CN105357729B - 一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法，该系统包括：至少一个智能电表通过JRoute微功率无线自组网与控制所述至少一个智能电表的集中器相连；至少一个所述集中器与控制所述至少一个集中器的主站相连；其中，所述智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间的数据传输带宽为预设带宽值。相比于现有技术，本发明利用窄带进行数据传输，减少了信道间的干扰。同时减少通信重试时间，增加网络通信成功率，从而提高通信效率。此外，本发明采用JRoute微功率无线自组网中最佳路由方法以及优化深度优先搜索方法进行最佳路径的计算和选择，保证网络通畅，提高了通信效率。

Description

一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法。

背景技术

微功率无线是一种低成本低功耗小体积，适用于短距离信息传输的无线通信方式。而自组网是一种通信方法，它可以让一组包含同样发送和接收类型的装置，组成一个网络，每个装置间都可以进行通信，并支持转发，让两个无法直接通信的装置可以借助其他装置的转发进行数据通信。微功率无线自组网是目前在短距离、多节点(装置)的通信环境中使用最多的通信方法。其优势在于：可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个通信网络，并让网络中的任意两个节点都可以通过多跳的方式进行通信；各个节点都兼备独立路由和主机功能，设备之间地位是平等的，具有很强的鲁棒性和抗毁性；装置低成本低功耗小体积适合嵌入到其他的设备中，无需任何其他通信设置的配合，容易扩展应用。

微功率自组网技术因具有上述优势，被广泛的应用在智能电表的集抄系统上。然而国家批准计量用无线通信的频道间隔为200kHz，在智能电表集抄系统中的微功率无线自组网占用带宽为50-60kHz。

相对于200kHz频道间隔，微功率无线自组网的带宽较大且与其他频段之间的间隔较小，容易被周围其他的微功率无线自组网产品所干扰。且当信道间隔不大，通信带宽不小的情况下，不可能做到真正的隔离，所以信道间也存在干扰。此外，节点在网络中一旦受到信号干扰，就会降低自身的通信效率，而这种变化是不可预测的，具体的体现就是拓扑结构中代表节点的顶点增加或消失，代表无线信道的有向边增加或消失，节点通信的路径就会变得不固定，导致无法正常通信。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决现有的应用在智能电表集抄系统的微功率无线自组网带宽过宽，且容易被干扰导致无法通信的问题。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法。

依据本发明的第一方面，提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统，包括：

至少一个智能电表通过JRoute微功率无线自组网与控制所述至少一个智能电表的集中器相连；

至少一个所述集中器与控制所述至少一个集中器的主站相连；

其中，所述智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间的数据传输带宽为预设带宽值。

优选地，所述预设带宽值为20kHz。

依据本发明的第二方面，提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄方法，其特征在于，应用在上述电表集抄系统上；

其中，所述智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间采用JRoute微功率无线自组网中最佳路由方法以及优化的深度优先搜索方法进行目标节点的寻找；

所述优化的深度优先搜索方法，在深度优先搜索方法基础上，还包括：对无线网络路径的权重进行设置。

优选地，所述对无线网络路径的权重进行设置包括：

在所有搜索的路径中，将路径跳数大于预设跳数的路径排除；

在所述所有搜索的路径中，将路径信号强度的误码率为0的最小信号强度作为基准信号强度，令信号强度低于所述基准信号强度的路径的排序降低；

计算关键节点，存储不包含所述关键节点的路径作为备用路径。

优选地，所述对无线网络路径的权重进行设置，还包括：根据节点上电的运行时间以及节点稳定通信的时间设置所述无线网络路径的权重。

优选地，所述根据网络中节点上电的运行时间以及节点稳定通信的时间设置所述无线网络路径的权重，包括：

所述节点上电的运行时间将通过自定义协议由主节点读取；

所述节点稳定通信的时间为所述节点组网时的时间：

若所述节点发生通信异常，则所述节点稳定通信的时间被置为0；

若所述节点再次被网络发现或者通信正常，则开始计算所述节点稳定通信的时间。

优选地，所述优化的深度优先搜索方法，还包括，根据所述无线网络路径的权重判定链路质量；

链路质量的计算如下：

LQ＝[K₁×K₂×…K_n]×[min(LR₁,LR₂,…LR_n)/R]×min(T₁,T₂,…T_n)

