CN109949559A - 基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，微功率无线收发模块通过RS485线与智能电表连接，并对智能电表中的用电信息进行采集并进行打包编码处理，然后通过近程通讯网络传输到抄表集中器，抄表集中器对接收到的至少两个微功率无线收发模块不同时段的多个打包数据再次进行打包编码处理后，并在规定的时间内通过远程通讯网络上传到数据中心进行处理；本发明通过对无线传感网络介质访问控制层协议和网络时钟同步机制进行融合，在准确控制网络中节点的协同工作和唤醒周期的基础上，通过改变射频通信模块的工作状态从而来提高整个系统的能量效率。
Description
技术领域：
本发明涉及无线抄表领域，特别是涉及一种基于无线传感网络的微功率抄 表系统及设备。
背景技术：
电力通信网是电网的重要组成部分，是实现电网调度自动化和管理现代化的基础，其中无线抄表技术在其中起到重要作用，无线抄表按照通信方式是否需要 专用频段使用权为依据可分为付费型无线抄表系统和免费型无线抄表系统，付 费型无线抄表系统是采用中国移动、联通、电信等供应商提供的无线数据传输 业务，利用现有网络设施所实现的无线抄表解决方案。该系统性能可靠，自动 化程序高，但若抄表节点全部采用该类通信技术，随着抄表节点的增加，基站 的容量超限，若再因此增加基站等硬件设施，成本高。并且，节点的功耗大， 实时性差，尤其在节假日系统负荷会达到高峰，造成网络与系统阻塞严重，不 能及时收发抄表信息。
免费型无线抄表系统利用短距离无线通信技术，满足抄表系统的低速率数据通信、实施方便、低成本、低功耗等优势所实现的无线抄表解决方案。该系统由 于通信距离短，只有大量增加中心通信节点实现多跳路由，才能实现用户终端 与监控中心的通信联络，无形中增大了系统网络的组建成本。
同时，无线抄表系统中传感器节点本身是不能够实现自动补充能量，节约能源 也仍然是无线传感网络中MAC协议设计所首先要考虑的问题。直到现在，传感 器节点能量供应问题仍然难以得到妥善解决，一直受到广泛的研究与讨论。
无线传感节点能量消耗主要来自三个主要模块处理器模块、传感器模块和无线通信模块。随着模块集成化的提高，处理器模块和传感器模块的功耗已大大降 低。因此，实际上传感器节点的大部分的能量是节点的无线通信模块消耗的。 降低无线通信模块的能耗能够大大增加整个无线传感网络的生存时间。MAC层作 为网络层和物理层的接口控制节点对信道的使用和数据的收发，因此协议的优 劣对于节点能量有效性的影响是非常明显的。能量的有效性，相对于MAC层来 说，就是需要以最小的能量消耗完成数据的收发过程。除了收发有用传输造成 的通信能量消耗之外，还存在着许多的额外消耗能量因素，这些因素都会造成 能量的浪费。主要的传输能量消耗的因素有：
(1)数据冲突
无线网络不同于有线网络，在有线网络中可以监测冲突，而在无线网络中，基 于竞争的协议中不可能完全监测冲突，只能尽量避免冲突的发生。尤其是在节 点密度很大的传感器网络中，冲突的发生更是不可避免，冲突发生后数据就必 须重传，重传数据带来了很大的能量损耗。
(2)空闲侦听
由于传感器节点无法预知将来何时会收到来自其他节点的分组数据，为了保障信息的及时传输，节点要一直保持对信道的监听，对于无线传感网络尤其是事 件触发类的应用，传感器网络大多数时间是没有数据传输的，在这种情况下， 传感器节点很长时间都处于空闲监听的状态，空闲侦听的能耗很大，且这部分 能耗是完全没有必要的。为了减少空闲侦听的能量消耗，在没有数据发送的情 况下应关闭节点的通信模块，使节点处于睡眠状态。这种机制是基于能够预测 未来分组数据到达时间的，但是在基于竞争的协议中，根本无法预知分组数据 的到达时间，因此空闲侦听很难避免，这也加大了节点的能量消耗。
(3)串听
在无线信道中传播的无线信号具有广播特性，节点发送给目的节点的数据通常会被邻居节点收到，因为节点只有在收到完整的帧数据后才能根据地址判断自 己是否为数据的接收方，对于非接收方，接收了多余的数据造成了能量的浪费。 在节点密度很高的无线传感网络中，如果不控制串听，节点能量将会很快被耗 尽。(4)控制信息开销
