基于Wi-SUN 技術(shù)的智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瞿 祎，朱 虹，張新華，牛延謀，趙 強(qiáng)

（華立科技股份有限公司，浙江 杭州 310023）

Wi-SUN 是一種新型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可保證 每個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體都能與相鄰元件組織建立平等的通信傳輸關(guān)系，這也是誘導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境出現(xiàn)非常規(guī)遠(yuǎn)距離跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象的主要原因。通常情況下，通信距離與通信速率很難在同一時(shí)間達(dá)到完全良好的應(yīng)用狀態(tài)，然而由于Wi-SUN 技術(shù)的存在，Mesh 組網(wǎng)可主動(dòng)承擔(dān)跳頻處理過(guò)程中的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)參量，不僅能夠彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)與區(qū)域布置節(jié)點(diǎn)之間的互補(bǔ)關(guān)系，也可較好控制網(wǎng)絡(luò)總體布建所需的運(yùn)營(yíng)成本[1-2]。

智能電表是重要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一，在智能配電網(wǎng)環(huán)境中承擔(dān)著數(shù)據(jù)計(jì)量、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。隨著智能電網(wǎng)的日益復(fù)雜化，通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)跳頻誤碼率水平也在不斷提高。為解決此問題，傳統(tǒng)基帶處理系統(tǒng)利用Matlab6.5/Simulink 軟件計(jì)算無(wú)碰撞區(qū)域內(nèi)的跳頻碼具體數(shù)值，然而由于節(jié)點(diǎn)負(fù)載壓力的存在，該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力很難達(dá)到理想化水平。基于此引入Wi-SUN 技術(shù)，在外圍跳頻電路的支持下，設(shè)計(jì)一種新型的智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)，再通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，突出該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由外圍跳頻電路、內(nèi)部通信寄存器、數(shù)字頻率合成模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 外圍跳頻電路

外圍跳頻電路作為智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)，由電表繼電器、ULN2003 感應(yīng)芯片、電表跳頻設(shè)備、R 電阻等多個(gè)元件共同組成，可為系統(tǒng)提供運(yùn)行所需的全部消耗電子，并可將暫存電子量轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)期存儲(chǔ)的應(yīng)用形式[3-4]。當(dāng)電容開關(guān)的連接形式發(fā)生改變時(shí)，接入電路中的電阻數(shù)值量水平也會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)若電表繼電器出現(xiàn)過(guò)量運(yùn)行的狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致智能電表出現(xiàn)無(wú)線跳頻的通信行為。由于ULN2003 感應(yīng)芯片的存在，電表跳頻設(shè)備所承擔(dān)的物理電壓數(shù)值能夠長(zhǎng)期處于額定數(shù)值水平之下，不僅能夠?qū)﹄姳碓幘W(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信誤碼率數(shù)值進(jìn)行較好控制，也可避免傳輸電壓過(guò)量對(duì)外圍跳頻電路造成電流擊穿損傷[5-6]。

外圍跳頻電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 外圍跳頻電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 內(nèi)部通信寄存器

內(nèi)部通信寄存器可控制智能電表無(wú)線跳頻作用的變動(dòng)形式，在不違反Wi-SUN 技術(shù)權(quán)限的前提下，寄存器設(shè)備所覆蓋的傳輸范圍越廣，通信系統(tǒng)對(duì)于跳頻行為的控制能力也就越強(qiáng)。一般情況下，內(nèi)部通信寄存器由DAC 設(shè)備、FRGA 設(shè)備、DDS設(shè)備、ADC 設(shè)備等多個(gè)結(jié)構(gòu)共同組成。其中，DAC 設(shè)備具備較強(qiáng)的電量感知能力，能夠較好記錄智能電表無(wú)線跳頻行為在單位時(shí)間內(nèi)的變化情況。FRGA設(shè)備可與DDS設(shè)備直接相連，在調(diào)試智能電表耗電行為的同時(shí)，將暫存電子量傳輸至下級(jí)設(shè)備應(yīng)用元件之中[7-8]。ADC設(shè)備負(fù)載內(nèi)部通信寄存器的跳頻信號(hào)接收請(qǐng)求，可在保證DDS 設(shè)備信號(hào)發(fā)射能力的同時(shí)，對(duì)智能跳頻碼所存在的物理數(shù)值空間進(jìn)行有效控制與協(xié)調(diào)。

