農(nóng)村地區(qū)供水管網(wǎng)自組網(wǎng)無線通信方法研究

李曉琴，賈燕南，李 珊，楊彭衛(wèi)，李江華

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

0 引 言

供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)設(shè)備相對于水廠其他自動監(jiān)控部分來說，有著很大的差異和特殊性，通常管網(wǎng)監(jiān)測點距離水廠較遠、在室外安裝、運行環(huán)境惡劣，組網(wǎng)通常采用無線通信方式。組網(wǎng)通信是管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，決定了底層的壓力、流量等感知數(shù)據(jù)是否能實時上傳，常用的通信方式包括使用GPRS或4G通信模塊、NB-IOT、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

（1）使用GPRS 或4G 通信模塊。當前已經(jīng)有很多管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)使用GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù)）模塊或4G 模塊進行組網(wǎng)通信，每個監(jiān)測節(jié)點都需要配置一個流量卡，并且每個月產(chǎn)生固定的通信費用。這種通信方式往往比較方便獲得、信號穩(wěn)定、傳輸速率高可達到115 kb/s，但需要定期繳納一定的通信費用［1］。

在一些靠近末梢用戶的管線監(jiān)測點，可以利用周邊的供電條件和設(shè)備房屋條件（事實上協(xié)調(diào)安裝的實施難度大）進行安裝。而在主干管網(wǎng)分叉點附近，反而由于住戶少，供電和設(shè)備安裝難度極大。通常需要在監(jiān)測點附近建立一個防護設(shè)施，并且要從電網(wǎng)中專門拉線供電，或者使用大面積的太陽能板配合大容量電池進行供電支持。單個監(jiān)測點的設(shè)備及實施成本非常高。

（2）使用NB-IOT 組網(wǎng)通信。近些年，由于NB-IOT 通信技術(shù)的興起到流行，一些儀器儀表都可以支持NB-IOT。而這個通信解決方案也是管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以利用的技術(shù)。

相對于GPRS 等可以支持監(jiān)測點長鏈接發(fā)送數(shù)據(jù)，NB-IOT則是基于短鏈接方式提交數(shù)據(jù)。并且在功耗上也比GPRS 低。在極低的數(shù)據(jù)發(fā)送頻度上（如一天發(fā)送一次數(shù)據(jù)），NB-IOT 可以配合電池實現(xiàn)多年持續(xù)運行。這個機制非常適用用水戶水表數(shù)據(jù)上傳。

而供水管網(wǎng)監(jiān)控往往要求實時上傳數(shù)據(jù)（比如每分鐘采集一次數(shù)據(jù)），才能更好地分析管網(wǎng)監(jiān)控點瞬時變化情況和掌握運行狀況，這種情況NB-IOT 的優(yōu)勢就不存在，雖然NB-IOT 比GPRS 聯(lián)網(wǎng)峰值功率低，對比分析如圖1［2］，但也達到200 mA 這個電流級別，從供電角度還是需要和GPRS 同樣的機制才能有效運行。

圖1 NB-IOT和GPRS功耗比對圖

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），是一種廉價、具有通信、計算能力的微小傳感器節(jié)點，通過無線方式連接形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)［3-5］。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀年代末期，引起了世界范圍內(nèi)廣泛的關(guān)注，歐美等發(fā)達國家相繼啟動了多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃。美國自然科學基金委員會、國防部、國家實驗室、能源部和各大高校等多渠道投入資金開展項目研究［6-11］。同時，各大IT 公司包括IBM、Intel|、Honeywell、Nokia 等也致力于醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域應(yīng)用的研究。其他很多國家的研究機構(gòu)也加入了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。迄今為止，己經(jīng)開發(fā)出了一些實際可用的傳感器節(jié)點，Mica 系列節(jié)點、Intel mote 以及傳感器操作系統(tǒng)MANTIS、Tinyos等［12，13］。

在國內(nèi)，中國科學院微系統(tǒng)所、電子所、計算所、自動化所等研究機構(gòu)較早開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究，中科院北京計算所開發(fā)了GAINS［14］系列傳感器節(jié)點。國內(nèi)許多重點大學如清華大學、哈爾濱工程大學、北京郵電大學、國防科技大學、西北工業(yè)大學等院校也都積極地開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究［15］。