为了保障协议的正常运行，需要在MAC帧结构的头部加入一些控制信息，这些 控制信息并不携带任何数据信息，只是协议本身的需要，这些控制信息的传输 也增加了节点额外的能量消耗。对于数据分组较小的无线传感网络来说，控制 开销造成的能量损耗占很大的比重，因此减少不必要的协议控制信息将有助于 提高网络的能量有效性。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种对无线传 感网络介质访问控制层协议和网络时钟同步机制进行融合，在准确控制网络中 节点的协同工作和唤醒周期的基础上，通过改变射频通信模块的工作状态从而 来提高整个系统的能量效率的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备。
本发明的技术方案是：一种基于无线传感网络的微功率抄表系统，其特征 是：微功率无线收发模块通过RS485线与智能电表连接，并对智能电表中的用 电信息进行采集并进行打包编码处理，然后通过近程通讯网络在不同时段传输 到抄表集中器，抄表集中器对接收到的至少两个微功率无线收发模块在不同时 段发送的多个打包数据再次进行打包编码处理后，并在规定的时间内通过远程 通讯网络上传到数据中心进行处理，其具体过程如下所示：
步骤一、抄表集中器根据距离的关系与至少两个微功率无线收发模块建立 虚拟簇，且抄表集中器上的汇聚节点与微功率无线收发模块上的感应节点根据 时钟同步机制在规定的时间段开启收发模式，打开串口中断，广播同步控制帧 建立星状网络，实现微功率无线收发模块与抄表集中器的通信；
步骤二、抄表集中器向同虚拟组中的微功率无线收发模块发送抄表信息， 微功率无线收发模块接收到抄表集中器发送的抄表信息，并对智能电表的信息 进行采集并进行一次打包编码处理；
步骤三、微功率无线收发模块上的检测节点对接收到的抄表信息进行判断 检测，通过预测之后数据传输的网络负载量，并依据多信道跳频进行不同数据 传输模式之间的转换，实现微功率无线收发模块向抄表集中器发送一次打包编 码数据；
步骤四、抄表集中器对接收到的一次编码数据进行二次打包编码处理，根 据步骤一中的时钟同步机制，在规定的时间段内实现抄表集中器与数据中心的 连通；
步骤五、抄表集中器把二次打包编码处理的数据通过GPRS传输到数据中心， 数据中心对接收到的数据进行解压，根据其编码得出对应智能电表的信息。
所述不同数据传输模式包括：低负载条件，数据帧的数量不大，使用CSMA/CA 信道接入方式进行数据的传输；高负载条件，数据帧的数量大，使用TDMA方 式进行数据的传输；在高负载条件中出现的低负载条件采用优先时槽的方法进 行传输。
进一步的，所述数据传输网络负载的判断根据抄表集中器发布的点抄模式 信息和集抄模式信息进行确定，点抄模式为低负载条件，集抄模式为高负载条 件；集抄模式为需要周期性的获取所有智能电表的用电量信息；点抄模式为需 要临时性的获取一个智能电表的用电信息。
进一步的，所述时钟同步机制中时钟的同步通过邻域平均法对时钟偏差和 时钟频偏通过双向消息交换来补偿进行实现。
进一步的，所述时钟偏差补偿的具体操作为：a)、周期性侦听/休眠信道， 如果信道是空闲的，在时钟信息传输的范围内，某节点将发送一个请求包到邻 近的节点；
b)、邻近的节点应答并返回时钟信息；
c)、补偿传输延迟；
d)、节点计算出所有节点时钟偏差的平均值；
e)、更新自身的时钟偏差；
f)、广播时钟补偿表，这个表中包含节点地址和时钟偏差补偿；
g)、邻近的节点接收到时钟偏差补偿表并更新自身时钟偏差；
h)、重复以上操作。
进一步的，所述时钟频偏补偿的具体操作为：a)、周期性侦听/休眠信道。 如果信道是空闲的，在时钟信息传输的范围内，某节点将发b)、送一个时钟频 偏的请求包到邻近的节点；
c)、邻近的节点应答并返回时钟频偏；
d)、补偿传输延迟；
e)、节点计算出所有节点时钟频偏的平均值；
f)、更新自身的时钟频偏；
g)、广播时钟补偿表，这个表中包含节点地址和时钟频偏；
h)、邻近的节点接收到时钟补偿表并更新自身时钟频偏；
