CN113724485B - 一种快速密集信息采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速密集信息采集方法，属于信息采集系统领域。该方法包括：集中器向CCO发送基于周期性任务规划的信息采集命令，CCO对该命令处理并估算节点上报间隔时间，构造信息采集条目，广播携带信息采集条目的中央信标帧；PCO广播代理信标帧并处理周期性采集任务；STA接收中央信标帧或代理信标帧，根据信息采集条目的内容，设置周期性采集任务；PCO估算汇集所有下级节点数据的结束时间并将收集的数据封装并传给上一层，采用批量确认的方式对下级节点进行确认；CCO收集完所有数据后，完成每个节点数据的完整性及连续性的检查并对缺漏的数据进行补点。本发明减少了报文传输和帧开销，提升用电信息采集效率。

Description

一种快速密集信息采集方法
技术领域
本发明属于信息采集系统领域，涉及到智能电网中电力用户用电信息采集业务，具体涉及一种进行全网电力用户用电信息自动定期采集的方法。
背景技术
用户用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，可实现计量异地监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源管理、智能用电设备的信息交互等功能，为提高工作效率，为“量价费损、电网改造”等提供基础数据与依据。
用户用电信息采集系统主要由主站、本地通信系统和连接各个设备的通信网络组成，是实现用户用电信息采集的基础。其中，主站用来控制集中器并对集中器的信息进行采集，然后对采集到的数据进行存储和分析。主站和集中器之间主要通过GPRS/CDMA无线公网、光纤专网等通信网络进行通信。本地通信系统主要由集中器、采集器、电能表以及本地通信系统的双向通信网络组成。集中器用来收集采集器或者电能表的数据，进行处理之后上报给主站。采集器通过RS485总线接有一个或者多个电能表，用来将采集到的电能表数据进行汇总，然后通过双向通信网络将数据上报给集中器。而电能表既可以直接通过双向通信网络和集中器通信，也可以通过RS-485总线连接到采集器。
本地通信系统通常为树状结构或网状结构，包括一个集中器、多个电能表和通信模块，通信模块分别设置在集中器和各电能表中作为节点，构成用电信息采集系统通信网络。集中器中设置的通信模块为通信网络的中央协调器(简称CCO)，在用电信息收集过程中负责启动信息采集业务，发送信息采集条目，接收用电信息数据并发送给集中器。各电能表中设置的通信模块根据在网络中的角色分为通信网络的代理协调器(简称PCO)和站点(简称STA)，在用电信息收集过程中，PCO负责接收或转发CCO的信息采集命令，STA将数据发送至电能表，获取该电能表的用电信息并发送给CCO。
本地通信系统网络中包括一个CCO和多个STA，STA和CCO之间通过预先设定的路由来进行通信，对于一个具体的STA，其到CCO的路由中的上一级节点即为该STA的PCO，一个PCO下可以有多个STA。最上级的，即第一层STA直接和CCO通信，无需经PCO转发。由于网络拓扑结构的变化，PCO和STA的角色可以互相转换。每个通信模块中又具体包含应用层(简称APP层)，数据链路层(简称DATA层)，物理层(简称PHY层)。其中数据链路层包含NWK层和MAC层。当发送信息采集命令帧时，数据是沿着集中器——CCO的APP层、DATA层、PHY层——PCO的PHY层、DATA层——PCO的DATA层、PHY层——STA的PHY层、DATA层、APP层——电能表进行往返传输的。
用电信息采集系统通信网络使用了基于信标帧的信道访问机制，网络中节点通过周期性的发送信标以保证网络的正常运行。信标周期的时隙包括信标时隙、时分多址时隙(简称TDMA时隙)、载波侦听多路访问时隙(简称CSMA时隙)和绑定CSMA时隙。其中CSMA时隙和绑定CSMA时隙为竞争时隙，即为未指明使用者的时隙，需要由有需求的节点竞争使用。