最早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用230 MHz 頻段（超短波）無線電臺進行通信，但是這種方式的系統(tǒng)容易受外界信號干擾，而且存在通信速率低、誤碼率較高、信號覆蓋范圍有限的問題。電臺有效通信距離短，一般20 W 的電臺有效通訊距離只有20 km，遇到較高的障礙物，通訊距離還會縮短，數(shù)據(jù)傳送速率也較?。?6］。超長距離的發(fā)送需要大功率發(fā)射，因此需要提供大功率電源，這一特性決定了數(shù)傳電臺的應(yīng)用只能限定在一定的區(qū)域范圍內(nèi)。

（4）無線RF433/315 傳輸。是管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)一種比較好的方式，一類是采用中間基站方式將多個點連接起來通信，比無線電臺通信穩(wěn)定、覆蓋范圍廣，而且低功耗、低成本，通過基站接力方式可以實現(xiàn)一定范圍的數(shù)據(jù)組網(wǎng)。另一類是多跳無線Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，也稱移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）［17］。自組織無線網(wǎng)是一種沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施（沒有固定路由和固定基站）網(wǎng)絡(luò)，無基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)［18，19］，終端節(jié)點帶有無線通信收發(fā)裝置，形成多跳、臨時性無中心的網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地位相等。

一般供水工程從水廠到用水戶距離最遠可以達到幾十公里。這么遠的距離，能夠使用的通信手段很有限。對于農(nóng)村地區(qū)尤其是山區(qū)、高寒區(qū)、牧區(qū)等地方，GPRS、4G、NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)受限，經(jīng)常發(fā)生信號中斷的情況，數(shù)據(jù)時有時無，無法保證正常的數(shù)據(jù)組網(wǎng)，而且后期都會有相關(guān)的運行成本，同時存在設(shè)備采集發(fā)送頻度高和低功耗要求的矛盾。如果模型要對管網(wǎng)運行的壓力進行實時的漏損分析，則需要每個監(jiān)測點相關(guān)指標采集和數(shù)據(jù)傳輸頻度也很高，這要求設(shè)備能夠盡可能地不間斷運行，這也使得監(jiān)測節(jié)點不可能低功耗運行。相比較而言，采用自組織無線網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)濟、高效的選擇。

現(xiàn)有的無線組協(xié)議為了能夠適應(yīng)大多數(shù)情景實現(xiàn)復雜，針對農(nóng)村供水管網(wǎng)監(jiān)控距離遠、監(jiān)測點數(shù)量多等特點，難以支持太陽能和電池組合供電，依托周邊電源導致現(xiàn)場安裝實施困難，對設(shè)備要求較高難以支持低端芯片從而導致成本較高，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還需要購買基站接力設(shè)備。因而傳統(tǒng)的路由協(xié)議不能直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計專門適用于自組網(wǎng)的協(xié)議，Mac 協(xié)議和路由協(xié)議都是自組織無線網(wǎng)絡(luò)研究的重點和主要技術(shù)難點［20，21］，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、功耗等性能都依賴所采用的協(xié)議。

1 專有自組網(wǎng)無線通信協(xié)議設(shè)計思路

1.1 專有自組網(wǎng)無線通信協(xié)議實現(xiàn)需求

結(jié)合農(nóng)村管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)協(xié)議監(jiān)測實際情況，對協(xié)議能夠支持的最基本要求進行分析。

（1）監(jiān)測節(jié)點數(shù)分析。根據(jù)調(diào)研分析，大部分農(nóng)村供水工程管網(wǎng)末梢（入村）監(jiān)測點不超過30個，水廠到用水戶最遠端大多不超過30 km。按照末梢-中間枝干管-主干管-水廠中心，分4 級配置監(jiān)測節(jié)點。每一級對上一級監(jiān)測點數(shù)量折半（實際大部分達不到這種高密度），由此節(jié)點數(shù)為30-15-7-3-1，總共56個。

