陈思璇

摘 要：本文紧紧围绕无线智能抄表应用要求的低复杂度、低功耗、低成本和高可靠性等研究目标，以及国家传感器网络标准化工作组通信与信息交互项目组所确定的技术目标和技术路线，概括低功耗的睡眠-唤醒机制、高可靠的通信链路、灵活组网方式下的MAC帧优化、跨层协议的设计等技术的研究。

关键词：无线智能抄表；MAC层优化；睡眠唤醒；可靠链路

1 研究現状

1.1 国内外发展现状与趋势

在能源日趋紧张、用电需求迅速增长、供电服务要求日益提高的形势下，世界各国正在试图寻找更加环保、节约、低能耗的新型绿色能源经济管理模式。美国、英国、意大利、法国、西班牙、澳大利亚等发达国家，以及印度等新兴发展中国家都在积极发展自动化表计系统或智能电表，相继大规模开展了用电信息采集相关系统建设，在电力用户用电信息的专业化应用和集成化应用方面均取得良好的应用效果。其中以德国、意大利、西班牙和葡萄牙等国家和欧盟对智能抄表方面的研究居多，用到的技术也各种各样，如zigbee、蓝牙、WIFI、无线宽带、PLC、总线和以太网方面的技术。

自20世纪90年代起，国内电力系统逐步开展了负荷管理、集中抄表等用电信息采集系统的试点建设与应用，通过智能化的用电服务手段，加强用户与电网之间的信息集成共享和实时互动，进一步改善电网运营方式和用户对电能的利用模式，有效提高终端用户用能效率。国内的一些公司和高校也相继开展无线智能抄表的研究，国家无线电委员会已将原来模拟电视使用的470MHz-510MHz频段释放用于民用计量，这对无线抄表是一个很好的资源。

1.2 国内现有技术基础

北京新鸿基瑞程科技有限公司在基于国网标准下推出的DCJL22-RC2010采集器具有低功率发射、高抗干扰能力、低误码率、传输距离远、多信道、高可靠性、体积小、重量轻等优点，主要服务于城市居民小区和村镇的无线抄表应用。成都千嘉科技有限公司推出的无线抄表系统，针对小区应用场景，设计出小区管理机、集中器、终端表具之间采用无线通讯方式的管理中心远程集抄方案，从路由路径生成与管理、数据交互的主从双方流程、资源需求分析、协议等各方面进行优化，一定程度上缓解了信号差、对环境要求高、电池电量容易耗尽、易受干扰、安装配置复杂等问题。然而，由于现有抄表系统的特点和应用场景的复杂性，进一步降低功耗、降低成本、提升链路质量可靠性，还有待进一步的深入研究。

2 研究内容和方法

2.1 基于GB/T 15629-2010（CWPAN）技术规范的MAC层优化研究

（1）信帧调度研究。密集型的电表安装方式，势必形成复杂的电磁环境，导致数据传递过程中相互干扰，增加数据发送碰撞的概率，因此，若MAC层能有效的控制和调度，则可避免上述情况，信标帧调度则是控制节点收发数据的关键。（2）睡眠-唤醒机制研究。考虑到抄表系统是以每小时/每天/每月一次或几次地以周期性发送数据的方式，或者是系统通知电表上传数据的这种以事件驱动方式的两种低频度通信，对现有的MAC层的协议进行优化，针对特定的应用场景，提出相应的睡眠-唤醒机制，让节点在数据交互之余可以最大限度的休眠。（III）MAC层帧结构研究。MAC层数据帧最大有127字节，其中帧头占25字节，若加上安全使能则需要65字节作为帧头开销，然而在抄表系统这种应用场景下，数据载荷部分所占比例较小（通常只有10-20字节），因此有必要将无线传感器网络MAC层帧结构进行精简、改进，或者对保留的标志位赋予新的控制含义，使MAC帧内有效数据的传输达到最大化。