i)、重复以上操作。
进一步的，在TDMA方式进行数据传输中，通过先听后说机制的竞争机制， 保证在节点进行数据传输前信道的状态以避免信号数据帧由于信道干扰造成的 数据丢失并减少由于数据碰撞而造成的能量损耗；
所述不同数据传输模式之间的转换还依据跨层优化设计，使MAC层能够根 据应用层的不同应用需求而切换MAC层的工作方式以保证不同应用的时延要求。
进一步的，所述根据其编码得出对应智能电表信息的具体表示为：根据抄 表集中器发送的二次打包信息中的编码确定其抄表集中器的位置，然后通过智 能电表产生的编码确定其具体位置；其位置信息为能被地图软件调取的位置信 息文件，并能在地图软件中显示其位置。
一种基于无线传感网络的微功率抄表设备，包括控制管理层、信息发送层 和数据采集层，所述控制管理层为通过远程通信网络对所述信息发送层进行抄 读和管理的数据中心；
所述信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信 息进行抄读并打包发送的抄表集中器；
所述数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯 汇聚到信息发送端的智能电表；
所述数据中心主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储 设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；
所述抄表集中器包括集中器微控制器及与集中器微控制器连接的时钟模 块、存储模块、液晶交互模块、本地数据采集接口、本地系统管理接口和通信 接口；
所述本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；
所述本地系统管理接口包括红外接口和USB接口；
远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的 无线汇聚接点。
述智能电表通过RS485接口与微控制器连接，所述微控制器与电源模块、 LED模块和射频通讯模块连接。
进一步的，所述射频通讯模块选取Sillicon Lab公司的SI4463作为系统 无线通信的射频收发芯片；微控制器选取意法半导体公司的低功耗8位微处理 器STM8S207RBT6；电源模块选取ASM1117-3.3芯片作为电源管理芯片。
进一步的，所述抄表集中器上设置有433MHZ全铜棒大吸盘天线，智能电表 上设置有433MHZ的SMA弯头天线。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对无线传感网络介质访问控制层协议和网络时钟同步机制进 行融合，在准确控制网络中节点的协同工作和唤醒周期的基础上，通过改变射 频通信模块的工作状态从而来提高整个系统的能量效率。
2、本发明中的网络时钟同步机制在时分复用的MAC协议的基础上对全局网 络时钟进行同步，使网络中的节点能够在相同的时钟下进行状态控制尽可能的 减少能量的浪费；并且针对微功率抄表系统主从结构、低功耗、高可靠性、支 持可变时延和低扩展性的通信要求，通过对无线传感网络介质访问控制层 (Media Access Control,MAC)协议进行更改，提出了一种基于多信道-混合 竞争和TDMA机制的MAC协议，协议通过TDMA机制保证节点周期性休眠以满足 低功耗的技术要求，采用基于竞争的先听后说(Listen Before Talk,LBT)机 制和跨层设计技术以保证网络时延，引入多信道跳频机制提高信道抗干扰能力 以增加网络可靠性。
3、本发明针对时分复用MAC协议，设计了全局邻域平均时钟同步算法对网 络中节点的时钟频偏和网络的时钟偏差进行补偿，提高整个系统的能量效率， 实现节点在其邻居节点发送数据时睡眠，关闭通信模块一段时间，以达到节能 的效果。
4、本发明中由于现有的表端数据获取方式都是基于RS485总线，因此无线 抄表系统也是在RS485总线的基础上扩展的通信方式，因此这决定了无线传感 网络的总体的拓扑形式为主从结构，所有的抄表命令都是由汇聚节点发出，并 通过无线传感网络传送到表端的感知节点，感知节点不会主动地向网络中发送 数据。