（2）節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)量分析。單個管網(wǎng)監(jiān)測點一般有壓力、流量2 個指標，大多僅壓力1 個指標，加上設(shè)備自身的一些參數(shù)，如電池電壓（1～2個值）、溫度等。總監(jiān)測指標設(shè)計不超過10個，每個指標2 個字節(jié)（2 bytes），每次采集產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包負載不超過20個字節(jié)。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集發(fā)送頻度分析。傳統(tǒng)管網(wǎng)只需要監(jiān)測累計流量，一段時間內(nèi)采集2 個數(shù)據(jù)就可以獲取這個時間段內(nèi)的累計差值。所以，基本上每天采集一次即可。

而基于管網(wǎng)模型分析的監(jiān)測要求就比較高，比如，壓力，在用水高峰根據(jù)用水人數(shù)的變化，不同管網(wǎng)節(jié)點壓力波動就比較大。此時需要分鐘級甚至秒級的壓力變化數(shù)據(jù)。

（4）國內(nèi)對無線通信管理要求。單信道使用。國家要求中心專用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備只能使用單信道，多信道不被允許。而本協(xié)議實現(xiàn)時不需要專門的中心網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

單次發(fā)射不超過1 s。本協(xié)議負載數(shù)據(jù)包不超過20 個字節(jié)，同時也不使用專門的組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（減少了必要的組網(wǎng)數(shù)據(jù)包協(xié)議內(nèi)容），配合使用合適的擴頻因子（比如6），就算使用比較低的空中波特率2 400，單次發(fā)射不會超過1 s。

（5）靈活組網(wǎng)。在一些特殊場合，中心水廠的地理位置不適合做中心節(jié)點。此時，要求在其他位置設(shè)置中心節(jié)點，并且中心節(jié)點可能并不能限定一個。

因此，協(xié)議中任何節(jié)點都可以作為中心節(jié)點，并且通過合適的外圍供電和通信轉(zhuǎn)換配置，使得一個水廠管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)，可以根據(jù)需要設(shè)定多個中心節(jié)點。每個中心節(jié)點可以利用本地的網(wǎng)絡(luò)，進行周邊節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總，并上傳到上位（云端）的農(nóng)村供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 專有自組網(wǎng)無線通信協(xié)議層

專有自組網(wǎng)無線通信協(xié)議由三層組成，自下而上分別為Mac 層、鏈路（Link）層和應(yīng)用（App 或者上位機管理軟件）層，最下面是基于通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）和無線模塊的物理層支持。

Mac層主要定義了數(shù)據(jù)包在兩個相鄰設(shè)備一次發(fā)送或接收的具體格式和要求。

Link 鏈路層以Mac 層為基礎(chǔ)，提供了數(shù)據(jù)包在節(jié)點路由條件下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)要求。鏈路層提供了基于節(jié)點地址的鏈路路徑信息，并且每個節(jié)點在這個層級基于這些鏈路信息，形成數(shù)據(jù)包的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)功能。這樣節(jié)點間能夠通過互相接力方式，達到更遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。中心節(jié)點路由策略位置在Link層之上，路由計算和規(guī)劃都在此支持。

應(yīng)用層，則基于Link層實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用指令和數(shù)據(jù)定義。

本協(xié)議也可以在其他有著和管網(wǎng)監(jiān)測類似運行要求和條件的領(lǐng)域應(yīng)用，在Mac 層和Link 之上根據(jù)業(yè)務(wù)需求定義自己的應(yīng)用層。協(xié)議層次如圖2所示。

圖2 專有自組網(wǎng)無線通信協(xié)議層次圖

1.3 中心鏈路規(guī)劃法

本文研究提出了中心鏈路規(guī)劃法，所有的采集節(jié)點數(shù)據(jù)都向中心節(jié)點匯總。每個節(jié)點都不需要考慮網(wǎng)絡(luò)路由策略，所有的數(shù)據(jù)包路由都由中心節(jié)點決定。即所有的路由策略都由中心節(jié)點來完成，并且這個路由策略不僅可以在設(shè)備芯片中完成，還可以使用上位強計算能力的嵌入設(shè)備或計算機（Personal computer）來完成。采集網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 中心鏈路規(guī)劃法