智能电网中，需要采集的用电信息包括了多个数据项，如(当前)组合有功总电能、(当前)正向有功总电能、(当前)反向有功总电能等。现有的用电信息采集系统在进行用电信息采集时，一般采用的是轮询采集的方式，集中器通过CCO在CSMA时隙向指定的STA发送信息采集命令帧，此采集命令帧可包含多个数据项；STA接收到CCO发送的信息采集命令帧后，从该STA对应的电能表依次获取信息采集条目所指定的用电信息数据项，并汇总，构造信息采集响应帧，在CSMA时隙上传给CCO，完成一次数据采集，CCO接收到STA发送的信息采集响应帧后，上报给集中器。完成一个电能表的用电信息采集后，再对下一个STA发送信息采集命令帧，直到完成所有电能表的用电信息采集。
由于现在的用户用电信息采集系统发生了采集规模增大、采集数据类型增多、实时性要求更高及应用场景更多等改变，且在电力系统的运行过程中，数据的实时监测是非常重要的，任何一项数据的异常都很容易影响电力交易的公平性和安全性，进而影响到用户感受到的供电服务质量，这些都对用户用电信息的采集速率和采集频率有了更高的要求。
现有技术的用电信息采集方法中，集中器一次只能抄读到一个电能表的数据信息，且CCO与集中器、STA与电能表交互会产生不必要的串口时间开销。每相邻两个节点之间的通信有一次确认机制，若所抄读的电能表层级越高，经过PCO转发的次数就越多，每增加1跳，就需要增加4条报文，也增加了传输失败的概率，可能导致更多的重传报文，这种重复发送报文的开销就越大。低效的下行报文和重传机制也很大程度上降低了数据采集的效率。因此目前要抄读完智能电网网络内所有电表的数据信息，存在着信令开销大、采集周期长、效率低的问题。
因此，为解决现有智能电网用电信息采集过程中存在的上述问题，亟需一种快速密集信息采集方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速密集信息采集方法，通过主站控制集中器规划一个周期性信息采集任务，该采集任务的内容作为信标帧的一个条目，随中央信标帧或代理信标帧一起采用广播的方式发送，并且在下行方向上全网只广播一次，所有节点根据信息采集任务自动周期性上报电能表相关数据以减少智能电网用户用电信息采集过程中的报文传输和帧开销，提升用电信息采集效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种快速密集信息采集方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
S1：集中器向CCO发送基于周期性任务规划的信息采集命令，CCO对信息采集命令进行进一步的处理并估算节点上报间隔时间，构造信息采集条目，广播携带信息采集条目的中央信标帧；其中CCO是中央协调器；
S2：PCO接收包含信息采集条目的中央信标帧后，广播携带信息采集条目的代理信标帧，并处理周期性采集任务；其中PCO是代理协调器；
S3：STA接收中央信标帧或代理信标帧，根据信息采集条目的内容，设置周期性采集任务，包括自动预先读取电能表内容和根据任务规划自动周期性上报采集响应数据；其中STA是站点；
S4：PCO估算汇集所有下级节点数据的结束时间并将收集的数据封装成一个或多个报文上传给上一层，采用批量确认的方式对下级节点进行确认和采用主/备用中继节点、路由切换及路由修复等方式保证PCO上传报文成功；
S5：CCO收集完所有数据后，完成每个节点数据的完整性及连续性的检查，并对缺漏的数据进行补点。
从集中器下发信息采集命令到电能表之间的通信称为下行通信，从电能表回复采集响应到集中器之间的通信成为上行通信。任务规划型的快速密集信息采集方法如图2所示，对于数据报文，只有一次下行，多次上行，并由PCO汇集数据再上传，进一步减少上行报文的数量。
从集中器下发信息采集命令到接收采集响应整个过程对于CCO、PCO和STA这三种角色的节点可分为CCO收到采集命令并发出、PCO收到采集命令并转发、STA收到采集命令并发出、STA收到采集响应并上报、PCO收到采集响应并汇集上报、CCO收到采集响应并上报。
进一步，步骤S1中，CCO收到集中器的采集命令并广播携带信息采集条目的中央信标帧，具体包括以下步骤：
S11：CCO收到集中器的采集命令帧，此帧为基于周期性任务规划的信息采集命令帧，内容主要包含：任务周期、采集内容、上报周期和任务序列号等。
