CN106604344B - 一种基于rpl的用电信息系统及其组网和通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于RPL的用电信息系统及其组网和通信方法，通过双层网络的设计以及RPL路由技术的应用，减少了网络中的通信量，提高网络效率；减少了节点维护的路由表和邻居表规模，可以实现大规模组网。所述方法包括：在每个表箱内直接指定路由节点和备选路由节点，并读取表箱中每个电表的电表地址；路由节点根据接收到的组网消息DIO包含的rank值，选择rank值最小的路由节点为自己的最优父节点，并回复DAO消息以加入主干网，并在加入后由父节点向路由节点分配子网ID；路由节点与表箱内的子节点组成星形子网，并由路由节点为表箱内子节点分配节点ID；最后根据需要进行电表数值的抄读。

Description

一种基于RPL的用电信息系统及其组网和通信方法
技术领域
本发明涉及用电信息系统领域，并且更具体地，涉及一种基于RPL的用电信息系统及其组网和通信方法。
背景技术
随着智能电网在全国的深入推广，用电信息采集系统作为智能用电电力服务体系中的基础系统，保证电网安全运行，实现有序用电，电力管理对数据采集和传输的手段要求越来越高。由于电力行业终端用户数量庞大，现场环境复杂，采集数据量日益增加，对数据通信网络的要求越来越高。无线传感器网络在智能电网电能信息采集系统中作为其他组网方式的有效补充获得了广泛应用，可实现物联网透明传输、无缝互联、即插即用的全IP端到端的解决方案。
现有的用电信息采集系统包括主站控制中心、远程通信网络、集中器、本地通信网络和采集终端。IPv6存在庞大的地址空间，且可实现无状态地址自动分配等功能，在用电信息采集系统中嵌入IPv6技术是智能电网发展的必然趋势，同时也是市场的强烈需求。若在用电信息采集网络中引入距离矢量路由协议RPL路由技术，可实现基于RPL路由技术的用电信息采集网络与互联网之间的相互连通，为解决节点数量众多、地址管理困难等问题提供了理论基础。
发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提出了一种基于距离矢量路由协议RPL的用电信息系统的组网和通信方法，包括：
步骤1，在每个表箱内直接指定路由节点和备选路由节点，并读取表箱中每个电表的电表地址；
步骤2，路由节点根据接收到的组网消息DIO包含的rank值，选择rank值最小的路由节点为自己的最优父节点，并回复DAO消息以加入主干网，并在加入后由父节点向路由节点分配子网ID；
步骤3，路由节点与表箱内的子节点组成星形子网，并由路由节点为表箱内子节点分配节点ID；
步骤4，根据需要进行电表数值的抄读。
优选地，所述路由节点和备选路由节点置于表箱内的物理拓扑中心。
优选地，所述子节点为电表上安插的分布接入单元DAU。
优选地，所述电表地址由电表EUI-64bites长地址通过哈希函数映射而来。
优选地，所述DIO消息由网关或已经加入主干网的路由节点发出，且DIO消息和DAO消息中包含的标志位Flags值为1。
优选地，所述rank值的计算方法为：rank＝a*LOI+b*Rssi+c*Deep+d*RR，其中LOI为链路质量、Rssi为信号强度、Deep为网络深度、RR为应答率，a，b，c，d为权重因子且取值范围为[0，1]。
优选地，在步骤2中，网关或路由节点以最大射频功率发射组网消息。
优选地，在步骤3中，路由节点调整射频发射功率，使通信范围仅限于表箱内。
优选地，所述路由节点为表箱内子节点分配节点ID的方法为：
路由节点广播路由请求消息RREQ，跳数设置为1；
子节点发送路由回复消息RREP；
路由节点接收到RREP后，经过短暂时延t，向子节点发送地址配置消息ADCF，为子节点配置节点ID；
路由节点向自己的父节点发送地址确认消息ADACK；以及
网关根据ADACK，将子网ID与电表地址对应存储，并将节点ID进行压缩存储。
优选地，所述电表数值的抄读包括：
将需要抄读的电表的EUI-64bites地址通过哈希映射为32位电表地址，与网关存储的电表地址进行匹配，得到对应的子网ID；
网关下发抄表帧；
路由节点对比抄表帧中包含的子网ID与自己的子网ID，若相同，则通过查找电表地址对应的节点ID，将抄表帧发送至相应的子节点；
子节点完成电表数据的抄读。
根据本发明的另一方面，提出一种基于RPL的用电信息系统，包括：
网关，作为用电信息系统的根节点，用于采集系统的组建和子网ID的分配；