其中，LQ为所述链路质量；K₁,K₂,…K_n为所述关键节点的系数，为通过所述关键节点的路径数与路径总数的比值；LR₁,LR₂,…LR_n为所述节点的信号强度值；min(LR₁,LR₂,…LR_n)为路径中所有节点最低信号强度的值；R为常数，为当所述路径信号强度的误码率为0的临界值；T₁,T₂,…T_n为所述节点稳定通信的时间与所述节点上电的运行时间的比值；min(T₁,T₂,…T_n)为取路径中所述节点稳定通信的时间最小的值。

优选地，所述优化的深度优先搜索方法，还包括：

存储所述JRoute微功率无线自组网中两个节点中的若干条路径；

根据所述链路质量选择更优路径并迭代替换所述存储的两个节点中的若干条路径。

优选地，所述优化的深度优先搜索方法，还包括网络优化设置，其中，

当所述路径中节点的数据返回率低于90％时，根据预设的周期在闲时让所述JRoute微功率无线自组网重新组网并重新计算路由；

根据预设的周期在闲时让所述JRoute微功率无线自组网重新维护。

优选地，所述最佳路由方法，包括：

将路由表分散存储在每个节点中；

所述节点的路由表确定所述节点的若干条路由；

当任意一个所述节点通信失败时，将当前路径更换为不通过该节点的路径。

本发明提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法。该系统基于JRoute微功率无线自组网通过窄带进行数据传输。相比于现有技术，本发明在保证通信速率的前提下，只利用20kHz的窄带即实现了各个节点之间的数据传输，减少了信道间的干扰。同时减少通信重试时间，增加网络通信成功率，从而提高通信效率，在个别极端干扰的情况下，仍能保持通信正常。此外，该系统采用JRoute微功率无线自组网中最佳路由方法以及优化深度优先搜索方法进行最佳路径的计算和选择，保证网络通畅，提高了通信效率。特别在集抄系统对通信的要求越来越高的今天，提高通信效率将有助于国网集抄系统的发展，方便实行阶梯电价、实时监控，有助于给输配电网络提供有力的数据支撑，优化调配电力资源。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明第一实施例提供的一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统示意图；

图2是本发明第一实施例提供的在频带中现有技术带宽与本实施例带宽对比示意图；

图3是本发明第二实施例提供的优化深度优先搜索方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统，包括：智能电表、集中器以及主站。

其中，多个智能电表通过JRoute微功率无线自组网与控制多个智能电表的集中器相连；多个集中器通过GPRS、专网或光纤等方式与控制多个集中器的主站相连。

需要说明的是，JRoute微功率无线自组网为本发明自主研发的微功率无线通信方法。该通信方法包含了网络搜索算法、自组网算法、信号传输方式，其中信号传输方式特别的采用了窄带的通信方法。智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间在JRoute微功率无线自组网的窄带中进行数据传输，数据传输的带宽为预设带宽值。优选地，预设带宽值为20kHz。

通信带宽的大小，会决定信道容量，也就是信道在单位时间内可以传输的最大信号量，表示信道的传输能力。

按照奈奎斯特准则(Nyquist stability criterion)，如果间隔为π/ω(ω＝2πf),通过理想通信信道传输的窄脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。因此，对于二进制数据信号的最大数据传输速率R_max与通信信道带宽B(单位Hz)的关系如下式所示：

R_max＝2B(bit/s) (1)

其中，R_max为最大数据传输速率；B为通信信道带宽。

对于二进制数据，若信道带宽B＝2f＝20,000Hz，即为20kHz时，最大数据传输速率R_max为40,000bps。

也就是在当信道的带宽B为20kHz时,该信道的没有码间干扰时的最高传输速率为2B,也即系统的最高频带利用率(单位频带内的传输速率)为40kHz。而当发送端是传输码率超过了该基带信道的带宽的2倍时，将出现码间干扰。

目前，按国家电网的规定，通信模块传输速率为10kbps，按奈奎斯特准则计算，通信带宽B需要不小于5kHz。考虑到信道功率分布，为保证此通信速率，预设带宽值优选设定为20kHz。

另外，在窄带通信时，还需要考虑其能量分布、信噪比等参数，无疑，窄带通信的硬件设计因能量分布原因会难于宽带通信的设计，一般来说为保证通信质量，功率99％以上需要落在信道内，也就是说，临道功率需要在-60dB以下。

香农定理(Shannon's theorem)指出：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率R_max与信道带宽B、信噪比S/N的关系如下式所示：

R_max＝B*log₂(1+S/N) (2)