其中，任务周期是本采集任务持续的时间；采集内容是本采集任务需要采集的数据项；上报周期是本采集任务从电能表采集数据的时间间隔，也是上报采集内容的时间间隔；任务序列号是本采集任务的编号，此编号从1～255，集中器每次下发周期性任务，该序列号增加1，到最大值后再次从1开始。
S12：CCO收到集中器的采集命令帧后，解析此帧，根据任务周期和上报周期计算出需要上报的次数，通过对次数的统计，判断是否完成所规划的任务；
S13：CCO根据网络规模、采集的数据量、网络通信质量和上报周期等信息，规划信标周期长度和时隙分配，调整专用业务CSMA时隙和CSMA时隙的长度；其中信标周期与上报周期应该为整数倍关系。
其中，为了避免业务报文竞争冲突，CCO根据上报周期的时间长度和信标周期的时间长度估算出节点上报的时间间隔Tgap。当上报时间到来且专用业务CSMA时隙到来时，从高层级且TEI最大的节点间隔Tgap开始上报。
S14：CCO根据采集内容和上报间隔时间构造相应的信息采集条目，并分配各PCO的时隙信息，最终广播携带此信息采集条目的中央信标帧。
进一步，步骤S13中，为避免报文竞争冲突，CCO接收到信息采集命令后，根据上报周期时间长度及信标周期时间长度估算出节点上报时间间隔Tgap；根据上报周期Treport和信标周期Tbeacon的倍数关系，判断信标周期与上报采集响应数据的情况；
如果上报周期时间长度小于信标周期时间长度，一个信标周期需要上报多组数据；
如果上报周期时间长度等于信标周期时间长度，一个信标周期需要上报一组数据；
如果上报周期时间长度大于信标周期时间长度，多个信标周期上报一组数据；
所有节点须在安排的信标周期内完成采集响应数据的上报；
节点上报时间间隔Tgap为：
Figure GDA0003741794860000041
其中，N为节点总数，0<k<1；
节点根据自身的TEI来预判当上报周期到且检测到本轮专用业务CSMA时隙到来时，自己需要发送报文的延时时间Tdelay为：
Tdelay＝(N-TEI)/M
其中，(N-TEI)/M表示节点会在上报周期到时的第几轮信标周期时间上报，TEI表示终端设备标识；M为一个信标周期根据Tgap最多能上报的节点数量：
Figure GDA0003741794860000051
进一步，步骤S2中，PCO接收采集命令并广播携带信息采集条目的代理信标帧，具体包括：PCO接收携带信息采集条目的中央信标帧或代理信标帧，解析采集条目具体内容，并根据自己的时隙信息广播发送携带信息采集条目的代理信标帧。
其中，在一个信标周期内，如果PCO接收到多个代理信标帧，PCO只针对第一次接收到的中央信标帧或代理信标帧进行处理，抛弃后续接收到的代理信标帧。
PCO需要根据信息采集条目中的采集任务预先对自己下级的电能表进行相应用电信息数据项的采集并存储。
进一步，步骤S3中，STA收到采集命令并进行预读取，具体包括：
STA接收到携带采集条目的中央信标帧或代理信标帧后，解析采集报文，根据采集任务对下级电能表预先进行相应用电信息数据项的采集并存储。
其中，在一个信标周期内，如果STA接收到中央信标帧或多个代理信标帧，STA只针对第一次接收到的中央信标帧或代理信标帧进行处理，抛弃后续接收到的代理信标帧。
信息采集条目中的数据部分即为STA需要向电能表发送的采集报文；其中，STA根据任务周期，启动周期性信息采集，在任务周期结束之前，持续执行周期采集任务。
STA根据上报周期的时间长度，预先读取电能表数据，每一个上报周期时间读取一组数据。
其中，STA对预先读取到的数据组进行编号，从1开始，每采集一组数据该编号增加1，达到最大值后回到1重新开始编号。
STA可预先缓存多组采集响应数据，若缓存数据个数超出最大允许缓存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于缓存新数据。
由于PCO是特殊的STA，PCO在完成转发之后同样需要进行预读取的操作，并等待自己的上报周期。
进一步，步骤S3中，STA上报采集响应，具体包括：STA需要估算上报采集响应数据的时间点，根据自己的TEI和节点上报时间间隔Tgap计算自己在哪个信标周期上报及相对于专用业务CSMA时隙起始点的偏移量。
其中，不同的STA，计算出来的偏移量不一样，这样，不同的STA在专用业务CSMA时隙内可以错开，减少报文竞争冲突。
