深圳市华旭科技开发有限公司 汤天顺
摘要：本文描述了一类具有三层结构二级路由的无线远程抄表系统。该系统利用通信网络管理、簇状和网状网络结构、路由表等概念，构造无线表具网（第３层）和无线集中器网（第２层）。在符合国家信息产业部无线电管理局[2005]423号文件“微功耗（短距离）无线电设备技术要求”的硬件环境中，在不显著增加电池供电设备功耗的情况下，使无线远程抄表系统通信可靠性、安全性、适用性得到大幅提高。现场试验表明已达到实用要求。
关键词：无线远程抄表，网络结构，动态路由，无线表具网，无线集中器网。
一、综述
计量仪表的远程抄表问题，不仅是我国各城市供水公司、燃气公司、供电公司长期以来十分关注的问题，也是世界发达国家十分关注的问题。国际上近年为此相继出台一些相关标准，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、企业现代化的要求，计量到户政策的实施，居民居住安全性方面的考虑等因素，为我国计量仪表的远程抄表提供了推动力。目前，几乎每一个有影响的大城市都有一定数量的各式各样的远程抄表系统在试运行，从模拟式到数字式，从低压电力载波到RS-485总线、M-bus总线，从有线到无线，从单工到半双工，从点对点到点对多，从主从到路由，等等，几乎应有尽有。但是，似乎结果都不十分理想。分线制的模拟信号远传抄表系统已遭到实质性淘汰，留下许多此类系统，成为“烂尾楼”。它是早期远传抄表幼稚和勇敢的见证。有线远程抄表系统，无论RS-485还是M-bus，对于这类短距离低速率数字通信来说，应该是游刃有余的。但困难不是技术层面而是来自管理层面：施工难度和线路质量要求超出管理者期许；许多进户的通信线受到有意无意破坏，使抄收成功率降低。一段时间，人们一起看好无线远程抄表。试用结果却多少令人有些失望：信道不稳定，抄收成功率达不到标准，甚至不能满足用户最低需求。已有颇有影响的用户具文把它排除在主要选项之外。
无线远程抄表系统工程安装简单，日常维护量小，安装维护成本较有线远程抄表系统低，对用户具有很大吸引力，许多人认为无线远程抄表系统是计量仪表抄表问题的最终解决方案。
但无线远程抄表遇到的困难也是双重的。
首先，电池供电与无线通信设备需较大的接收和发送电流有矛盾。电池供电的计量仪表，电池使用寿命理应与计量仪表的额定寿命相当，即气表５年，水表６年。有人甚至认为电池使用寿命应比仪表额定寿命多１年，即气表５＋１年，水表６＋１年。达到这一要求是不容易的，它比IEEE802.15.4标准（Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layey (PHY) Specification for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)）和Zigbee联盟推荐协议提出的目标更高、更严格。因而，不加分析、不作选择地套用这些协议是不合适的。
其次，无线发送功率有限制，应达到国家无线电委员会[2005]243号文件“微功耗（短距离）无线电设备技术要求”，这与户表希望较大范围集中信息有矛盾。在目前技术条件下，一定发送功率对应一定的可靠通信距离，这是物理法则。刻意追求不现实的通信距离必然会损害通信的可靠和稳定。这是很多试验系统归于失败的重要原因。
解决问题的出路在于寻找有效的通信方法。本文描述一种基于改进通信方法的无线远程抄表系统，它根据户用计量仪表安装和分布特点，运用Zigbee联盟和IEEE802.15.4标准推荐的拓扑结构和通信网络管理方法，组成具有三层结构二级路由功能的网络，有效地解决了无线信息出户及信息集中的可靠性和稳定性问题。
二、系统基本结构
严格说，无线计量仪表远程抄表与BS EN13757:2002和 IEEE802.15.4标准所定义的服务对象低速无线个人网 (LR-WPAN)是不同的，它有以下几个特点：
１）每块表需要传输的数据量很小，每次仅数十至数百字节。
２）每块表通信发生频率很低，每月仅数次。
３）表与表之间，表与集中器之间距离不能保证一定在10m左右，有时远大于这个距离。
４）表具位置基本固定。不会自动撤出和自动接入。
５）表与表之间，表与集中器之间通信障碍较多，而且会有变动。
６）表具多为电池供电,电池使用寿命要求5-7年。
７）民用设备，成本要求苛刻。
根据通信对象的特殊性，本文介绍的无线远程抄表系统由三层网络组成，分别称作表具网、集中器网和城域网，见图１。
图1 广域无线远程抄表系统结构框图
表具网是集中器网的子系统，是户用计量数据出户的关键。它通常由一个集中器和若干计量仪表组成，集中器和计量仪表都具有无线数据传输能力。集中器是表具网的网络通信协调器（Coordinator）和集中器网访问的入口(Access Point)。系统主要目标是解决通信的常期稳定性和电池使用寿命问题。