其中，R_max为数据传输速率；B为信道带宽；S/N为信噪比。

根据(2)式，当预设带宽值为20kHz，信噪比为12(12为一般通信类设备设计要求值)时，如下式所示：

R_max＝B*log₂(1+S/N)＝20,000*log₂(1+12)

＝20,000*3.7004 (3)

＝74kbps

也就是说，按硬件限制，当预设带宽值为20kHz、信噪比设计为12时，通信速率可以达到74kbps，完全能满足国家电网用电信息集抄系统中关于微功率无线通信速率10kbps的要求。

本实施例提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法。该系统中智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间采用JRoute微功率无线自组网方法进行数据传输，传输的带宽优选为20kHz。如图2所示，目前，国家无委批准计量用无线通信频段是470-510MHz，频道间隔为200kHz。现有的微功率无线自组网占用的带宽为50-60kHz，其中以50kHz为例，实际上频道间最小间隔为150kHz，是带宽的3倍。本实施例预设带宽值为20kHz，实际上频道间最小间隔为180kHz，是带宽的9倍。相比于现有技术，本实施例提供的系统可以在满足无线通信速率的前提下将传输带宽有效降低，降低自身受到干扰的概率，使信道间隔更大，间隔的带宽倍数更多，大大减少了信道间的干扰。同时减少通信重试时间，增加网络通信成功率，从而提高通信效率，在个别极端干扰的情况下，仍能保持通信正常。

实施例二

本实施例提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄方法，包括：智能电表、集中器以及主站。集中器与主站之间通过GPRS、专网或光纤等方式相连。智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间采用JRoute微功率无线自组网中最佳路由方法以及优化的深度优先搜索方法进行目标节点的寻找。下面对最佳路由方法以及优化的深度优先搜索方法进行具体说明：

一、优化的深度优先搜索方法

基本的深度优先搜索其特点如图3所示，组网时，沿纵向进行搜索，通过“回环检测”、“回归”、“绕行”防止陷入死循环，快速找到目标节点。先解决通信问题，再优化解决速度问题。这样的方式组网快，所需要的存储空间小，占用的资源也小，故障时的处理也快，整个网络会更加坚强。

其中，搜索的方式在应用中还分为两种，一种是已知所有节点，搜索所有节点来计算路由的初期阶段，一种是现有路由无效或网络命令针对一个陌生节点，需要发起对某一个节点的搜索的。

本实施例提供的JRoute微功率无线自组网在基本的深度优先搜索基础上进行了优化。

首先，对JRoute微功率无线网络的路径权重进行计算设置，包括：

(1)在所有搜索的路径中，将路径跳数大于预设跳数的路径排除。

根据国家电网现在的情况，集中抄表的领域中，网络7跳能够解决绝大多数的距离问题；网络7跳也是比较能够发挥通信优势的，因此，优选地将预设跳数设为7条，网络限制为7跳网络。

当网络搜集了所有节点的网络信息，计算路由时，首先将超过7跳的路由舍弃，节省了计算路由的时间。

当需要搜索某一个点的时候，从主节点开始，根据深度优先的搜索算法，一个一个节点开始搜索，当搜索到第7跳的时候，即使下层还有节点，也认为是搜索到了末端，不继续搜索，从而进行返回操作搜索其他路径，在一定程度上缩短了搜索的时间；

(2)在所有搜索的路径中，将路径信号强度的误码率为0的最小信号强度作为基准信号强度，令信号强度低于基准信号强度的路径的排序降低。

一般的认为跳数越少的路由是优的路由。实际应用中，节点与节点间的信号强度，会影响通信质量，通信质量包含通信速度、丢包率、误码率等。对于每次发送的数据量相对比较大(超过50字节)的网络，信号强度弱，但仍能通信的节点，传输的大数据量中，只要有1个字节出错，就会造成整个数据串不正确而被丢弃，造成通信异常，那么为了保证通信效率，权重中要增加信号强度值。

信号强度值设定是大量实验得出的结果，实验能够找出误码率为0，或接近0的最小信号强度作为基准，低于该基准的将被降低优先级别；

(3)计算关键节点，存储不包含所述关键节点的路径作为备用路径。

关键节点是指多跳路径中都共同通过的节点，当这一节点出现故障时，所有的路径即全部出现故障，关键节点的计算和分配是网络自愈能力的体现。

所有的路径中，所有出现过的节点，都将进行关键节点的计算，计算出通过该节点的路径数与路径总数的比值，数值越大则说明该节点越关键，如果该数值为100％，则说明该节点为绝对关键节点，无法避开对该节点的依赖；如果数值低于100％，则称为次级关键节点，从数值大小排列，依次将节点的路径与下一个节点的路径进行匹配，目的是在比较优的路径中选择出包含不同次级关键节点的不同路径。以此保证当某个次级关键节点故障时，另一条路径和次级关键节点不被影响，仍能继续工作；