当上报时间到，STA从预读取缓存区中取出采集响应并构造响应报文上传给上级节点。其中，响应帧报文包括节点地址、响应帧序号和采集响应内容等。STA根据上报周期与信标周期的倍数关系，判断信标周期与上报采集响应数据的情况；如果上报周期小于信标周期，则一个信标周期可上报多组数据；如果上报周期等于信标周期，则一个信标周期上报一组数据；如果上报周期大于信标周期，则多个信标周期上报一组数据；
STA基于预读取数据链表同时维护一个已上报数据链表，将原本已上报的响应数据备份，用于重传或补点；若存储的备份数据个数超出最大允存储存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于存储最新的上报数据；
STA只会在自己的上报时间上传采集响应数据，根据PCO的确认报文，确认自己是否需要重传。
进一步，步骤S4中，PCO汇集采集响应并上报，具体包括以下步骤：
S41：PCO估算汇集所有STA数据的结束时间，在结束时间到达时，将本轮接收的数据封装成一个或多个报文传送给上一层节点。其中，若保存了上一轮STA重传的数据，需要和本轮数据一起上报给上一层节点；PCO需要将上传的数据添加至重传列表备份，当确保正确上传给上一层节点后，从重传列表中删除。
S42：PCO上报完后，构造批量确认报文并发送给STA，批量确认报文中包含没有收集到采集响应数据的STA的个数和地址，如果所有STA的数据都正确接收，则批量确认报文中的未响应STA个数为0，地址段为空。其中，在结束时间到达时，如果有未上报的STA，PCO在发送完批量确认报文后，会继续接收，并保存后续接收到的STA响应数据，安排在下一轮上报时间向上一层节点发送；本次发送上行报文的PCO称为源PCO，源PCO的上行报文中指定一个主中继节点，和一个备用中继节点；主中继节点正确收到源PCO的报文，回复SACK帧。
S43：备用中继节点收到源PCO的上行报文后，如果收到主中继节点的SACK帧，则放弃该报文，否则，转发该报文。
S44：源PCO收到主中继节点的SACK帧，或备用中继节点的转发报文，则表示该报文已经正确传输给上一层，可以从重传列表中删除。
S45：源PCO如果既没有收到主中继节点的SACK帧，也没有收到备中继节点的转发报文，则触发重传，在重传时，可以动态切换路由。
S46：PCO在发送上行数据时，如果所有候选路由都发送失败，触发路由修复，并在修复完成后继续传输数据。
进一步，步骤S5中，CCO收到采集响应并上报，具体包括以下步骤：
S51：CCO收集完所有节点数据后，将本轮接收的数据封装成一个或多个报文上报给集中器。
S52：CCO完成每个节点数据完整性，连续性的检查，对缺漏的数据进行补点。其中，CCO收到一轮数据后，发送的确认报文中的关键信息包括当前全网已经采集业务报文序列号，有缺漏报文的节点地址，缺漏报文的序列号。
S53：如有节点未抄读成功，在当前周期内通知相关PCO负责对自己的STA做补抄，采用非确认机制，连续传输。
本发明的有益效果在于：
1)目前电力用户用电信息采集的方法多为点对点的轮询采集，这种采集方式一次只能抄读到一个电表，通信次数多，帧头开销大，效率低且采集周期长，且随着台区内电表数量的增加及采集数据项的增加，采集的时间会越长。本发明则提供了一种基于任务规划的快速密集业务方法，集中器只需要下发一次采集任务，各节点按规划周期自动上报业务，减少了下行报文数量。
2)用电信息采集系统中的硬件设备在数据转发的过程中的时间开销也不容小觑，随着电表数量和采集数据项的增加，采集过程中不必要的时间开销将会增大。本发明提出在接收到采集任务后，节点会预先读取相应数据项并存储，当上报时间到，直接从存储链表中取出响应，发送给上级节点。减少了STA与电能表之间由于设备原因带来的不必要的时间开销。
3)目前用电信息采集系统采用的确认机制和重传机制随着跳数的增加，重复发送的确认帧的开销就越大。本发明采用批量确认机制及采用主/备中继节点、路由切换和路由修复等方式保证上行报文上传成功。
4)目前用电信息采集系统的中继节点多用于报文转发，功能单一。本发明设计PCO需要汇集下级节点数据并存储、检查采集响应数据完整性和采用多种上报方式确保数据能上传成功，从而提高密集信息采集的速率与成功率。
