摘　要：討論了無線抄表系統(tǒng)的架構，提出了一個可用于無線抄表的路由算法，并在網(wǎng)絡仿真工具Omnet++環(huán)境下實現(xiàn)了對該路由協(xié)議的模擬仿真，結果表明該協(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和計算機網(wǎng)絡等技術自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)^[1]。目前的自動抄表系統(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)各有其適用的應用領域，但就抄表系統(tǒng)的投資、建設、維護等幾方面而言，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)模應用于居民小區(qū),大部分只是前期試點,部分產(chǎn)品還沒有應用在實際生活中^[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)絡在無線抄表系統(tǒng)中有很多的應用，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抄表系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標，關系到系統(tǒng)能否可靠運行。本文分析了無線抄表系統(tǒng)的結構，提出了一個可用于表計數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚?，并對該路由進行了仿真。
1 低壓電力無線抄表系統(tǒng)的整體結構
　　某公司致力于電能計量自動化系統(tǒng)的開發(fā)，該公司現(xiàn)有的電力載波遠程集抄系統(tǒng)有兩種方案：（1）全載波方案：系統(tǒng)整體由后臺軟件、集中器和表計幾個部分組成，集中器下行與表計通信，通道方式主要采用低壓電力載波進行數(shù)據(jù)傳輸。（2）半載波方案：系統(tǒng)整體由后臺軟件、集中器、現(xiàn)場采集終端和表計幾個部分組成，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。采集終端和表計通信通道采用RS485方式。
　　如果在集中器、現(xiàn)場采集終端、表計中分別集成無線數(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)。通常在一個小區(qū)中使用星型網(wǎng)絡即可形成一個由中心節(jié)點（集中器）和多個終端節(jié)點（表計或現(xiàn)場采集終端）組成的無線抄表網(wǎng)絡?？紤]到小區(qū)內(nèi)有的終端節(jié)點離中心節(jié)點較遠，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低，因此采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡。多個終端節(jié)點組成無線自組網(wǎng)絡，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點中，由中心節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和遠程傳送。低壓電力無線抄表系統(tǒng)結構見圖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)絡不同的是，電力抄表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點的位置是固定的，因此不具有移動性。節(jié)點的電源供電可以通過在用戶儀表中的電源模塊供電實現(xiàn)，能量因素并不是網(wǎng)絡的制約因素。因此如何選擇高效的傳輸路徑和提高數(shù)據(jù)的可靠傳輸至關重要。
　　近距離無線網(wǎng)絡在無線抄表系統(tǒng)中有很多的應用，如藍牙、Zigbee、Wavenis和Wi-Fi^[3-5]等，各種網(wǎng)絡協(xié)議在實際應用中都有自己的優(yōu)缺點。目前國際上各種協(xié)議標準還沒有形成具有優(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，設計了數(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、準確地抄取所有用戶表的信息是本節(jié)主要解決的問題。因為路由協(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間，進而影響功耗。數(shù)據(jù)源端到集中器端的路徑最短、最便捷以及網(wǎng)絡結構越簡單越好是無線抄表路由協(xié)議的設計思想。
本路由協(xié)議包括兩個過程：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。每個節(jié)點中保存NeighborLow和NeighborHigh 2個數(shù)組，NeighborLow用來記錄跳數(shù)比本節(jié)點跳數(shù)小1的鄰居節(jié)點集合，NeighborHigh用來記錄跳數(shù)比本節(jié)點跳數(shù)大1的鄰居節(jié)點集合。在數(shù)據(jù)包轉發(fā)之前，先根據(jù)鄰居節(jié)點的跳數(shù)信息來選擇合適的轉發(fā)節(jié)點。
最小跳數(shù)路由的建立過程如下：
　?。?）中心節(jié)點及各終端節(jié)點布置好后，自檢進入等待狀態(tài)。中心節(jié)點產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包interest，interest包中定義一個最小跳數(shù)段MHC（Minimum Hops Count）用來保存節(jié)點到中心的最小跳數(shù)信息，其中的MHC=O。
　?。?）由中心節(jié)點發(fā)起建立各個終端節(jié)點到中心節(jié)點的最小跳數(shù)場并保存鄰居節(jié)點信息。中心節(jié)點將interest包注入到網(wǎng)絡中，interest包采用洪泛的方式在網(wǎng)絡中傳播，來建立最小跳數(shù)場。當節(jié)點B收到來自A的interest包后，將B的MHC和interest包中的MHC進行比較，然后進行如下處理：
　?、偃绻鹖nterest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)點廣播新消息，消息當前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B到中心節(jié)點的最小跳數(shù)信息。
　　經(jīng)過以上過程，每個終端節(jié)點都獲得了到中心節(jié)點的最小跳數(shù)，并保存了一個跳數(shù)=當前節(jié)點跳數(shù)-1的NeighborLow節(jié)點集和一個跳數(shù)=當前跳數(shù)+1的NeighborHigh節(jié)點集。這樣每個節(jié)點都建立了到中心節(jié)點的多條最小跳路徑，為數(shù)據(jù)包的路由傳送做好了準備。當中心節(jié)點要求終端節(jié)點傳送數(shù)據(jù)時，它首先檢查緩存中是否存在終端節(jié)點到中心節(jié)點的有效路由。如果存在,則直接使用,否則啟動路由建立過程。
3 路由協(xié)議建模及仿真
　　通過仿真試驗建立無線網(wǎng)絡的模型，驗證該協(xié)議在路徑選擇上的有效性。仿真工具采用Omnet++3.3p1，網(wǎng)絡的覆蓋面積為500 m×600 m網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目為9個，節(jié)點的最大傳輸距離為200m。假設節(jié)點的分布相對均勻，建立如下模型：系統(tǒng)中node[0]為中心節(jié)點，其他節(jié)點為數(shù)據(jù)源節(jié)點。在仿真中，中心通過多次interest消息建立路徑，為每個終端節(jié)點建立最短路徑。
　　圖3為無線網(wǎng)絡的拓撲結構，圖4中，最小節(jié)點向每個終端節(jié)點發(fā)出interest包，此包在網(wǎng)絡中以洪泛的方式傳送。圖 5為各節(jié)點到達中心節(jié)點的最小跳數(shù)。由圖5可以看出，在不考慮節(jié)點失效的情況下該算法能夠正確地獲取各終端到中心節(jié)點的最小跳數(shù)。各節(jié)點獲取最小跳數(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)點中。

　　本文介紹了無線抄表系統(tǒng)的結構，給出了一個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?，但對路由協(xié)議的維護和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃€有待進一步的研究。

參考文獻
[1] 周志洪．基于嵌入式網(wǎng)絡技術的網(wǎng)絡化自動抄表系統(tǒng)的研究[D]．杭州：浙江大學信息科學與工程學院，2005．
[2] 陳立萬，汪宋良．無線抄表系統(tǒng)低功耗控制電路的設計與實現(xiàn)．合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2008（8）：1198-1203．
[3] 王毅．無線局域網(wǎng)802·11探討[J]．電子產(chǎn)品世界，2002，
(12): 11-12．
[4] 陳林星，金純，楊吉云．IEEE802·11無線局域網(wǎng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004：20-100.
[5] 彭剛，曹元大，鐘偉軍，等.無線傳感器網(wǎng)絡基于數(shù)據(jù)匯聚的路由 [J]．計算機工程與應用，2005，41(12)：12-14．