2 數(shù)據(jù)包定義

本節(jié)基于中心鏈路規(guī)劃法，在不同層級定義數(shù)據(jù)包格式。

2.1 節(jié)點地址

所有節(jié)點地址使用1 字節(jié)無符號整數(shù)，有效范圍0～255，其中0，協(xié)議上設(shè)定為?。╠ummy）節(jié)點，此節(jié)點可以監(jiān)聽周邊的無線信號，但不會做出任何應(yīng)答，255為廣播地址。那么一個同頻網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點數(shù)最大值是254，滿足目前國內(nèi)農(nóng)村供水工程管網(wǎng)監(jiān)測的需要。

2.2 Mac數(shù)據(jù)包格式

Mac 數(shù)據(jù)包只考慮相鄰的兩個節(jié)點（各自都有自身的1 字節(jié)地址）直接通信的數(shù)據(jù)包格式（見表1）。由于通信模塊使用透明傳輸方式，底層的無線頻點、空中波特率、擴頻容錯機制、數(shù)據(jù)校驗（如CRC）和安全性都直接由無線模塊支持，所以，本協(xié)議的Mac 層只需要使用5 個字節(jié)的包頭信息，就可以滿足兩個節(jié)點之間的基礎(chǔ)通信。

表1 Mac數(shù)據(jù)包格式表

2.3 Link數(shù)據(jù)包格式

鏈路層數(shù)據(jù)包基于Mac 層的Data（后續(xù)）數(shù)據(jù)內(nèi)容建立，以Data第0位為起始（Mac包的第5字節(jié)位）（見表2）。

表2 節(jié)點消息包格式表

當Mac 層的數(shù)據(jù)包類型為3-link 時，低4bit 對應(yīng)的鏈路消息包類型如表3。

表3 低4bit對應(yīng)的鏈路消息包類型表

3 消息轉(zhuǎn)發(fā)機制與節(jié)點關(guān)系獲取

3.1 Mac層發(fā)送接收流程

對于Pk Count 計數(shù)，協(xié)議上一層每發(fā)送一個新數(shù)據(jù)包，則做一次累加，當計數(shù)達到255時，下一次計數(shù)變成0。

Mac層支持可靠發(fā)送和非可靠發(fā)送兩種機制。發(fā)送數(shù)據(jù)包時，可以設(shè)定發(fā)送嘗試次數(shù)，在超過發(fā)送次數(shù)之后，沒有收到應(yīng)答，可以認為發(fā)送失敗。接收端接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)Target address 判斷是否需要處理，如果發(fā)現(xiàn)Target address 是自身地址或者是廣播地址，進行處理。

（1）根據(jù)包類型Mac pack type，判斷是否需要應(yīng)答，如果需要則生成一個應(yīng)答類型的包，Data_len=0，并進行應(yīng)答發(fā)送。

（2）提交給上一層協(xié)議進行處理。

（3）對于包類型=1 查找周邊類型的情況，則Mac 層需要根據(jù)自身的地址，計算應(yīng)答延遲時間，以避免發(fā)送者周邊多個節(jié)點同時應(yīng)答嘗試沖突。并且每個節(jié)點Mac 層需要建立一個周邊節(jié)點地址表，定時發(fā)送查找周邊指令進行更新。

Mac 層具體實現(xiàn)流程包括發(fā)送數(shù)據(jù)包（如圖4）、接收數(shù)據(jù)包（如圖5）。

圖4 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程圖

圖5 接收數(shù)據(jù)包流程圖

Mac層還需要實現(xiàn)周邊節(jié)點發(fā)現(xiàn)更新。①更新周期。每個節(jié)點Mac 層需要定時發(fā)出查找周邊數(shù)據(jù)包。更新周期可以由協(xié)議參數(shù)來設(shè)定。對于管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)來說，更新周期可以設(shè)定為一天一次甚至更長時間。②新加入節(jié)點或剛啟動節(jié)點。對于新加入或剛通電啟動的節(jié)點，則可以立即發(fā)送查找周邊數(shù)據(jù)包，這樣可以盡快使自己獲取周邊的節(jié)點情況。③節(jié)點響應(yīng)查找周邊節(jié)點，流程如圖6。

