蔡宜飞， 陈 新

（福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

随着电力自动化技术的发展及无线技术广泛的应用到实际工作及生活当中。无线技术与电力自动化相结合，根据其常见的网络拓扑，设计出适合的中继算法，无线技术可更好的用于电力系统之中[1]。

文中从无线抄表系统设计入手，对比几种常见的无线中继技术，分析了对于无线抄表系统特有特点的不足及冗余，提出了适当的改进方法，并通过OPNET软件平台进行了仿真分析对比，验证了设计方案的可行性。

1 系统总体方案设计

小区无线抄表系统主要是由电表数据采集器、集中器和控制中心3大部分组成，如图1所示。其中，控制中心与集中器之间为上行信道，采用GPRS方式来传输集中器收集到的数据[2]；集中器与各电表终端的采集器之间为下行信道，由于传输距离限制，一些采集器将作为中继器，因此，集中器与各个采集器之间组成树形网络拓扑结构。

图1 无线抄表系统结构

文中重点探讨的是以集中器及各采集器为核心，下行信道的无线传输中继设计。集中器通过射频模块与分散在各处的集中器上的射频模块相连接，当集中器收到控制中心通过GPRS方式发送的抄表命令后，对其范围内的采集器发布采集指令，距离较远的采集器通过多跳的中继方式接收与发送信号。采集器内嵌于电表中，实现一表一器，与电表的外设通信接口相连接，通过 MCU及射频模块实现数据的采集，存储，转发等操作。采集器是整个无线抄表系统的通信桥梁，起到无线传输中继的关键作用，它的工作情况决定了系统的稳定性及可靠性。

2 采集器的硬件设计

采集器主要由MCU、射频模块、复位电路以及通信接口，电平匹配电路等组成，如图2所示。

图2 采集器硬件结构

采集器的MCU选用Microchip公司生产的8位单片机PIC16F1829[3]。其特点为单片机，体积小、SRAM大、价格适中，可在线调试。射频芯片选用TI公司的低成本无线收发芯片CC2500[4]。其工作在2.4 GHz ISM，通过SPI方式可方便地和MCU进行通信，有效通信距离一般在100 m左右。

采集器与电表的通信接口采用12针接口，如图3所示。采集器由电表直接提供电源，通过MCU的控制与电表进行通信。

图3 电表与采集器的通信接口

无线抄表系统中的采集器具有作为终端节点和中继节点两种功能。当集中器发布抄表指令时，处于集中器通信距离范围内的采集器可直接与集中器通信，发送采集数据等信息；另外一些远离集中器通信距离范围的采集器，通过范围内的采集器中继作用，实现与集中器之间的通信。

3 中继路由算法设计

当前最流行的短距离无线中继技术有ZigBee协议栈、无线传感网络、Ad hoc自组网等[5]。综合考虑无线抄表网络拓扑特点，开发难度，商业成本等因素，采用Ad hoc自组网中继技术最为合适。

现有Ad hoc自组网的路由协议通常分为表驱动路由协议和按需路由协议。表驱动路由协议发现时延短，路由开销大。按需路由协议不需要实时的维护路由信息，该方式路由开销较小，效率较高，但路由发现的时延较大。综合考虑到无线抄表网络拓扑特点，系统对实时性要求较低，因而选用按需路由协议较为合适。

3.1 几种按需路由协议的比较

DSR（Dynamic Source Routing）协议是一种基于源路由方式的按需路由协议，每一个给定路线的数据分组都在其头部带有完整有序的该分组必须经过的节点列表，而中间节点不必存储转发分组所需的路由信息。该协议网络开销较少，但存在陈旧路由。

AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector）协议采用基于路由表的路由方式，每个节点都要执行路由维护、管理路由表的任务。该协议需要周期性的广播分组，以保证路由表的实时性，网络开销较大。

TORA（Temporally-Ordered Routing Algorithm）协议是一种源初始化按需路由选择协议，采用链路反转分布式算法，该协议具有高度自适应、高效率和较好的扩充性，但协议相对复杂网络开销大。

这3种路由协议的对比，如表1所示。

表1 几种按需路由协议比较

3.2 无线抄表系统中继路由协议

无线抄表系统的树状网络拓扑主要特点有以下几个方面。

1）集中器与各个采集器组成树状拓扑，分为两类：根节点与叶节点。

2）节点位置固定，除非有节点加入或退出网络，否则网络拓扑基本保持不变。

3）对实时性要求较低，对数据准确性要求高。

4）每回合的数据通信均有根节点发起，由叶节点做出相应的回应。

鉴于无线抄表系统网络拓扑特有的特点，综合考虑 3.1节中几种路由协议的优缺点，因而选取最为适合该系统网络拓扑的DSR路由协议。

DSR协议主要包括路由发现和路由维护2个过程，在文献[6]中有详细说明。该协议针对的是一种多跳的临时性自治系统，节点可自由移动且地位相互平等。为了使该协议充分适用于本系统，对DSR路由协议做出适当改进，主要包括以下几个方面。