5、本发明为了增加感知节点工作的生命周期，同时为了尽可能的减少能量 的消耗，而汇聚节点不需要考虑能量的消耗问题，因此可通过汇聚节点的同步 机制来管理网络中各感知节点的休眠和唤醒时序，在保证感知节点功能的前提 下，尽可能地增加节点的睡眠时间，从而降低系统能耗。
6、本发明在居民区密集的小区可能存在不同的无线抄表系统，不同抄表中 心下所有的节点组成簇，不同簇之间应尽量避免相互干扰，同时以避免由于某 一信道上的干扰而造成抄表系统的瘫痪，具有一定的鲁棒性；同时，当某一节 点由于没有接收到同步帧而从网络中脱离，该节点在脱离后及时自动加入网络， 具有一定的自愈能力。
7、本发明能够兼容不同的抄表模式，网络应采用跨层机制，通过网络层调 整MAC层的工作方式；在大规模的无线传感网络中，针对集抄这一周期性的数 据采集方式，系统中数据量大，耗时长，但时延要求不高，利用时分复用机制 的MAC协议；对于点抄模式下，系统数据量较小，但是对时延要求较高，因此 采用优先时槽的方法，对该被点抄的节点分配优先的时槽，而要求其余节点可 处于休眠状态。
8、本发明在基础设施铺设完毕之后，无线传感网络的拓扑结构也基本确定， 系统很少需要增加大量和删除节点，因此对于扩展性的要求较低。
附图说明：
图1为本申请的网络组成架构。
图2为基于虚拟簇的星型拓扑结构。
图3为基于竞争和TDMA的混合MAC协议示意图。
图4为LBT机制MAC协议流程图。
图5为多信道跳频机制示意图。
图6为三种GNA算法的示例。
图7为时钟频偏的补偿示例。
图8为数据中心结构框图。
图9为抄表集中器功能框图。
图10为无线传感网络感知节点结构组成。
具体实施方式：
实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图 10。
本申请公开了基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，包括控制管理 层、信息发送层和数据采集层，所述控制管理层为通过远程通信网络对所述信 息发送层进行抄读和管理的数据中心；
所述信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信 息进行抄读并打包发送的抄表集中器；
所述数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯 汇聚到信息发送端的智能电表；
所述数据中心主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储 设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；
所述抄表集中器包括集中器微控制器及与集中器微控制器连接的时钟模 块、存储模块、液晶交互模块、本地数据采集接口、本地系统管理接口和通信 接口；
所述本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；
所述本地系统管理接口包括红外接口和USB接口；
远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的 无线汇聚接点。
智能电表通过RS485接口与微控制器连接，所述微控制器与电源模块、LED 模块和射频通讯模块连接，其传输过程如下所示：
步骤一、抄表集中器根据距离的关系与至少两个微功率无线收发模块建立 虚拟簇，且抄表集中器上的汇聚节点与微功率无线收发模块上的感应节点根据 时钟同步机制在规定的时间段开启收发模式，打开串口中断，广播同步控制帧 建立星状网络，实现微功率无线收发模块与抄表集中器的通信；
步骤二、抄表集中器向同虚拟组中的微功率无线收发模块发送抄表信息， 微功率无线收发模块接收到抄表集中器发送的抄表信息，并对智能电表的信息 进行采集并进行一次打包编码处理；