集中器网是城域网的子系统，是数据大面积集中的关键。它通常由一个主集中器和若干表具网集中器组成，主集中器是网络通信协调器和城域网访问的入口。主集中器和表具网集中器对电源消耗和设备成本的要求都可以适当放宽，例如用市电供电或大容量电池供电。本级系统主要目标是在受限技术条件下解决数据大面积集中和命令大范围下达的可靠性和常期稳定性问题。
城域网是连结各相关信息中心和各主集中器的网络。这一层可以是手工的，如使用抄表机抄各主集中器的数据，也可以是自动的，如GPRS，PSTN 等。当城域网采用自动方式时，手工抄表应仍是其必要的备用方式。
表具网和集中器网的物理基础是自建的专用通信网络，城域网的物理基础是已有的公共信息网络，如电信网，internet等。城域网的可靠性和长期稳定性应该是有保证的，本文仅对表具网和集中器网描述其结构和网络通信管理。
三、关于表具网
表具网是位于户内的计量表具与位于户外建筑物内的集中器组成的通信网络。计量表具一般电池供电，集中器可用大容量电池或稳压电源供电。集中器在表具网内是通信秩序协调者和命令的发布或转发者，在网外是集中器网的一个全功能设备。表具网组网时应遵循以下规则：
１）一般安装时表具应能与集中器直接建立通信，通过转发与集中器建立通信的表具数应控制在30%以下。
２）通过转发与集中器建立通信的每块表具，与集中器通信的转发路径应在2条或2条以上。
３）网中每块表具承担转发任务数不能大于1。
４）安装时与集中器直接建立通信的表具，必须有1条或1条以上备用通信路径。
５）每一链路中，与集中器直接通信的表具的RSSI必须大于某一水平。
６）网中有一个且只有一个集中器。
７）相邻的表具网使用不同载波频率。
表具网典型结构见图２，信息结构见图３。
集中器是表具网通信的发起者，用信令（beacon）和命令管理通信。网中表具只有接收到相关信令才能发送应答信息，只有接收到相关命令才能发送要求的数据和请求。集中器与通信目标的通信路径信息以路由表形式存储在集中器里。路由表是网络信息链路状况的先验知识，不是一成不变的，特别是对于微功率无线通信。在以下情况，集中器应发起建立新路由表的过程：
１）设备安装后，第一次建立网络通信链路时；
２）网络内有表具按路由表无法建立通信时；
３）撤出和接入表具时；
４）路由表使用一定时间后。
集中器使用路由表时，应根据表具轮流中继的原则选择路径，从而使表具耗电趋于均衡。
图2 表具网物理结构
图3 表具网信息结构
如此构造的表具网，具有以下特点：
1)在具有网络通信优点前提下，仅使表具耗电较耗电最小的星型结构略有增加，且各表具耗电较均衡，有效地延长了电池寿命。
2)集中器与表具间一般具有3条可选的信道，通信可靠，使抄收成功率有实质性提高。
3)扩大了相同技术条件下的可靠通信范围，通信半径可达原通信半径的1.5-1.8倍。
4)不增加表具的硬件复杂性，从而也不增加表具成本。
四、关于集中器网
集中器网是主集中器与表具网集中器组成的通信网络。与表具网不同，表具网集中器和主集中器在电源消耗和成本上都可放宽。住集中器在集中器网内是通信秩序协调者和命令的发布或转发者，在网外是城域网的一个全功能设备。集中器网组网时遵循以下规则：
1)集中器网使用频率应与其所属的表具网使用频率不同。
2)在最大访问时间限制下，容许“多级跳”。
3)每一表具网集中器至少应有二条访问路径。
4)主要访问路径上相连的集中器应位于可靠通信距离之内。否则可使用中继器中继。
5)集中器网可用簇状（Cluster Tree）和网状{MESH}网络结构。
6)集中器网中设备的撤出和接入须经主集中器确认。
集中器网的物理结构参考图4，相应信息结构参考图5。
图4 集中器物理结构
主集中器是集中器网通信协调者，它用信令和命令管理网络通信秩序，防止冲突。主集中器存储访问网中表具网集中器的路由表及其所管辖的表具网中已安装的表具表。当需要访问表具时，主集中器仅向相关集中器发出命令，然后由相关集中器访问表具并返回相应信息。集中器在集中器网中只有接收到相关信令才能发送应答信息，只有接收到相关命令才能发送要求的数据和请求。与表具网一样，路由表是网络信息链路状况的先验知识，不是一成不变的。在以下情况，主集中器应发起建立新路由表的过程：
５）设备安装后，第一次建立网络通信链路时；
６）网络内有集中器按已有路由表无法建立通信时；
７）撤出已注册集中器或接入新表具网时；
８）路由表使用一定时间后。
图5 集中器网信息结构
集中器网不一定是无线的，在条件许可时，也可采用有线通信方式。在敷设线路难度不大，线路保护不存在隐患，线路维护方便的情况下，有线集中器网所具有的稳定、可靠、反应速度快等优点，是不容忽视的。
五、结语
远程抄表的第一个难题是信息出户，第二是信息集中。在我国现有条件下，远程抄表寄希望于无线技术。目前无线远程抄表系统的诸多难题，解决出路在于运用网络通信方法，探索有效、简单、可靠、实用、可行的方案。这几乎是用户的一致共识。本文描述的表具网和集中器网，在现场试验中已得到较为满意效果。当然，试验时间还不够长，试验现场状况也不足以代表全部，试验的多样性还不够，还有足够的研究空间。