圖6 節(jié)點響應(yīng)查找周邊節(jié)點流程

3.2 Link層消息轉(zhuǎn)發(fā)策略

鏈路層消息轉(zhuǎn)發(fā)策略是本協(xié)議的核心，節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到另一個節(jié)點時，鏈路層在數(shù)據(jù)包前加入起始節(jié)點地址-中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的地址-目標節(jié)點地址列表。

當中間節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，查看自己在數(shù)據(jù)包鏈路中的位置，定位下一個節(jié)點地址（或者最終接收者地址）。如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)包需要轉(zhuǎn)發(fā)到下一個地址，則生成Mac 層需要的數(shù)據(jù)并推給Mac 進行發(fā)送處理。鏈路層轉(zhuǎn)發(fā)包括起始節(jié)點發(fā)送消息和中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)/接收過程，見圖7。

圖7 中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)/接收流程圖

（1）起始節(jié)點發(fā)送消息。起始節(jié)點發(fā)送消息時，需要提供自身起始節(jié)點地址、目標地址、中間經(jīng)過的轉(zhuǎn)發(fā)地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包（有長度限制）。調(diào)用Mac 層發(fā)送接口，Mac 層的目標地址是鏈路的下一個節(jié)點地址。

（2）中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)/接收過程。中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點Mac層收到并解析消息包之后，采用協(xié)議棧反向調(diào)用鏈路層的接收處理，判斷自身在鏈路中的位置，如果自身是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，則查找下一個節(jié)點地址，如果自身是目標節(jié)點，則返回Mac 層處理給予應(yīng)答。

3.3 節(jié)點關(guān)系獲取

基于鏈路消息轉(zhuǎn)發(fā)，鏈路層有專門獲取其他節(jié)點的周邊節(jié)點地址的信息包。中心節(jié)點可以定時發(fā)起節(jié)點關(guān)系獲取和更新，并在自身建立所有節(jié)點之間周邊節(jié)點關(guān)系表（見表4）。中心節(jié)點可以從中心開始，通過鏈路層的轉(zhuǎn)發(fā)機制，逐層向外獲取周邊節(jié)點地址，以此為基礎(chǔ)獲取所有節(jié)點的關(guān)系表。中心節(jié)點可以以最短路徑訪問任意一個節(jié)點。

在鏈路層，雖然能夠支持通過鏈路消息指令，獲取網(wǎng)絡(luò)中另一個節(jié)點的周邊節(jié)點列表，但鏈路層并不對其他節(jié)點的周邊節(jié)點信息做任何存儲和后續(xù)處理。相關(guān)API預(yù)留給應(yīng)用層或上位機管理軟件使用。

節(jié)點關(guān)系獲取/更新過程，以表4節(jié)點關(guān)系表為例，進行說明。

表4 節(jié)點關(guān)系表

（1）節(jié)點關(guān)系獲取由中心節(jié)點開始，中心節(jié)點1查找自身節(jié)點Mac 層定時更新的周邊節(jié)點列表2、3，并返回給上位機管理軟件。

（2）上位機管理軟件根據(jù)中心節(jié)點的周邊節(jié)點地址2、3，按順序發(fā)送對應(yīng)節(jié)點的周邊節(jié)點查詢數(shù)據(jù)包（link_tp=2 和link_tp=3）。由于2，3 為直接的周邊節(jié)點，不需要通過中間轉(zhuǎn)發(fā)即可實現(xiàn)。

（3）中心節(jié)點繼續(xù)查找節(jié)點4的周邊節(jié)點，此時需要上位機管理軟件根據(jù)已有的節(jié)點關(guān)系表，選擇鏈路。很明顯，節(jié)點4的鏈路可以有1-2-4、1-3-4 兩種選擇。上位機管理軟件只需要選擇其中一個即可。此時，鏈路層自動生成帶鏈路信息的周邊節(jié)點獲取數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到達節(jié)點4，節(jié)點4 的鏈路層收到數(shù)據(jù)包之后，獲取本地的周邊節(jié)點數(shù)據(jù)，形成應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并且使用相同的鏈路返回。