步骤三、微功率无线收发模块上的检测节点对接收到的抄表信息进行判断 检测，通过预测之后数据传输的网络负载量，并依据多信道跳频进行不同数据 传输模式之间的转换，实现微功率无线收发模块向抄表集中器发送一次打包编 码数据；
步骤四、抄表集中器对接收到的一次编码数据进行二次打包编码处理，根 据步骤一中的时钟同步机制，在规定的时间段内实现抄表集中器与数据中心的 连通；
步骤五、抄表集中器把二次打包编码处理的数据通过GPRS传输到数据中心， 数据中心对接收到的数据进行解压，根据其编码得出对应智能电表的信息。
不同数据传输模式包括：低负载条件，数据帧的数量不大，使用CSMA/CA 信道接入方式进行数据的传输；高负载条件，数据帧的数量大，使用TDMA方 式进行数据的传输；在高负载条件中出现的低负载条件采用优先时槽的方法进 行传输。
在TDMA方式进行数据传输中，通过先听后说机制的竞争机制，保证在节点 进行数据传输前信道的状态以避免信号数据帧由于信道干扰造成的数据丢失并 减少由于数据碰撞而造成的能量损耗；
所述不同数据传输模式之间的转换还依据跨层优化设计，使MAC层能够根 据应用层的不同应用需求而切换MAC层的工作方式以保证不同应用的时延要求。
下面结合附图对本申请进行详细说明。
如图1所示，为本申请的系统组成图，其中AP表征汇聚节点，ED表征感知 节点，汇聚节点和电表集中器、感知节点和智能电表通过RS485总线相连接， 而一个汇聚节点和多个感知节点共同组成无线传感网络，其拓扑结构为星型结 构。电表集中器将采集到的数据通过GPRS公网发送到运营商的公网服务器，可 通过用户终端进行访问。
只有汇聚节点和感知节点间可以通信，感知节点之间不能直接进行通信。
汇聚节点的主要任务是：
(1)添加新的节点到网络中；
(2)管理整个网络；
(3)控制指令的发送；
(4)时钟同步帧的发送；
(5)数据路由，和抄表集中器进行数据交换。
感知节点的主要任务是：
(1)采集智能电表的数据；
(2)接收汇聚节点的控制命令解析并执行；
(3)接收汇聚节点时钟同步帧，完成同步；
监听信道并向汇聚节点发送数据。
在无线传感网络工作在集抄模式下，在广播控制帧时不需指定所有感知节点 的地址，而是单独定义集抄命令，集抄中心需要周期性的获取居民用户的用电 量信息，因此汇聚节点需要周期性的向网络中其他的感知节点发送抄表命令并 采集表端数据，然后将采集的表端数据周期性的发送给汇聚节点，这是一种周 期性监测类应用的无线传感网络，通常情况下各个感知节点能够根据设置的周 期来确定汇聚节点抄表命令到达的大致时间，因此各感知节点一般情况下可处 于休眠状态且按照固定的时隙进行侦听并接受和发送数据。
在无线传感网络工作在点抄模式下，汇聚节点在广播控制帧时，帧结构的数 据段包含被点抄节点的地址和数据类型，汇聚节点希望尽可能快的获取指定的 表端数据，只要当汇聚节点向网络请求指定表端数据时，无线传感网络应尽可 能快的响应该数据，采用优先时槽的方法，对该被点抄的节点分配优先的时槽， 而要求其余节点可处于休眠状态。
如图2所示，在协议的拓扑结构中，引入虚拟簇的概念，汇聚节点是所有虚 拟簇的簇头节点，不同的感知节点组成虚拟簇中的子节点，且一个感知节点只 能包含在一个虚拟簇中。
如图3所示，为竞争和TDMA的混合MAC协议的控制过程，通过在时间上把 信道分成许多个大的时隙，每个大时隙包含控制时隙和通信时隙。在控制时隙 内，汇聚节点会根据上层的抄表模式广播时隙控制帧，该控制帧将网络中的通 信时隙分割并分配给各感知节点，感知节点接收到时隙控制帧后，根据控制帧 和自身的ID，自行设置自己“睡眠—监听—发送—睡眠—接收”的时隙，同时 清零自身时钟以保持和汇聚节点以及其他子节点时钟同步。在每个大时隙的通 信时隙内，各感知节点拥有自己的小时隙，且只能在自己的小时隙内完成数据 通信。相邻的小时隙间不是完全独立而是有一定的交叉，这段交叉的时隙内信道处于竞争阶段。下一个时隙的拥有者可以在交叉时隙内监听信道，因此一个 时隙包含竞争信道时段和固定时隙长度的数据发送时段。为了避免在较短的竞 争时段内很多节点竞争信道，因此，只有同一虚拟簇的感知节点之间存在信道 的竞争关系，而处于不同虚拟簇的感知节点之间不存在信道的竞争关系。
