基于微功率无线自组网的智能电能表

赵四海

摘 要 针对低压电力载波电能表在抄表中存在的问题，本文设计了一种基于微功率无线自组网的智能电能表，并对其硬件设计、自组网系统的工作原理和组网协议进行了介绍。该微功率无线自组网的智能电能表能有效的弥补当前低压电力线载波抄表的不足，具有一定的推广价值。

【关键词】微功率无线 自组网 智能电能表

1 引言

随着“十三五”规划的推进，我国智能电网进入全面建设阶段，智能电表作为智能电网的重要组成部分，对整个智能电网的建设起着决定性的作用，越来越多的技术应用于居民用户的电能表数据采集。微功率通讯技术以其低成本、低功耗、组网速度快等特点引起了人们的关注，為解决目前主流的低压电力线载波技术存在的问题提供了可能。无线自组网通过多个节点的路由转发，可以延长数据的传输距离，增强信号的稳定性，非常适合实际电能表通讯环境。

2 无线智能电能表的硬件设计

无线智能电能表硬件部分主要以MCU为核心分别管控电能计量模块、系统时钟模块、存储模块、ESAM安全认证模块、红外通信单元、LCD液晶显示模块以及无线组网模块。如图1所示。

系统MCU采用NEC1166微处理器，主要实现电量及电费计量、各种显示、故障提示、自动结算及用户负载控制等功能。

电能计量模块采用ATT7053AU高精度、低功耗、带SPI接口的单相计量芯片。完全满足国网/南网对单相多功能电能表的全部需求。

系统时钟模块采用以8025T为核心的时钟电路，时钟供电电路主要考虑正常上电和掉电状态下，在待机状态下，采用3.3V稳压管将6V电压降低到3.3V提供给单片机供电，整机处于低功耗状态；在电能表处于唤醒状态时，硬件系统通过5V的稳压管将6V的电压降低到稳定的5V电压，对单片机和红外供电，能够稳定可靠的实现数据抄读。

在计费方式上，该电能表采用金额计费的方式，将用户的剩余金额保存在ESAM模块中，用户用电时，电能表从ESAM模块中扣除用电金额，保障了用户用电信息的安全；该电能表采用AT24C512芯片作为存储器，用来存储电能表的运行时的基本信息，实现电表数据的掉电可靠存储。

无线组网模块硬件是微功率无线自组网智能电表的重要组成部分，是路由建立和数据传输的通道。该模块使用的是无线收发芯片 CC1101，它是一种低功耗、低成本、传输可靠、支持无线传感器网络技术的可编程 UHF 收发芯片。其工作频段灵活，收发器集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其可编程数据传输速率可达 500kBaud。MCU通过SPI总线控制CC1101芯片完成射频芯片初始化，读取射频接收数据和数据的发送功能。

3 电能表无线组网络

无线自组网主要由智能电能和集中器组成，智能电能和集中器上都具有微功率无线通讯模块，所有的数据都是通过无线数据通道完成的。电能表安装于每户家庭，故节点在空间上处于分散状态，相互之间存在着一定的通讯距离，受节点间的距离以及楼宇的阻碍的影响，节点间的信号传输收到限制。系统中每个设备都是一个网络节点，而集中器是电能表抄表无线自组网系统中的中心节点，是电能表的数据传输目的节点，而作为分支节点的无线电能表之间不进行数据交换，所以集中器需要建立到所有分之节点的路由。当集中器和电表的距离在无线模块的通讯范围内，则它们可以直接通讯；当超过通讯范围则采用多跳的方式通过路由节点进行转发通讯。

同时无线自组网络上层具有GPRS网络，用于将集中器采集的电能数据传输至主站服务器，从而完成电网电能表数据的采集。

4 自组网系统路由协议的设计

系统采用了按需路由协议AODV协议，其借用了DSR中路由发现和路由维护的基础程序，及DSDV的逐跳路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制，以DSDV为基础，结合DSR中的按需路由思想并加以改进。它不仅采用逐跳转发的分组方式，而且加入了组播路由协议扩展。该协议可以实现移动终端之间动态的、自发的路由，使移动终端快速获得通向目标终端的路由，同时又不用维护多余的路由信息，并且还能对断链的拓扑网络的变化做出快速的反应，非常适用于电能表抄表的环境。

路由建立可分为三个阶段：路由准备阶段一级路由节点建立阶段、高级路由节点建立阶段。

路由准备阶段：待所有节点全部上电后，由中心节点发出“路由准备”命令，同时设置延时等待节点准备就绪；分支节点收到“路由准备”的建立帧后，定时启动广播Hello帧。当某节点收到其邻居节点的“Hello”帧后，通过相关算法计算信号强度，当两节点间信号强度大于Emin时，则认为它们之间能够进行可靠的数据传输，故当前节点认可该邻居节点，将该邻居节点加入其邻居节点表里。分支节点通过广播的方式来寻找其周围可靠的邻居节点的过程，也就等同于为数据通信选择了稳定的中继节点，为建立下一步路由做好了准备。如图3所示。

一级路由节点建立阶段：当分支准备就绪后，由中心节点依照地址表的顺序，依次向分支节点发送“点名帧”，用以寻找中心节点的单跳节点，并对分支节点的回复报文进行解析，将可靠的节点加入一级路由节点。中心节点通过网络向所有分支节点发出“点名帧”，分支节点收到“点名帧”后，将自身节点ID和目的节点ID对比，若不同，则将该数据包丢弃，不进行转发；若相同，则节点发送“点名回复帧”到中心节点。中心节点收到分支节点的“点名回复帧”后，经过计算分支节点的信号强度，确定两节点之间若能够进行可靠的数据传输，则将该节点加入到中心节点的一级节点，继续点名下一个分支节点。中心节点向同一节点发送“点名帧”的上限为4次，超过上限次数则跳过该节点。如图4所示。

高级路由节点建立阶段：中心节点发送“路由发现帧”，该帧通过网络逐跳传播来寻找目的节点。

分支节点接收到“路由发现帧”后，通过对帧数据中的帧识别码和源路由信息的分析，有以下三种处理状态。

（1）若该节点最近收到过相同的识别帧，则放弃对该帧后续的帧处理，不进行转播。

（2）若该节点首次收到到该“路由发现帧”，提取该帧的源路由信息。查看源路由中的最后一个路由节点，若在当前节点的“邻居节点表”中，则将该节点的ID添加到“路由发现帧”的源路由部分，更新帧信息后，该节点转播新的“路由发现帧”。若前一节点不在该节点的“邻居节点表"中，则放弃该数据帧的处理，不进行转发。

（3）若当前节点ID与目的节点ID相同，则节点回复“路由确认帧”至中心节点。“路由确认帧”中包含了具有当前节点ID的源路由表，源路由表构成了确认帧返回的反向路径。如图5所示。

5 总结

该微功率无线自组网智能电能表具有集成度高、结构简单、成本低、功耗低的特点，满足了电能智能化管理的要求，其微功率自组网的无线通讯功能有效的弥补了低压电力线载波通讯的不足，因此能够在未来需求繁多的智能电网应用市场中占据一席之地。

参考文献

[1]葛肇隆.微功率无线抄表系统的设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2015.

[2]刘磊，张琪，关英杰.居民微功率无线抄表应用技术方案[J].华北电力技术，2011（05）：37-40.

[3]刘成耀.基于无线自组网的热计量自动抄表系统的研究[D].长沙：中南大学，2013.