5)用电信息采集系统原有的时隙分配，多种业务报文共同竞争CSMA时隙，导致信息采集报文不能及时被处理。本发明提出对CSMA时隙进一步进行划分为专用业务CSMA时隙和CSMA时隙。在专用业务CSMA时隙中只进行特定的业务，从而完成对快速密集信息采集的支持。若是没有业务命令下发时，可以不分配专用业务CSMA时隙，减少资源开销。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明快速密集信息采集方法的流程图；
图2为任务规划型快速密集信息采集示意图；
图3为集中器下发的采集命令帧格式示意图；
图4为信标帧格式示意图；
图5为采集响应帧格式示意图；
图6为采集上行帧格式示意图；
图7为CCO上报采集响应帧格式示意图；
图8为STA的确认与重传流程图；
图9为节点确认与重传流程图；
图10为专用业务CSMA时隙划分示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：快速密集业务下行帧格式
快速密集业务下行帧包括集中器发送给CCO的采集命令帧，CCO和PCO代理广播的采集命令帧，节点发送给电能表的采集命令帧。
本实施例中，集中器和CCO之间可以通过RS-485总线连接，接口通信协议为集中器本地通信模块接口协议Q/GDW1376.2-2013。
显然，在本发明的技术方案中，集中器和CCO之间也可以采用其他智能电网中集中器和通信模块的现有连接方式和通信协议，本发明对此没有限制。
本实施例中，CCO收到集中器的1376.2采集命令帧可以采用如图3所示的格式，其中关键信息包括：基于任务规划的快速采集标识ID即应用功能码AFN，用于标识本条目为任务规划型采集条目；
任务周期Ttask，用于表示此任务执行的周期；
上报周期Treport，用于表示在任务执行的周期内，节点需要根据采集数据项每隔Treport自主上报一次电能表采集响应；
任务序列号TaskSeq，任务序列号由集中器决定，节点每个上报周期上报的响应帧基于此任务序列号有一组对应的响应序号；
采集项数N，用于表示本次用电信息采集需要采集的数据项的项数；
数据项标识1，数据项标识2，……，数据标识项N，用于表示需要采集的具体用电信息的数据项。
本发明的技术方案中，采集条目也可以采用其他条目格式，如直接使用完整的DL/T645报文帧或其他能携带上述采集信息的结构，本发明对此没有限制。
本实施例中，CCO、PCO和STA之间的通信遵循本地通信协议，显然，也可以是采用其他通信协议和用电信息数据帧结构，本发明对此没有限制。
CCO收到集中器的1376.2采集命令帧后由APP层断帧并解析，将需要抄读的数据项及相关信息构造成数据采集条目并发送给MAC层，由MAC层构造携带此采集条目中央信标帧，且中央信标帧中携带本时隙中PCO发送代理信标的时隙分配信息。其中还需要借助NWK层对节点信息进行补充，如节点的TEI、节点角色、节点层级、路由信息及其下级节点的分布情况，最终由PHY层发送出去。
本实施例中，CCO和PCO携带采集条目的信标帧格式如图4所示。
MPDU的帧控制字段长度为16字节，MPDU帧控制字段的格式如表1所示。
表1MPDU帧控制字段
Figure GDA0003741794860000091
表1中，“定界符类型”字段指明了MPDU帧的类型，指明是信标帧，SOF帧，选择确认帧还是网间协调帧，本实施例下行帧类型为信标帧。
信标帧的“可变区域”的格式如表2所示。信标时间戳是发送信标的设备在发送信标时标记的网络基准时间，网络基准时间由CCO维护，全网站点需要和CCO的网络基准时间保持同步，在中央信标中，信标时间戳是网络基准时间，在代理信标中，信标时间戳是由PCO评估出的网络基准时间。源TEI表示发送信标的站点的TEI。
表2信标帧的可变区域
Figure GDA0003741794860000101
其中，MPDU的信标帧载荷字段的格式如表3所示：
表3信标帧帧载荷字段
Figure GDA0003741794860000102
Figure GDA0003741794860000111