(4)根据节点上电的运行时间以及节点稳定通信的时间设置无线网络路径的权重。

节点从上电开始的运行时间，和节点稳定通信的时间作为权重的考虑因素。

节点上电开始的运行时间将通过自定义的协议，由主节点读取。

节点稳定通信的时间是指节点组网时的时间，如果发生通信异常的情况，则该时间将被置0，节点再次被网络发现或者通信正常的情况，再开始计算该时间。

其次，根据上述对于路径权重的计算设置判定链路质量，具体说明如下：

优选地，存储路径为4条，在搜索过程中根据权重计算的更优路径使用迭代替换存储。

对于任意一条路径而言，都是由多个节点间通信构成的，链路质量的评定是按照链路中所有节点间的信号强度、节点运行时间、关键节点的权重得分最低的一条边来确定的。

链路质量的计算如下式所示：

LQ＝[K₁×K₂×…K_n]×[min(LR₁,LR₂,…LR_n)/R]×min(T₁,T₂,…T_n) (4)

其中，LQ为所述链路质量；K₁,K₂,…K_n为所述关键节点的系数，为通过所述关键节点的路径数与路径总数的比值；LR₁,LR₂,…LR_n为所述节点的信号强度值；min(LR₁,LR₂,…LR_n)为路径中所有节点最低信号强度的值；R为常数，为当所述路径信号强度的误码率为0的临界值；T₁,T₂,…T_n为所述节点稳定通信的时间与所述节点上电的运行时间的比值；min(T₁,T₂,…T_n)为取路径中所述节点稳定通信的时间最小的值。

此外，优化的深度优先搜索还包括网络优化(维护)机制。

(1)当节点数据返回率低于90％，设定周期(24小时)在闲时让网络重新组网(搜索)并重新计算路由。

(2)网络维护。设定周期(24小时)在闲时让网络重新维护，维护的方法是由主节点发起查询节点的状态信息，然后依据上述的优化方案进行路由计算，将更优路径使用迭代替换存储。

二、最佳路由方法

与传统的最佳路由方法不同，JRoute系统的路由表分布在各个节点中，而不是全部存在网关中；这样每个节点均只存到下一节点的路径4条，各节点层层接力，跳数最少，最终到达目标节点。其特点如下所述：

(1)路由表分散存储在各节点中，减轻了网关存储资源的压力；

(2)各节点的路由表确定了该节点的若干条路由，优选为4条路由，按权重优化其中一个路由与下一个节点通信。

(3)当任意节点间通信失败时，“当地问题当地解决”，将当前路径更换为不通过该节点的路径，不影响与其它节点的通信。

本实施例提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统及方法。其中，智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间采用JRoute微功率无线自组网中最佳路由方法以及优化的深度优先搜索方法进行目标节点的寻找。相比于现有技术，本实施例提供的JRoute微功率无线自组网可以快速有效的对目标节点进行寻找。其中优化的深度优先搜索方法根据路径的权重判断链路的质量从而快速的选择最优路径，避免路由资源的浪费，提高了通信传输的效率；最佳路由方法中路由表分散在各个节点中，有效的缓解了网关存储的压力，且某一节点通信失败时，绕过该节点选择次优路径，不影响与其他节点的通信，有效的保证了通信质量。

实施例三

本实施例提供了一种基于JRoute微功率无线自组网的使用有线电视广播频段进行数据传输的电表集抄方法。

GYT106-1999《有线电视广播系统技术规范》标准中规定有线电视的频率范围是5-1000MHz，其中5-65MHz为上行频率段，87-1000MHz是下行频段。目前各地实际的下行频率是87-750MHz，比较多是47-550MHz，而每个频道的带宽是8MHz。其频段包含了国家电网用电信息集抄系统的微功率无线自组网规定使用的频段，而由于其带宽是8MHz，如果发生干扰则会互相干扰，造成微功率无线自组网无法正常通信，电视广播信号有间断现象。