1）由于节点不会发生运动，拓扑结构几乎不发生改变，故对无线抄表网络中的集中器和所有采集器分别进行编址，使其具有固定且唯一的地址。

2）新节点加入网络要首先发起路由寻找过程，向它的邻节点广播消息分组，邻节点收到分组后回复ACK帧，再加入自己的ID信息，同时跳数加1再转发出去，直到网络中的中心节点收到消息，并把此路由信息存储在路由表中。

3）结合传输距离和小区规模，将网络拓扑中路由的最大跳数(maxhop)设置为 5，可以减少广播冲突，并有效提高路由发现的速度。

改进后DSR协议的帧结构如表2所示。

表2 RREQ帧结构、RREP帧结构和RRER帧结构

4 仿真及结果

4.1 OPNET

OPNET是由美国MIL3公司开发的一款产品，核心软件OPNET Modeler将各个仿真阶段所需要的工具相整合，组成了一个由模型设计工具、仿真核心、数据收集工具和数据分析工具有机结合起来的大型仿真系统[7-8]。

4.2 仿真环境的建立

使用 OPNET Modeler 14.5仿真软件进行网络的仿真，均匀在500 m×500 m范围内放置50个叶节点和1个根节点，节点的通信范围是100 m，每个节点设置为固定，并且运行相同的协议，网络层采用AODV、TORA以及做出修改的DSR协议。节点产生分组的时间间隔服从指数分布，数据传输率为1 MB/S，仿真时间设置为1 h。

4.3 仿真结果分析

由图 4看出 AODV协议的平均时延最小，而DSR协议的平均时延最大，这是因为DSR网络中各个叶节点不需要维护路由表，当发生链路错误时，需要中心节点重新建立路由。针对无线抄表网络来说，对数据采集的实时性方面要求不高，平均时延并不是选择的决定因素。

图4 DSR、AODV和TORA协议端到端平均时延对比

由图5可以看出，随时时间的推移，路由开销都慢慢的趋近于平稳，但三者相比，DSR协议的路由开销相对最小。这是因为DSR协议不需要实时维护路由信息，从而避免浪费过多资源。TORA协议的有向无环图和链路反转使得其路由开销相对最大。所以TORA协议更适合于高度动态移动的无线网络，不适用于本无线抄表系统。

图5 DSR、AODV和 TORA协议路由开销对比

由图6和图7可以看出，DSR协议的RREQ和RREP包数都低于AODV协议，AODV协议通常只使用最新的路由信息，网络负担较重。DSR协议建立路由后，不区分路由信息的陈旧，直到链接失败，才发起新一次的路由请求过程。很明显，DSR协议更适合于网络拓扑几乎不发生改变的无线抄表系统。

图6 DSR、AODV协议的RREQ包数对比

图7 DSR、AODV协议的RREP包数对比

综上所述，做出适当改进后的DSR协议比其他协议更适合于无线抄表网络拓扑结构，该协议虽然时延较大，但路由开销小，编程较容易实现，网络中各叶节点不需要维护路由表，可降低对采集器硬件的要求，从而降低开发成本。

5 结语

无线抄表系统具有成本低廉、使用方便、应用灵活、不需要重新布线等优点。文中利用 CC2500等芯片设计了无线抄表系统网络中的关键部分—采集器，对比分析DSR、AODV和TORA协议，且对DSR协议做出适当改进。经过仿真验证，证明了DSR协议更适合于无线抄表系统的网络拓扑特点。由于仿真时间和环境的不同，仿真结果可能会出现一定的差异，但总体趋势一致。期待更进一步搭建完整系统，进行实际测试，验证该协议的有效性及可靠性[9]。该算法亦适用于其他电力自动化应用，例如小区报警及安全系统，高压线路故障检测等。

[1] 张瑞民,侯少红.浅析电力自动化发展趋势[J].科技创新导报,2011(19):120-121.

[2] 张红霞,王亚微,郭佳,等.基于 GPRS通信技术的远程抄表系统设计[J].通信技术,2008,41(08):213-215.

[3] Microchip.PIC16F/LF1825/1829 Data Sheet [DB/OL].(2011-02-05)[2013-10-31].http://www.microchip.c om/downloads/cn/DeviceDoc.

[4] Texas Instruments.CC2500 Data Sheet[DB/OL].(2010-06-09)[2013-10-31].http://focus.ti.com/li t/ds/symlink/cc2500.pdf.

[5] 石明明,鲁周迅.三种无线通信协议综述[J].通信技术,2011,44(07):78-79,97.

[6] 陈林星,曾曦,曹毅.移动 Ad Hoc网络[M].北京:电子工业出版社,2006:245-253.

[7] 高嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京:电子工业出版社,2010:1-4.

[8] 田海福,郭义喜,张弘.OPNET网络仿真中的校核验证过程研究[J].信息安全与保密通信,2009(06):65-68.

[9] 曹亮,蒋兴浩.一种改进型Ad hoc网络安全路由协议[J].信息安全与保密通信,2008(06):119-121,125.