多个路由节点，用于构建主干网，并分配节点ID以及转发网关的指令；
多个子节点，用于构建子网以及读取电表数据；以及
多个电表，安装在表箱内，用于计量电力使用情况。
优选地，所述路由节点置于表箱内的物理拓扑中心。
优选地，所述子节点为电表上安插的分布接入单元DAU。
优选地，每个电表对应一个DAU模块。
本发明通过构建双层的采集网络，可以有效减少网络中的通信数据、减小路由表和邻居表、实现大规模组网。主干网由路由节点构成，子网由路由节点和表箱内的采集节点构成，通过基于RPL路由技术实现用电信息系统的网络分层、路由节点的选择、网络组网、节点入网、地址分配、业务数据采集等技术，将RPL路由协议应用到用电信息系统主干网中，使得用电信息采集过程简便化和更加智能化。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施例的组网和通信方法的流程图；
图2为根据本发明优选实施例的组网构建过程的简化示意图；
图3为根据本发明优选实施例的子节点128位IPv6地址格式；
图4为根据本发明优选实施例的ADCF消息的报文格式；
图5为根据本发明优选实施例的ADCP消息的报文格式；
图6为根据本发明优选实施例的RREQ消息的报文格式；
图7为根据本发明优选实施例的RREP消息的报文格式；以及
图8为根据本发明优选实施例的用电信息系统的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施例的组网和通信方法的流程图。如图1所示，方法10从步骤11开始。在步骤11中，在每个表箱内直接指定路由节点和备选路由节点，并读取表箱中每个电表的电表地址。应当了解的是，每个表箱内可以有多个电表，每个电表都有自己的EUI-64bites长地址，且每个电表上都安插了一个分布接入单元DAU用来读取电表地址、电表数据等，选定路由节点时，也是从表箱中多个DAU单元中选择位于物理拓扑中心的DAU单元，所以路由节点既可以读取电表的数据信息，又可以进行转发数据。优选地，所述路由节点和备选路由节点置于表箱内的物理拓扑中心，电表地址由电表EUI-64bites长地址通过哈希函数映射而来。
在步骤12中，主干网是由网关和多个路由节点组成的一层网络，在构建主干网时，网关或已经加入主干网的路由节点广播组网消息DIO，接收到此消息的路由节点根据DIO消息中的rank值选择自己的最优父节点，并回复给父节点目的地通告消息DAO以加入主干网，父节点向路由节点发送地址配置消息ADCF消息为路由节点分配子网ID。优选地，所述rank值的计算方法为：rank＝a*LOI+b*Rssi+c*Deep+d*RR，其中LOI为链路质量、Rssi为信号强度、Deep为网络深度、RR为应答率，a，b，c，d为权重因子且取值范围为[0，1] ，在主干网的构建过程中，权重因子d的取值为0。应当了解的是，在构建主干网的过程中，网关或路由节点以最大射频功率发射组网消息，以减少网络的深度，同时设置路由节点接收信号的阈值，以保证接收到信号的信息不失真。
主干网构建完毕后，路由节点开始构建子网，由于表箱内子节点的位置固定，且分布集中，因此采用星型网结构构建子网。在构建子网的过程中，路由节点调整射频发射功率，使得通信范围仅限于表箱内，随后路由节点广播路由请求消息RREQ，且跳数设置为1，表示该消息经转发无效，所述RREQ消息的报文格式如图6所示；子节点发送路由回复消息RREP，且所述RREP消息的报文格式如图7所示；路由节点接收到RREP后，经过短暂时延t，向子节点发送地址配置消息ADCF，为子节点配置节点ID，路由节点分配好节点ID后，向自己的父节点发送地址确认消息ADACK，直至网关，最后网关根据主干网中各路由节点发送的ADACK消息，将子网ID与电表地址对应存储，并将节点ID进行压缩存储，以节约存储空间。
在步骤14中，根据需要对某个电表的数据进行抄读时，首先将需要抄读的电表的EUI-64bites地址通过哈希映射为32位电表地址，与网关存储的电表地址进行匹配，得到对应的子网ID，再由网关下发抄表帧，路由节点对比抄表帧中包含的子网ID与自己的子网ID，若相同，则通过查找电表地址对应的节点ID，将抄表帧发送至相应的子节点，通过电表上安插的DAU单元读取电表数据，完成抄读。