当感知节点有数据发送时，该节点会一直处于休眠状态，直到属于自己的时 隙到来，首先通过RSSI对信道进行监测，只有监听到信道空闲才进行数据发送， 发送完数据继续进入休眠状态，直到自己所处的大时隙结束前，醒来并进入接 收状态。由于控制帧在网络中扮演着同步时钟和发布命令的双重作用，因此为 了确保感知节点能够接收到汇聚节点的广播控制帧数据，要求感知节点在下一 个大时隙到来之前就提前进入接收状态，并等待下一个大时隙的控制时隙的到 来。在该MAC协议中，所有的时隙都是由网络中的汇聚节点进行管理和分发。 和其他MAC协议相比，该MAC协议在正确接收一个消息后，协议不需要向发送 端回送确认消息，而是将将可靠性问题留给高层协议来处理，减少了冗余信息 的发送降低了功耗。
在图2和图3中，感知节点ID的高字节代表感知节点所属的虚拟簇，而低 字节代表虚拟簇内部的感知节点的编号。汇聚节点广播控制帧之后，处于虚拟 簇1内的感知节点“1A”、“1B”、“1C”进入竞争时隙，其他虚拟簇内的节 点处于休眠状态，在竞争时隙内竞争到信道的节点可立即发送数据，竞争时隙 结束后，簇内的感知节点不再进行信道竞争而是将信道让给该通信小时隙的所 有者进行数据发送，如无数据发送则直接进入休眠状态。为了减少不同虚拟簇 内感知节点通信的时延，在分配小时隙时，连续的小时隙应分配给不同虚拟簇 中的节点，如“1A”、“2A”、“3A”…以此类推。
图4所示为先听后说(Listen Before Talk，LBT)机制在MAC层的软件流 程图。当感知节点在唤醒时隙到来时，开启LBT并理解侦听信道1ms，如果发现 信道被占用，则认为上一时隙的节点还未发送数据完毕，侦听较长时间3ms，等 待数据发送完成，继续侦听1ms，如果信道空闲，则发送数据，否则进入1ms循 环监测状态，在循环监测阶段每1ms读取一次RSSI值，如果RSSI值低于-90dBm， 则发送数据。在循环侦听阶段，需要判断竞争时隙是否结束，如果竞争时隙结 束则跳出循环侦听并认为信道占用被解除，交给拥有该固定时隙的感知节点发 送数据。
如图5所示，所有节点都遵循着相同的跳频表，跳频表中定义了诸多可用 的信道(图5中定义的信道数为4，0～3)，每个大的时隙占用一个信道。汇聚节 点首先在默认信道上广播控制帧，感知节点接收控制帧并在通信时隙内完成数 据传输，在下一个大的时隙到来之前，感知节点唤醒并按照跳频表的下一个信 道去等待并接收控制帧的到达。在跳频机制中引入了默认信道的概念，这是因 为如果某感知节点在超过大时隙长度的时间内未接收到汇聚节点的广播控制 帧，该感知节点则自动到默认信道上等待汇聚节点下一次的广播。默认信道和 非默认信道交替存在于跳频表中，保证了那些由于未接收到控制帧而从网络中 消失的节点能够通过接收下一次在默认信道上的广播而重新加入网络。另外， 由于居民区可能包含多个集抄系统，不同网络选取不同的信道表能够有效地避 免不同无线集抄网络系统间在信道上的相互干扰。
时钟同步的基本问题就是要对节点之间的时钟频偏、时钟偏差进行补偿(补 偿后为和)，使得时间趋于理想时间Cc(t)，表示如式3.1所示：
时钟频偏αi等价为一个时钟周期和计数器设定值Ni的乘积，如式3.3所 示，不同的和Ni造成不同的αi。
时钟偏差补偿的目的是为了网络传感器节点实现时钟同步，即获取一个满足 式(3.5)的补偿值这一思想也可以理解为：
其中
由于无线传感网络具有大量的传感器节点，这些节点通过单跳通信方式不 可能实现与全网的通信。因此，我们提出的GNA算法中采用局部信息交换和平 均法。在这个算法中，某个节点依次从它邻近的节点收集时间信息，并将这些 时间信息和节点本身的时间信息进行平均，从而实现局部网络的时钟同步。图6 给出了三种情况下GNA算法同步的示例(图中a为不考虑传输延迟的两个节点 之间的时钟同步；b为考虑传输延迟的两个节点之间的时钟同步；c为考虑传输 延迟的全网的时钟同步)。
为了使传感器节点具有相同的是时钟频率，还需要补偿时钟频偏。时钟频偏 补偿同样采用平均法，如式(3.6)。