2.2 基于470MHz物理信道的MAC层机制研究

智能抄表系统工作在室外，对传感网通信质量的要求就比较高。但处于2.4GHz 的节点在建筑环境中工作较差，因此增加了470MHz的物理信道使用频率作为抄表系统选择频率之一。相对于2.4GHz来说，处于470MHz的电磁波虽然穿透力没有2.4GHz强，但对于一般住宅型的建筑来说已经够用，并且470MHz的电磁波绕射性能更优，适用于户外环境。其频段窄，传播特性良好，适宜广覆盖、容量不大的应用场景。

2.3 无线智能抄表系统跨层协议研究

在已有的传感网技术标准中，对路由协议和MAC层协议都是各自独立研究的，比如针对《传感器网络通信与信息交互第1部分：低速无线传感器网络网络层和应用支持子层技术规范》，或者IEEE802.15.4c和IEEE802.15.4g标准等，各层协议的独立性带来一些优势的同时也影响了系统的性能，如若将第2层的一些状态参数信息作为路由依据，将MAC层与路由层的功能进行一定程度的整合，采用跨层次设计的思路能够使网络层了解到底层数据的传输情况，从而做出更加切合实际的路由选择，这样更适用于智能抄表系统。针对抄表系统这种应用场景来说，一些已有的网络层的路由协议并不是非常有效。那么，为了保证数据传输的可靠性，应该参考MAC层协议，设计多路径路由平衡网络负载，缓解单路径路由时的网络震荡，实现路由容错提高鲁棒性。

2.4 抄表系统应用层协议与传感网MAC层通信协议适配的研究

对于抄表系统来说，不仅需要实时上传用电数据，还要满足用户用电量查询、电表管理等更多的功能要求。从《电力用户用电信息采集系统通信协议：主站与采集终端通信协议》可以看出：电力行业对于抄表系统的应用层通信规约有自己的行业规范，而且其应用层协议主要是基于传统的RS485和PLC底层通信协议，对于短距离无线通信的物理层和MAC的兼容与适配问题，以及适配的高效率问题，有待于深入研究。

3 无线抄表的关键技术点

3.1 低功耗的睡眠-唤醒机制

据资料显示传感器节点通信模块的能耗占全部能耗的95%以上，而节点在收发数据之余持续的监听状态对于周期性或者事件触发性的数据采集方式来说并不是必须的，提出一种针对该应用场景的睡眠-唤醒机制，既能从根本上降低节点的能耗，且又能保证在突发事件产生时，相关节点能快速地唤醒，这需要高效的MAC层调度机制与网络层路由的精确配合。

3.2 高可靠的通信链路

集中式的电表安装方式决定了高密度的无线节点通信环境，这对底层传输数据的可靠性产生很大的威胁，增加通信过程中的误码率，甚至于CRC校验时出现高错误率，造成众多数据包重传、一次数据发送成功率大大降低的局面，远达不到链路通信可靠性的要求。结合具体的拓扑结构，进行分时分层分信道调度，建立有效的MAC层调度机制能克服上述问题。

3.3 灵活组网方式下的MAC帧优化

无线智能抄表的应用场景形式多样，目前主要有两种方式：直连模式和集中器模式，国内大部分的抄表系统都是集中器的模式。提出有针对性的MAC帧优化方法，在不破坏已有协议帧格式的前提下，对帧格式的标志位进行精简、扩展、必要的填充，保证MAC帧内有效数据的传输达到最大化。

4 结束语

改变用户用能方式，促进节能减排，服务“两型”社会建设、提高能源利用效率，实现国家能源可持续发展的战略目标，准确有效的抄表是一个重要环节。由于现有抄表系统的特点和应用场景的复杂性，在低功耗、低成本、链路质量可靠性上得不到保障。无线智能抄表以其技术先进、易于安装和维护、可靠性高、成本低等优点，必将成为未来发展的趋势。

参考文献

[1]许建安.电力系统通信技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007：97-112.

[2]丁毓山.电子式电能表与抄表系统[M].北京：中国水利水电出版社，2005.