摘 要：讨论了无线抄表系统的架构，提出了一个可用于无线抄表的路由算法，并在网络仿真工具Omnet++环境下实现了对该路由协议的模拟仿真，结果表明该协议能够满足无线抄表系统数据传输路径选择的需要。
关键词：低压无线抄表；路由协议；Omnet++仿真
在电力系统的信息化过程中，户表数据的自动抄送具有十分重要的意义。所谓无线抄表就是指采用无线通信技术和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据[1]。目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。综观国内外无线抄表产品,除2006年法国公司在东欧建立的首个大规模抄表系统外,还没有其他系统可以大规模应用于居民小区,大部分只是前期试点,部分产品还没有应用在实际生活中[2]。抄表系统对采集数据的可靠性有很高的要求。近距离无线网络在无线抄表系统中有很多的应用，目前我国低压电力无线抄表系统的研究，还处于起步阶段。
无线抄表系统不但要完成新的数据采集，而且还要保证数据的可靠姓。所以通信过程的可靠性和有效性是整个抄表系统的重要质量指标，关系到系统能否可靠运行。本文分析了无线抄表系统的结构，提出了一个可用于表计数据传输的路由，并对该路由进行了仿真。
1 低压电力无线抄表系统的整体结构
某公司致力于电能计量自动化系统的开发，该公司现有的电力载波远程集抄系统有两种方案：（1）全载波方案：系统整体由后台软件、集中器和表计几个部分组成，集中器下行与表计通信，通道方式主要采用低压电力载波进行数据传输。（2）半载波方案：系统整体由后台软件、集中器、现场采集终端和表计几个部分组成，集中器下行与采集终端通信，通道方式采用低压电力载波方式，集中器上行与后台通信，通道方式包括：GPRS/CDMA、电话线、GSM等多种方式。采集终端和表计通信通道采用RS485方式。
如果在集中器、现场采集终端、表计中分别集成无线数据收发模块，将电表数据采集的电力载波方案改成无线通道方案。与两种电力载波集抄系统相应的无线抄表系统则可以被称为全无线抄表系统和半无线抄表系统。通常在一个小区中使用星型网络即可形成一个由中心节点（集中器）和多个终端节点（表计或现场采集终端）组成的无线抄表网络。考虑到小区内有的终端节点离中心节点较远，数据传输可靠性低，因此采用网状网络。多个终端节点组成无线自组网络，将采集到的数据发送到中心节点中，由中心节点实现数据存储和远程传送。低压电力无线抄表系统结构见图1。
2 用于无线抄表数据传输的路由协议
与传统无线网络不同的是，电力抄表系统中的数据采集节点的位置是固定的，因此不具有移动性。节点的电源供电可以通过在用户仪表中的电源模块供电实现，能量因素并不是网络的制约因素。因此如何选择高效的传输路径和提高数据的可靠传输至关重要。
近距离无线网络在无线抄表系统中有很多的应用，如蓝牙、Zigbee、Wavenis和Wi-Fi[3-5]等，各种网络协议在实际应用中都有自己的优缺点。目前国际上各种协议标准还没有形成具有优势和可靠的解决方案，各种方案都处于完善和推广阶段。本文针对无线抄表传输数据的要求，设计了数据采集路由协议。
协议描述如下：
由于无线通信距离和穿墙性因素的制约，集中器并不能与所有的数据采集模块直接通信，如何使集中器智能、高效、准确地抄取所有用户表的信息是本节主要解决的问题。因为路由协议直接决定数据如何中继和路由，而路径的选取直接影响表的工作时间，进而影响功耗。数据源端到集中器端的路径最短、最便捷以及网络结构越简单越好是无线抄表路由协议的设计思想。
本路由协议包括两个过程：数据源端到集中器端最小跳数路由的建立和数据的传输。每个节点中保存NeighborLow和NeighborHigh 2个数组，NeighborLow用来记录跳数比本节点跳数小1的邻居节点集合，NeighborHigh用来记录跳数比本节点跳数大1的邻居节点集合。在数据包转发之前，先根据邻居节点的跳数信息来选择合适的转发节点。