为了清晰的解释时钟频偏，我们给出一个关于两节点时钟频偏补偿的示例， 如图7所示。在t1时刻，我们收集到来自节点i和节点j的时间信息τi(t1)和τj(t1)； 在t2时刻，我们收集到来自节点i和节点j的时间信息τi(t2)和τj(t2)。Ni和Nj分别是节点i和节点j的计数器设定值。当计数器达到最大限制时，中断触发 使得时钟增加。Tclock,Ttick和N之间的关系为:
Tclock＝N×Ttick (3.7)
时钟频偏补偿的目的是根据计数器设定值(Ni,Nj)和收集到的时钟信息 (τi(t1),τj(t1),τi(t2)，τj(t2))来补偿节点j的计数器设定值这个使得时 钟同步，即
对于节点i和节点j，两个时间信息的间隔t2-t可以表示为式(3.8)和式 (3.9)。
联立2式，可以得到：
由于时钟同步使将式(3.7)带入其中可得式(3.11)：
联立式(3.10)和式(3.11)，我们可以得到节点j的振荡器的计数器设定值， 如下式：
上述讨论是为了同步节点i和节点j。如果平均补偿的方法是可行的，那么 时钟同步的目的变为寻找和且满足
由于Tclock＝N×Ttick，对于节点i有：
联立式(3.10)和式(3.14)，可以得到：
同理，还可以得到：
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的 限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变 化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于无线传感网络的微功率抄表系统，其特征是：微功率无线收发模块通过RS485线与智能电表连接，并对智能电表中的用电信息进行采集并进行打包编码处理，然后通过近程通讯网络在不同时段传输到抄表集中器，抄表集中器对接收到的至少两个微功率无线收发模块在不同时段发送的多个打包数据再次进行打包编码处理后，并在规定的时间内通过远程通讯网络上传到数据中心进行处理，其具体过程如下所示：
步骤一、抄表集中器根据距离的关系与至少两个微功率无线收发模块建立虚拟簇，且抄表集中器上的汇聚节点与微功率无线收发模块上的感应节点根据时钟同步机制在规定的时间段开启收发模式，打开串口中断，广播同步控制帧建立星状网络，实现微功率无线收发模块与抄表集中器的通信；
步骤二、抄表集中器向同虚拟组中的微功率无线收发模块发送抄表信息，微功率无线收发模块接收到抄表集中器发送的抄表信息，并对智能电表的信息进行采集并进行一次打包编码处理；
步骤三、微功率无线收发模块上的检测节点对接收到的抄表信息进行判断检测，通过预测之后数据传输的网络负载量，并依据多信道跳频进行不同数据传输模式之间的转换，实现微功率无线收发模块向抄表集中器发送一次打包编码数据；
步骤四、抄表集中器对接收到的一次编码数据进行二次打包编码处理，根据步骤一中的时钟同步机制，在规定的时间段内实现抄表集中器与数据中心的连通；
步骤五、抄表集中器把二次打包编码处理的数据通过GPRS传输到数据中心，数据中心对接收到的数据进行解压，根据其编码得出对应智能电表的信息。
所述不同数据传输模式包括：低负载条件，数据帧的数量不大，使用CSMA/CA信道接入方式进行数据的传输；高负载条件，数据帧的数量大，使用TDMA方式进行数据的传输；在高负载条件中出现的低负载条件采用优先时槽的方法进行传输。
在TDMA方式进行数据传输中，通过先听后说机制的竞争机制，保证在节点进行数据传输前信道的状态以避免信号数据帧由于信道干扰造成的数据丢失并减少由于数据碰撞而造成的能量损耗。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，其特征是：所述数据传输网络负载的判断根据抄表集中器发布的点抄模式信息和集抄模式信息进行确定，点抄模式为低负载条件，集抄模式为高负载条件；集抄模式为需要周期性的获取所有智能电表的用电量信息；点抄模式为需要临时性的获取一个智能电表的用电信息。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，其特征是：所述时钟同步机制中时钟的同步通过邻域平均法对时钟偏差和时钟频偏通过双向消息交换来补偿进行实现。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，其特征是：所述时钟偏差补偿的具体操作为：a)、周期性侦听/休眠信道，如果信道是空闲的，在时钟信息传输的范围内，某节点将发送一个请求包到邻近的节点；