（4）繼續(xù)上面（2）、（3）過程，經(jīng)過一定的時間，就可以完整建立或更新節(jié)點關(guān)系表。

一般來說，一個供水工程所有監(jiān)測節(jié)點安裝完備之后，所有的節(jié)點地址都已經(jīng)確定。中心節(jié)點可以預(yù)先設(shè)定組網(wǎng)內(nèi)部的全部地址信息。如果節(jié)點關(guān)系表建立完成，則可以和全部的節(jié)點信息進行比較。如果發(fā)現(xiàn)有一些節(jié)點沒有在關(guān)系表中，則說明這些節(jié)點由于一些故障原因而無法到達，由此，中心節(jié)點應(yīng)該產(chǎn)生故障報警。

3.4 中心路由統(tǒng)一管理

中心發(fā)起的數(shù)據(jù)包自帶鏈路信息，目標節(jié)點或鏈路中的中間節(jié)點可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的鏈路信息做轉(zhuǎn)發(fā)或應(yīng)答，中心節(jié)點通過節(jié)點關(guān)系表，實現(xiàn)統(tǒng)一路由管理。

中心路由可以選擇每個節(jié)點到達的鏈路，并且在運行過程中，根據(jù)實際的丟包情況，進行鏈路切換、重新嘗試等復雜的路由策略。由于無線信號受地形等因素影響，節(jié)點間的周邊節(jié)點關(guān)系并不一定符合地理位置的遠近。

4 自組網(wǎng)無線通信協(xié)議的優(yōu)點

（1）單字節(jié)地址和小數(shù)據(jù)包。單個字節(jié)（byte）扣除0 和255兩個特殊值，可以為一個網(wǎng)絡(luò)提供254個設(shè)備地址，遠遠滿足以上分析的單個管網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點需要。同時，每次監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)負載不超過20 字節(jié)，配合協(xié)議要求的數(shù)據(jù)，單個數(shù)據(jù)包可以不超過50 字節(jié)。協(xié)議可以輕松運行在低端8 位單片機上，16位或32位中高端單片機實現(xiàn)就更沒有壓力，可以降低設(shè)備研發(fā)成本，同時運行更加可靠。

（2）滿足國內(nèi)無線通信管理要求。中心路由可以選擇每個節(jié)點到達的鏈路，并且在運行過程中，根據(jù)實際的丟包情況，進行鏈路切換、重新嘗試等復雜的路由策略，從而實現(xiàn)自組網(wǎng)無線通信。國家要求中心節(jié)點專用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備只能使用單信道，本協(xié)議實現(xiàn)時不需要專門的中心網(wǎng)關(guān)設(shè)備。單次發(fā)射不超過1 s。本協(xié)議負載數(shù)據(jù)包不超過50 個字節(jié)，同時也不使用專門的組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（減少了必要的組網(wǎng)數(shù)據(jù)包協(xié)議內(nèi)容），配合使用合適的擴頻因子（比如6），就算使用比較低的空中波特率2 400 B/s，單次發(fā)射不會超過1 s。

（3）應(yīng)用范圍廣，能夠支持當前已有點對點無線技術(shù)和模塊。通過利用現(xiàn)有的點對點無線技術(shù)和模塊，可以使得監(jiān)測節(jié)點的實現(xiàn)更加靈活，同時降低研發(fā)和材料成本。此外，利用先進的無線技術(shù)和對應(yīng)的模塊可以減少底層協(xié)議實現(xiàn)的復雜度，在容錯能力、安全性等方面快速獲得基礎(chǔ)支持。

5 結(jié) 語

針對農(nóng)村供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)的特點和需求，基于中心鏈路規(guī)劃法，提出了一種專有自組網(wǎng)無線通信協(xié)議，基于此協(xié)議的硬件設(shè)備能夠低功耗運行，只需要小體積電池和小型太陽能板就可以有效運行，現(xiàn)場安裝不需要依賴周邊電源。節(jié)點關(guān)系表和中心路由統(tǒng)一管理策略實現(xiàn)了中心節(jié)點可以以最短路徑訪問任意一個節(jié)點，最終達到組網(wǎng)不需要中間基站，在合法合規(guī)前提下實現(xiàn)穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟的管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)和傳輸。