內(nèi)部通信寄存器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 內(nèi)部通信寄存器結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)字頻率合成模塊

數(shù)字頻率合成模塊發(fā)射端使用Wi-SUN 源碼主機(jī)作為跳頻處理器設(shè)備，接收端則采用AD9914 元件作為解跳轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)，可將Update、SCLK 等多個(gè)波段的傳輸信號(hào)統(tǒng)一到同一頻率波譜上，再通過(guò)高精度時(shí)鐘芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表跳頻信號(hào)的有效控制與模擬[9-10]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線跳頻通信信號(hào)的合理轉(zhuǎn)換，數(shù)字頻率合成模塊輸入端與輸出端設(shè)備之間同時(shí)存在多種傳輸連接信道，一方面可通過(guò)Wi-SUN 判處的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表處理能力的調(diào)試，另一方面也可在帶通濾波器元件的作用下，將跳頻通信信號(hào)調(diào)試至最佳傳輸狀態(tài)。

2 無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)字頻率合成模塊結(jié)構(gòu)圖

在Wi-SUN 技術(shù)的支持下，按照ALOHA/CSMA協(xié)議連接、智能跳頻碼確定、數(shù)字通信頻率周期計(jì)算的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于Wi-SUN 技術(shù)智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 ALOHA/CSMA協(xié)議

ALOHA/CSMA 協(xié)議的應(yīng)用意義在于其首次在無(wú)線跳頻信道中注入了數(shù)據(jù)包廣播思想，且在應(yīng)用的過(guò)程中，電表節(jié)點(diǎn)之間能夠長(zhǎng)久保存點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳輸連接關(guān)系。由于交換網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍相對(duì)較為廣泛，因此該協(xié)議可有效解決無(wú)線跳頻通信誤碼率過(guò)高的問題。通過(guò)這種公共協(xié)議廣播的形式，一個(gè)智能電表節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送跳頻通信信號(hào)，且此處理過(guò)程并不需要與無(wú)線傳輸信道保持同步性應(yīng)用配合關(guān)系[11-12]。ALOHA/CSMA 協(xié)議主要作用于外圍跳頻電路、內(nèi)部通信寄存器、數(shù)字頻率合成模塊等多個(gè)硬件應(yīng)用設(shè)備之間，能夠直接順承Wi-SUN 技術(shù)的調(diào)試指令，并可在此基礎(chǔ)上，對(duì)待傳輸?shù)奶l通信信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的加工與處理。ALOHA/CSMA 協(xié)議連接作用原理如表1 所示。其節(jié)點(diǎn)作用功能包括無(wú)線跳頻通信信號(hào)的傳輸與發(fā)送，傳輸連接關(guān)系為在順承Wi-SUN 技術(shù)調(diào)試指令的同時(shí)，對(duì)待傳輸跳頻通信信號(hào)進(jìn)行加工與處理。

表1 ALOHA/CSMA協(xié)議連接作用原理

2.2 智能跳頻碼

智能跳頻碼能夠限定智能電表無(wú)線跳頻信號(hào)的通信傳輸能力，一般情況下，前者的數(shù)值水平越大，后者的通信傳輸能力也就越強(qiáng)。在不考慮其他干擾條件的情況下，智能跳頻碼計(jì)算結(jié)果僅受到跳頻量指標(biāo)、Wi-SUN 處置權(quán)限兩項(xiàng)物理系數(shù)的直接影響[13-14]。跳頻量指標(biāo)最小值可表示為e0，最大值可表示為en，n代表單次信號(hào)傳輸行為所能承載的跳頻處理系數(shù)值，一般情況下，最大值、最小值之間的數(shù)值空間越大，最終所得的智能跳頻碼計(jì)算值結(jié)果也就越大。Wi-SUN 處置權(quán)限常表示為w，出于對(duì)無(wú)線跳頻通信信號(hào)的妥善調(diào)試，在智能跳頻碼計(jì)算過(guò)程中，常取w的最大表現(xiàn)數(shù)值結(jié)果wmax。聯(lián)立上述物理量，可將智能跳頻碼計(jì)算結(jié)果表示為：