表3中，“信标类型”字段1表示代理信标，2表示中央信标。“信标管理信息”包含具体信标条目数以及各信标条目头，信标条目长度及具体信标条目内容。
CCO接收到采集命令后，根据上报周期时间长度及信标周期时间长度估算出节点上报时间间隔，将此字段封装于信息采集条目中，节点收到采集命令获取此上报时间间隔，可根据自身的TEI估算自己在哪个信标周期上报及相对于专用业务CSMA时隙起始点的偏移量来避免报文竞争冲突。其中，信息采集条目如表4所示：
表4采集条目
Figure GDA0003741794860000112
本实施例中，所述STA和电能表之间可以通过RS-485总线连接，通信的接口协议采用DL/T645-1997或DL/T645-2007多功能电能表通讯协议，所述用电信息数据帧可以采用DL/T645报文帧。也可以是采用其他连接方式、通信协议和用电信息数据帧结构，本发明对此没有限制。
STA收到采集命令帧时，MAC层将接收到的报文解析，传给APP层，由APP层断帧并进一步解析，将需要抄读的数据项根据协议构造645帧发送给电能表，直到抄读完所有数据项。
作为本实施例的一种优选实现方案，所用电信息数据帧的结构如表5所示：
表5节点与电能表通信帧结构
帧起始字符1 68H
地址域 A
帧起始字符2 68H
控制码 C
数据域长度 L
DTAT1
DATA2
……
DATAN
校验码 CS
结束字符 16H
表5中，包括：
帧开始标识：标识用电信息数据帧的开始；
控制码C：DL/T645报文帧中的控制码，用于表示传送方向、从站应答标志和功能码等控制信息；
数据项长度L：用电信息数据长度；
数据项DATA1、DATA2，……、DATAN：数据内容；
校验码CS：用于数据校验；
帧结束标识：标识用电信息数据帧的结束。
实施例2：快速密集业务上行帧格式
快速密集业务上行帧包括电能表发送给节点的采集响应帧，STA和PCO上报的采集响应帧，CCO发送给集中器的采集响应帧。
电能表发送给节点的采集响应帧与节点发送给电能表的采集命令帧类似，如表5，其中，控制码中的传送方向为上行方向，数据部分为响应数据。
STA收集完电能表所有数据项，由APP层汇集并构造应用层通用报文及填写MAC头，由MAC层填写MPDU头并封装成能在空口发送的SOF帧，其中需要借助NWK层对节点信息进行补充，如节点的TEI及路由信息等，最终由PHY层发送出去。
STA和PCO上报采集响应帧格式如图5所示，其中MPDU的帧控制字段与表1相似，其中，“定界符类型”字段指明了MPDU帧的类型，本实施例上行帧类型为SOF帧。
SOF帧的“可变区域”的格式如表6所示。
表6SOF帧的可变区域字段
Figure GDA0003741794860000131
源TEI为发送此报文的节点TEI，目的TEI为接收此报文的节点TEI。
对于SOF帧，MPDU帧承载了MAC帧，而MAC帧由MAC帧头和MSDU数据构成，其中MAC帧头包括的字段如表7所示。
表7MAC帧头格式
Figure GDA0003741794860000132
Figure GDA0003741794860000141
在表7中，字段“原始源TEI”表示MSDU的原始源终端设备的标识，即最初产生MSDU的源终端设备的TEI；字段“原始目的TEI”表示MSDU的最终目的终端设备的标识，即最终需要处理MSDU的目的终端设备的TEI；字段“MSDU序列号”指产生MSDU的原始设备分配给该MSDU的递增序列号。其中MSDU数据传送应用层采集业务的上行帧格式如图6所示。
PCO需要汇集自己及其下级全部STA的响应报文，等待上报时间到，再发送给上一级节点，其中采用位图的方式表示节点采集情况。
任务序列号为本任务的序列号TaskSeq，当前上报序列号为基于此任务的上报序列号。
如果指定需采集的STA较多或数据项较多，不能在一个用电信息响应帧完成所有数据发送，节点会将采集的用电信息分成多个用电信息响应帧，以此发送。
抄读完成标识：标识本次是否完成了指定的所有STA的指定数据项采集。
数据字段内容为收集的所有下级节点的采集响应数据。
CCO收到采集响应SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，并将去掉MPDU头的MAC帧传给APP层，由APP进一步断帧并解析，将去掉MAC头的响应数据部分及其相关信息根据协议构造1376.2帧回复给集中器。