图2为根据本发明优选实施例的组网构建过程的简化流程图。其中，路由节点RDAUA加入到主干网后，广播DIO消息，其邻居节点R-DAUB根据接收到报文的rank值判断是否加入网络；路由节点R-DAUB选择加入到主干网中，认定R-DAUA为自己的父节点，并向路由节点R-DAUA发送包含路由前缀消息的DAO消息，路由节点R-DAUA收到路由节点R-DAUB发送DAO消息，向网关，也就是根节点发送入网确认消息DAO，实现网络路由表的更新。
经过短暂时延t，路由节点R-DAUA向路由节点R-DAUB发送地址配置消息ADCF，并将该消息的跳数限制字段设置为1，所述ADCF消息的报文格式如图4所示。路由节点R-DAUB收到ADCF消息后，进入地址配置模式，对路由节点R-DAUB的IPv6地址的子网ID进行配置，所述IPv6地址的地址格式如图3所示，全局路由前缀由网关获取，电表地址由电表EUI-64bites长地址通过哈希映射而成。完成对路由节点R-DAUB的地址配置后，路由节点R-DAUB向父节点R-DAUA发送具有其前缀消息的ADCP信息，所述ADCP消息的报文格式如图5所示。路由节点R-DAUA收到带有路由节点R-DAUB前缀信息的ADCP消息，向根节点发送路由节点R-DAUB地址分配完成确认消息，完成网络中对路由节点R-DAUB的IPv6地址的更新。
节点DAUC主动申请加入网络，父节点为节点R-DAUB。具体过程如下：节点DAUC开启后，在一定时间内未收到来自其他节点发来的DIO消息，因而选择主动发送信息请求消息DIS来进行请求加入网络，路由节点R-DAUB收到来自节点DAUC的请求消息后，其后过程如节点R-DAUB加入网络的过程相同。
图6为RREQ消息的报文格式，其中type为种类字段；J为加入标志Join flag，为多播保留字段；R为修复标志Repairflag，为多播保留字段；G为免费路由回复标志GratuitousRREP flag，用于指示是否向该目标节点IP地址域指定的节点发送一个免费路由回复消息；D为仅允许目的节点回复标志Destination only flag，标志置位则仅允许目的节点回复本条路由请求；U为位置序列号Unknown sequence number，用于指示目标节点序列号未知；Reserved为保留字段，且接收端忽略此字段；Hop Count为跳数，是从发起节点到处理该请求的节点的跳数；RREQ ID为路由请求消息标识；Originator IP Address为发起节点IP地址；Originator Sequence Number为发起节点序列号；TTL SEARCH为环形层次搜索度量阈值；MAN_HOP为最大跳数，在本发明中设置为1。
图7为RREP消息的报文格式，其中R为修复标志Repair flag，用于多播；A为需要确认Acknowledgment required；Prefix Size为前缀长度，这个字段为5个bit(值为0到31)，如果非0，则代表下一跳节点可以作为任何具有相同路由前缀的节点被请求时的目的节点，这个“相同路由前缀”就是Prefix Size定义的前缀；Hop Count为从发起节点到目标节点的跳数，对多播路由请求，这个跳数则是从发起节点到多播节点组里产生RREP信息的节点的跳数；Destination IP Address为目标节点的IP地址；Destination Sequence Number为和这条路由联系在一起的目标序列号；Originator IP Address为发起RREQ消息的节点的IP地址，路由将被提供给这个节点；Lifetime为路由生命时间，单位为毫秒，在这段时间内，接收RREP的节点会认为这条路由是有效的。
图8为根据本发明优选实施例的用电信息系统的结构示意图。如图8所示，用电信息系统800主要由一个网关600，若干个路由节点以及若干个子节点组成。其中，路由节点A和子节点101、103、104、105、106组成了第一子网，且子节点105为备选路由节点，图8中圆形虚线所画出的范围即为路由节点A在组成子网时射频发射功率的辐射范围，保证每一个子节点都能接收到路由节点A发出的组网信息等。以此类推，用电信息系统800中主要有五个子网，每个子网中都包括一个路由节点，一个备选路由节点，以及四个子节点，同时备选路由节点在不使用路由功能的时候为普通子节点，可以进行对相应电表进行抄读的操作。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据它们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (12)

1.一种基于距离矢量路由协议RPL的用电信息系统的组网和通信方法，包括：