2.3 數(shù)字通信頻率周期

數(shù)字通信頻率周期計(jì)算是基于Wi-SUN 技術(shù)智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末尾處理環(huán)節(jié)，能夠聯(lián)合智能跳頻碼，對(duì)智能電表中的信號(hào)傳輸能力進(jìn)行集中限定，從而抑制跳頻誤碼率對(duì)信息文件傳輸造成的負(fù)面影響。在一個(gè)數(shù)字通信頻率周期中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)所承載的通信信息總量越大，智能電表主機(jī)兩端的無(wú)線跳頻作用能力也就越強(qiáng)，反之則越弱[15-16]。規(guī)定ξ1、ξ2分別代表兩個(gè)不同的智能電表無(wú)線跳頻電感系數(shù)，且在一個(gè)周期性信號(hào)傳輸時(shí)長(zhǎng)中，ξ1≠ξ2的物理關(guān)系恒成立[17-18]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將系統(tǒng)數(shù)字通信頻率周期計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，λ代表跳頻電壓的電感作用系數(shù)，f代表既定的跳頻作用指標(biāo)值，代表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)所承載的通信信息均值量。至此，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在Wi-SUN 技術(shù)的支持下，完成智能電表的無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)用性檢測(cè)

為驗(yàn)證基于Wi-SUN 技術(shù)智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以圖4所示智能電表設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)元件，分別將其與實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組控制主機(jī)相連，其中實(shí)驗(yàn)主機(jī)搭載基于Wi-SUN 技術(shù)智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載傳統(tǒng)基帶處理系統(tǒng)。

圖4 智能電表設(shè)備

DBR 指標(biāo)、DPR 指標(biāo)均能反映無(wú)線跳頻通信的誤碼率水平，一般情況下，DBR 指標(biāo)、DPR 指標(biāo)數(shù)值越小，無(wú)線跳頻通信的誤碼率水平也就越高，反之則越低。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組指標(biāo)的具體數(shù)值情況。

表2 DBR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

分析表2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組DBR指標(biāo)保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了71.5%。對(duì)照組DBR 指標(biāo)則始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到40.7%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了30.8%。

分析表3 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組DPR 指標(biāo)始終保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了80.3%。對(duì)照組DPR 指標(biāo)則保持先上升、再下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到41.9%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了38.4%。

表3 DPR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

綜上可知，應(yīng)用基于Wi-SUN 技術(shù)智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)后，DBR 指標(biāo)、DPR 指標(biāo)均出現(xiàn)了明顯上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，能夠較好抑制無(wú)線跳頻通信誤碼率的攀升變化行為。

4 結(jié)束語(yǔ)

在Wi-SUN 技術(shù)的作用下，智能電表無(wú)線跳頻通信系統(tǒng)利用外圍跳頻電路、內(nèi)部通信寄存器等多個(gè)硬件應(yīng)用設(shè)備，計(jì)算數(shù)字通信頻率周期的具體數(shù)值結(jié)果，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)ALOHA/CSMA 協(xié)議的穩(wěn)定連接，也可以對(duì)智能跳頻碼變化狀態(tài)進(jìn)行較好的控制。從實(shí)用性角度來(lái)看，DBR 指標(biāo)數(shù)值與DPR 指標(biāo)數(shù)值的提升，能夠降低無(wú)線跳頻通信的誤碼率水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)電表通信數(shù)據(jù)的無(wú)誤傳輸。