
３）網(wǎng)中每塊表具承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)數(shù)不能大于1。
４）安裝時(shí)與集中器直接建立通信的表具，必須有1條或1條以上備用通信路徑。
５）每一鏈路中，與集中器直接通信的表具的RSSI必須大于某一水平。
６）網(wǎng)中有一個(gè)且只有一個(gè)集中器。
７）相鄰的表具網(wǎng)使用不同載波頻率。
表具網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖２，信息結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖３。
集中器是表具網(wǎng)通信的發(fā)起者，用信令（beacon）和命令管理通信。網(wǎng)中表具只有接收到相關(guān)信令才能發(fā)送應(yīng)答信息，只有接收到相關(guān)命令才能發(fā)送要求的數(shù)據(jù)和請(qǐng)求。集中器與通信目標(biāo)的通信路徑信息以路由表形式存儲(chǔ)在集中器里。路由表是網(wǎng)絡(luò)信息鏈路狀況的先驗(yàn)知識(shí)，不是一成不變的，特別是對(duì)于微功率無(wú)線通信。在以下情況，集中器應(yīng)發(fā)起建立新路由表的過(guò)程：
１）設(shè)備安裝后，第一次建立網(wǎng)絡(luò)通信鏈路時(shí)；
２）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有表具按路由表無(wú)法建立通信時(shí)；
３）撤出和接入表具時(shí)；
４）路由表使用一定時(shí)間后。
集中器使用路由表時(shí)，應(yīng)根據(jù)表具輪流中繼的原則選擇路徑，從而使表具耗電趨于均衡。
圖2 表具網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)
圖3 表具網(wǎng)信息結(jié)構(gòu)
如此構(gòu)造的表具網(wǎng)，具有以下特點(diǎn)：
1)在具有網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)點(diǎn)前提下，僅使表具耗電較耗電最小的星型結(jié)構(gòu)略有增加，且各表具耗電較均衡，有效地延長(zhǎng)了電池壽命。
2)集中器與表具間一般具有3條可選的信道，通信可靠，使抄收成功率有實(shí)質(zhì)性提高。
3)擴(kuò)大了相同技術(shù)條件下的可靠通信范圍，通信半徑可達(dá)原通信半徑的1.5-1.8倍。
4)不增加表具的硬件復(fù)雜性，從而也不增加表具成本。
四、關(guān)于集中器網(wǎng)
集中器網(wǎng)是主集中器與表具網(wǎng)集中器組成的通信網(wǎng)絡(luò)。與表具網(wǎng)不同，表具網(wǎng)集中器和主集中器在電源消耗和成本上都可放寬。住集中器在集中器網(wǎng)內(nèi)是通信秩序協(xié)調(diào)者和命令的發(fā)布或轉(zhuǎn)發(fā)者，在網(wǎng)外是城域網(wǎng)的一個(gè)全功能設(shè)備。集中器網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)遵循以下規(guī)則：
1)集中器網(wǎng)使用頻率應(yīng)與其所屬的表具網(wǎng)使用頻率不同。
2)在最大訪問(wèn)時(shí)間限制下，容許“多級(jí)跳”。
3)每一表具網(wǎng)集中器至少應(yīng)有二條訪問(wèn)路徑。
4)主要訪問(wèn)路徑上相連的集中器應(yīng)位于可靠通信距離之內(nèi)。否則可使用中繼器中繼。
5)集中器網(wǎng)可用簇狀（Cluster Tree）和網(wǎng)狀{MESH}網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
6)集中器網(wǎng)中設(shè)備的撤出和接入須經(jīng)主集中器確認(rèn)。
集中器網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)參考圖4，相應(yīng)信息結(jié)構(gòu)參考圖5。
圖4 集中器物理結(jié)構(gòu)
主集中器是集中器網(wǎng)通信協(xié)調(diào)者，它用信令和命令管理網(wǎng)絡(luò)通信秩序，防止沖突。主集中器存儲(chǔ)訪問(wèn)網(wǎng)中表具網(wǎng)集中器的路由表及其所管轄的表具網(wǎng)中已安裝的表具表。當(dāng)需要訪問(wèn)表具時(shí)，主集中器僅向相關(guān)集中器發(fā)出命令，然后由相關(guān)集中器訪問(wèn)表具并返回相應(yīng)信息。集中器在集中器網(wǎng)中只有接收到相關(guān)信令才能發(fā)送應(yīng)答信息，只有接收到相關(guān)命令才能發(fā)送要求的數(shù)據(jù)和請(qǐng)求。與表具網(wǎng)一樣，路由表是網(wǎng)絡(luò)信息鏈路狀況的先驗(yàn)知識(shí)，不是一成不變的。在以下情況，主集中器應(yīng)發(fā)起建立新路由表的過(guò)程：
５）設(shè)備安裝后，第一次建立網(wǎng)絡(luò)通信鏈路時(shí)；
６）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有集中器按已有路由表無(wú)法建立通信時(shí)；
７）撤出已注冊(cè)集中器或接入新表具網(wǎng)時(shí)；
８）路由表使用一定時(shí)間后。
圖5 集中器網(wǎng)信息結(jié)構(gòu)
集中器網(wǎng)不一定是無(wú)線的，在條件許可時(shí)，也可采用有線通信方式。在敷設(shè)線路難度不大，線路保護(hù)不存在隱患，線路維護(hù)方便的情況下，有線集中器網(wǎng)所具有的穩(wěn)定、可靠、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是不容忽視的。
五、結(jié)語(yǔ)
遠(yuǎn)程抄表的第一個(gè)難題是信息出戶，第二是信息集中。在我國(guó)現(xiàn)有條件下，遠(yuǎn)程抄表寄希望于無(wú)線技術(shù)。目前無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的諸多難題，解決出路在于運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信方法，探索有效、簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用、可行的方案。這幾乎是用戶的一致共識(shí)。本文描述的表具網(wǎng)和集中器網(wǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中已得到較為滿意效果。當(dāng)然，試驗(yàn)時(shí)間還不夠長(zhǎng)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)狀況也不足以代表全部，試驗(yàn)的多樣性還不夠，還有足夠的研究空間。