步骤1，在每个表箱内直接指定路由节点和备选路由节点，并读取表箱中每个电表的电表地址；
步骤2，路由节点根据接收到的组网消息DIO包含的rank值，选择rank值最小的路由节点为自己的最优父节点，并回复目的地通告消息DAO以加入主干网，并在加入后由父节点向路由节点分配子网ID，其中，所述rank值的计算方法为：rank＝a*LOI+b*Rssi+c*Deep+d*RR，其中LOI为链路质量、Rssi为信号强度、Deep为网络深度、RR为应答率，a，b，c，d为权重因子且取值范围为[0，1]；
步骤3，路由节点与表箱内的子节点组成星形子网，并由路由节点为表箱内子节点分配节点ID；以及
步骤4，根据需要进行电表数值的抄读。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由节点和备选路由节点置于表箱内的物理拓扑中心。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子节点为电表上安插的分布接入单元DAU。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电表地址由电表EUI-64bites长地址通过哈希函数映射而来。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述消息DIO由网关或已经加入主干网的路由节点发出，且所述消息DIO和所述消息DAO中包含的标志位Flags值为1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，网关或路由节点以最大射频功率发射组网消息。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，路由节点调整射频发射功率，使通信范围仅限于表箱内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由节点为表箱内子节点分配节点ID的方法为：
路由节点广播路由请求消息RREQ，跳数设置为1；
子节点发送路由回复消息RREP；
路由节点接收到RREP后，经过短暂时延t，向子节点发送地址配置消息ADCF，为子节点配置节点ID；
路由节点向自己的父节点发送地址确认消息ADACK；以及
网关根据ADACK，将子网ID与电表地址对应存储，并将节点ID进行压缩存储。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电表数值的抄读包括：
将需要抄读的电表的EUI-64bites地址通过哈希映射为32位电表地址，与网关存储的电表地址进行匹配，得到对应的子网ID；
网关下发抄表帧；
路由节点对比抄表帧中包含的子网ID与自己的子网ID，若相同，则通过查找电表地址对应的节点ID，将抄表帧发送至相应的子节点；
子节点完成电表数据的抄读。
10.一种基于RPL的用电信息系统，包括：
网关，作为用电信息系统的根节点，用于采集系统的组建和子网ID的分配；
多个路由节点，其置于表箱内的物理拓扑中心，用于构建主干网，并分配节点ID以及转发网关的指令；
多个子节点，用于构建子网以及读取电表数据；以及
多个电表，安装在表箱内，用于计量电力使用情况；
所述网关、多个路由节点、多个子节点和多个电表利用RPL协议组网包括：
步骤1，在每个表箱内直接指定路由节点和备选路由节点，并读取表箱中每个电表的电表地址；
步骤2，路由节点根据接收到的组网消息DIO包含的rank值，选择rank值最小的路由节点为自己的最优父节点，并回复目的地通告消息DAO以加入主干网，并在加入后由父节点向路由节点分配子网ID，其中，所述rank值的计算方法为：rank＝a*LOI+b*Rssi+c*Deep+d*RR，其中LOI为链路质量、Rssi为信号强度、Deep为网络深度、RR为应答率，a，b，c，d为权重因子且取值范围为[0，1]；
步骤3，路由节点与表箱内的子节点组成星形子网，并由路由节点为表箱内子节点分配节点ID；以及
步骤4，根据需要进行电表数值的抄读。
11.根据权利要求10所述的用电信息系统，其特征在于，所述子节点为电表上安插的分布接入单元DAU。
12.根据权利要求10所述的用电信息系统，其特征在于，每个电表对应一个DAU模块。
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