虽然无线使用跳频技术来避让干扰，但由于有线电视频段包含整个使用频段，所以无法完全避让。此时发现，有线电视广播的带宽8MHz间隔的信号低谷处属于有线电视信号盲区，此处对其他无线通信影响最小，受干扰程度也最小，应该选择该频点进行无线通信。而该频点如果使用传统的无线宽带通信，则仍然会受影响。

因此智能电表集抄系统在该有线电视广播频带上采用JRoute微功率无线自组网方式进行数据传输。由于其传输速率满足要求，且带宽较窄，可以有效的避让频带内其他信道的干扰，保证通信的质量。

实施例四

本实施例提供了一种优化JRoute微功率无线自组网通信方法。

在第一地区的试点，其网络节点规模达到721个，具有较大的范围以及网络规模；另有第二试点，其网络节点规模为412个，其处于城市中心，有较复杂的建筑结构环境。

最初链路质量权重只考虑节点跳数和信号强度，优化之后增加节点运行时间和关键节点的计算，网络通信率分别增加7.4％和3.6％；同时进一步进行优化，增加存储路径至一共包含4条路径，网络通信率分别增加2.5％和6.0％；增加网络维护机制后，网络通信率(通信成功次数与通信次数的比值)分别增加3.3％和1.9％。最终该区域的网络通信率分别提升至99.5％和98.8％，有效的证明了本实施例提供的优化JRoute微功率无线自组网通信方法可以提高网络通信的质量，可广泛的用于微功率无线自组网通信中。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄方法，其特征在于，应用在基于JRoute微功率无线自组网的电表集抄系统上，所述系统包括：

至少一个智能电表通过JRoute微功率无线自组网与控制所述至少一个智能电表的集中器相连；

至少一个所述集中器与控制所述至少一个集中器的主站相连；

其中，所述智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间的数据传输带宽为预设带宽值；

所述电表集抄方法包括如下步骤：

所述智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间采用JRoute微功率无线自组网中最佳路由方法以及优化的深度优先搜索方法进行目标节点的寻找；

所述优化的深度优先搜索方法，在深度优先搜索方法基础上，还包括：对无线网络路径的权重进行设置；

其中，所述对无线网络路径的权重进行设置包括：

在所有搜索的路径中，将路径跳数大于预设跳数的路径排除；

在所述所有搜索的路径中，将路径信号强度的误码率为0的最小信号强度作为基准信号强度，令信号强度低于所述基准信号强度的路径的排序降低；

计算关键节点，存储不包含所述关键节点的路径作为备用路径；

根据节点上电的运行时间以及节点稳定通信的时间设置所述无线网络路径的权重；

所述优化的深度优先搜索方法，还包括，根据所述无线网络路径的权重判定链路质量；

链路质量的计算如下：

LQ＝[K₁×K₂×…K_n]×[min(LR₁,LR₂,…LR_n)/R]×min(T₁,T₂,…T_n)

其中，LQ为所述链路质量；K₁,K₂,…K_n为所述关键节点的系数，为通过所述关键节点的路径数与路径总数的比值；LR₁,LR₂,…LR_n为所述节点的信号强度值；min(LR₁,LR₂,…LR_n)为路径中所有节点最低信号强度的值；R为常数，为当所述路径信号强度的误码率为0的临界值；T₁,T₂,…T_n为所述节点稳定通信的时间与所述节点上电的运行时间的比值；min(T₁,T₂,…T_n)为取路径中所述节点稳定通信的时间最小的值；

存储所述JRoute微功率无线自组网中两个节点中的若干条路径；

根据所述链路质量选择更优路径并迭代替换所述存储的两个节点中的若干条路径；

所述优化的深度优先搜索方法，还包括：网络优化设置，

其中，当所述路径中节点的数据返回率低于90％时，根据预设的周期在闲时让所述JRoute微功率无线自组网重新组网并重新计算路由；

根据预设的周期在闲时让所述JRoute微功率无线自组网重新维护；

所述最佳路由方法，包括：

将路由表分散存储在每个节点中；

所述节点的路由表确定所述节点的若干条路由；

当任意一个所述节点通信失败时，将当前路径更换为不通过该节点的路径。

2.如权利要求1所述的电表集抄方法，其特征在于，所述根据网络中节点上电的运行时间以及节点稳定通信的时间设置所述无线网络路径的权重，包括：

所述节点上电的运行时间将通过自定义协议由主节点读取；

所述节点稳定通信的时间为所述节点组网时的时间：

若所述节点发生通信异常，则所述节点稳定通信的时间被置为0；

若所述节点再次被网络发现或者通信正常，则开始计算所述节点稳定通信的时间。