最小跳数路由的建立过程如下：
（1）中心节点及各终端节点布置好后，自检进入等待状态。中心节点产生一个数据包interest，interest包中定义一个最小跳数段MHC（Minimum Hops Count）用来保存节点到中心的最小跳数信息，其中的MHC=O。
（2）由中心节点发起建立各个终端节点到中心节点的最小跳数场并保存邻居节点信息。中心节点将interest包注入到网络中，interest包采用洪泛的方式在网络中传播，来建立最小跳数场。当节点B收到来自A的interest包后，将B的MHC和interest包中的MHC进行比较，然后进行如下处理：
①如果interest包中的MHC+1小于B的MHC，则清空B的NeighborLow和NeighborHihg，将interest包中MHC+1作为自己的MHC，并将A加入自己的NeighborLow，然后转②；如果interest包中的MHC+1等于B的MHC。则直接将A加入自己的NeighborLow，转②；如果interest包中的MHC-1等于B的MHC，则将A加入自己的NeihgborHigh，然后丢弃该interest包；如果interest包中的MHC-1大于B的MHC，则直接丢弃该interest包。
②B向其邻居节点广播新消息，消息当前MHC为B的新MHC值。
最小跳数场建立的流程如图2所示。
图2中，MHCm表示任意节点B到中心节点的最小跳数信息。
经过以上过程，每个终端节点都获得了到中心节点的最小跳数，并保存了一个跳数=当前节点跳数-1的NeighborLow节点集和一个跳数=当前跳数+1的NeighborHigh节点集。这样每个节点都建立了到中心节点的多条最小跳路径，为数据包的路由传送做好了准备。当中心节点要求终端节点传送数据时，它首先检查缓存中是否存在终端节点到中心节点的有效路由。如果存在,则直接使用,否则启动路由建立过程。
3 路由协议建模及仿真
通过仿真试验建立无线网络的模型，验证该协议在路径选择上的有效性。仿真工具采用Omnet++3.3p1，网络的覆盖面积为500 m×600 m网络的节点数目为9个，节点的最大传输距离为200m。假设节点的分布相对均匀，建立如下模型：系统中node[0]为中心节点，其他节点为数据源节点。在仿真中，中心通过多次interest消息建立路径，为每个终端节点建立最短路径。
图3为无线网络的拓扑结构，图4中，最小节点向每个终端节点发出interest包，此包在网络中以洪泛的方式传送。图 5为各节点到达中心节点的最小跳数。由图5可以看出，在不考虑节点失效的情况下该算法能够正确地获取各终端到中心节点的最小跳数。各节点获取最小跳数路由，使得数据可以沿着最优路径快速高效地传送到中心节点中。
本文介绍了无线抄表系统的结构，给出了一个可用于无线抄表的基于最小跳数的路由协议算法，并对该算法进行了仿真。仿真证明该协议可以很好地选择数据传输的最小路径，但对路由协议的维护和数据传输的可靠性还有待进一步的研究。
参考文献
[1] 周志洪．基于嵌入式网络技术的网络化自动抄表系统的研究[D]．杭州：浙江大学信息科学与工程学院，2005．
[2] 陈立万，汪宋良．无线抄表系统低功耗控制电路的设计与实现．合肥工业大学学报（自然科学版），2008（8）：1198-1203．
[3] 王毅．无线局域网802·11探讨[J]．电子产品世界，2002，
(12): 11-12．
[4] 陈林星，金纯，杨吉云．IEEE802·11无线局域网[M]．北京：电子工业出版社，2004：20-100.
[5] 彭刚，曹元大，钟伟军，等.无线传感器网络基于数据汇聚的路由 [J]．计算机工程与应用，2005，41(12)：12-14．