b)、邻近的节点应答并返回时钟信息；
c)、补偿传输延迟；
d)、节点计算出所有节点时钟偏差的平均值；
e)、更新自身的时钟偏差；
f)、广播时钟补偿表，这个表中包含节点地址和时钟偏差补偿；
g)、邻近的节点接收到时钟偏差补偿表并更新自身时钟偏差；
h)、重复以上操作。
5.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，其特征是：所述时钟频偏补偿的具体操作为：a)、周期性侦听/休眠信道。如果信道是空闲的，在时钟信息传输的范围内，某节点将发b)、送一个时钟频偏的请求包到邻近的节点；
c)、邻近的节点应答并返回时钟频偏；
d)、补偿传输延迟；
e)、节点计算出所有节点时钟频偏的平均值；
f)、更新自身的时钟频偏；
g)、广播时钟补偿表，这个表中包含节点地址和时钟频偏；
h)、邻近的节点接收到时钟补偿表并更新自身时钟频偏；
i)、重复以上操作。
6.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，其特征是：所述不同数据传输模式之间的转换还依据跨层优化设计，使MAC层能够根据应用层的不同应用需求而切换MAC层的工作方式以保证不同应用的时延要求。
7.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表系统及设备，其特征是：所述根据其编码得出对应智能电表信息的具体表示为：根据抄表集中器发送的二次打包信息中的编码确定其抄表集中器的位置，然后通过智能电表产生的编码确定其具体位置；其位置信息为能被地图软件调取的位置信息文件，并能在地图软件中显示其位置。
8.一种基于无线传感网络的微功率抄表设备，包括控制管理层、信息发送层和数据采集层，其特征是：所述控制管理层为通过远程通信网络对所述信息发送层进行抄读和管理的数据中心；
所述信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信息进行抄读并打包发送的抄表集中器；
所述数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯汇聚到信息发送端的智能电表；
所述数据中心主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；
所述抄表集中器包括集中器微控制器及与集中器微控制器连接的时钟模块、存储模块、液晶交互模块、本地数据采集接口、本地系统管理接口和通信接口；
所述本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；
所述本地系统管理接口包括红外接口和USB接口；
远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的无线汇聚接点。
述智能电表通过RS485接口与微控制器连接，所述微控制器与电源模块、LED模块和射频通讯模块连接。
9.根据权利要求8所述的基于无线传感网络的微功率抄表设备，其特征是：所述射频通讯模块选取Sillicon Lab公司的SI4463作为系统无线通信的射频收发芯片；微控制器选取意法半导体公司的低功耗8位微处理器STM8S207RBT6；电源模块选取ASM1117-3.3芯片作为电源管理芯片。
10.根据权利要求8所述的基于无线传感网络的微功率抄表设备，其特征是：所述抄表集中器上设置有433MHZ全铜棒大吸盘天线，智能电表上设置有433MHZ的SMA弯头天线。
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