CCO发送给集中器的采集响应帧如图7所示，其中，任务序列号、当前上报序列号与图7中的一致。节点汇集情况采用位图的方式表示，抄读完成标识标识本次是否完成了指定的所有STA的指定数据项采集。
实施例3：上报时间计算公式
为避免报文竞争冲突，CCO接收到信息采集命令后，根据上报周期时间长度及信标周期时间长度估算出节点上报时间间隔。
根据上报周期Treport和信标周期Tbeacon的倍数关系，判断信标周期与上报采集响应数据的情况。
如果上报周期时间长度小于信标周期时间长度，一个信标周期需要上报多组数据。
如果上报周期时间长度等于信标周期时间长度，一个信标周期需要上报一组数据。
如果上报周期时间长度大于信标周期时间长度，多个信标周期上报一组数据。
所有节点须在安排的信标周期内完成采集响应数据的上报。
对于节点上报时间间隔有：
Figure GDA0003741794860000151
其中N为节点总数，0<k<1。
节点根据自身的TEI来预判当上报周期到且检测到本轮专用业务CSMA时隙到来时，自己需要发送报文的延时时间为：
Tdelay＝(N-TEI)％M
其中M为一个信标周期根据Tgap最多能上报的节点数量：
Figure GDA0003741794860000152
其中(N-TEI)/M表示节点会在上报周期到时的第几轮信标周期时间上报。
实施例4：确认与重传机制
在本实施例中，STA与PCO之间采用非确认模式传输，PCO与PCO之间间和PCO与CCO之间采用确认模式。
STA只会在自己的上报时间上传采集响应数据，根据PCO的确认报文，确认自己是否需要重传。
STA基于预读取数据链表同时维护一个已上报数据链表，将原本已上报的响应数据备份，用于重传或补点。
PCO构造的批量确认报文中包含没有收集到采集响应数据的STA的个数和地址，如果所有STA的数据都正确接收，则批量确认报文中的未响应STA个数为0，地址段为空。
对于STA的确认与重传流程如图8所示。
对于PCO上传数据至PCO或CCO，本次发送上行报文的PCO称为源PCO。
源PCO的上行报文中指定一个主中继节点，和一个备用中继节点。主中继节点正确收到源PCO的报文，回复SACK帧。
备用中继节点收到源PCO的上行报文后，如果收到主中继节点的SACK帧，则放弃该报文，否则，转发该报文。
源PCO收到主中继节点的SACK帧，或备用中继节点的转发报文，则表示该报文已经正确传输给上一层，可以从重传列表中删除。
源PCO如果既没有收到主中继节点的SACK帧，也没有收到备中继节点的转发报文，则触发重传，在重传时，可以动态切换路由；
PCO在发送上行数据时，如果所有候选路由都发送失败，触发路由修复，并在修复完成后继续传输数据。
对于源PCO的确认与重传流程如图9所示。
实施例5：专用业务CSMA时隙
节点有数据发送需求时，对信道状态进行监测，如果检测到信道空闲则立即发送数据，如果有其它节点同时检测到信道空闲，则会产生冲突，相应的节点立即停止数据的发送，退避一段时间后再次传输数据。采集业务进行时，会有大量节点同时发送数据，这会加剧数据的碰撞。此时需要对CSMA时隙进一步进行划分，从而完成对快速采集业务的支持。
在CSMA时隙中，当有采集命令下发时，采集业务和维持网络的周期性业务夹杂在一起，同时去竞争信道资源。大量节点同时进行信道的检测并发送数据。如果此时其中的一个节点检测到信道空闲立即发送了数据，其它节点同时检测到信道空闲进行发送，则会产生冲突。
为了减少冲突产生，本发明对CSMA时隙进一步进行划分，专用业务CSMA时隙划分如图10所示。
在专用业务CSMA时隙中只进行特定的业务，从而完成对快速密集业务的支持。若是没有业务命令下发时，可以不分配专用业务CSMA时隙，减少资源开销。
CCO根据网络规模，采集的数据量，网络通信质量，上报周期等信息，规划信标周期长度和时隙分配，可调整专用业务CSMA时隙和CSMA时隙的长度。其中，信标周期与上报周期应该为整数倍关系。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种快速密集信息采集方法，其特征在于，对于数据报文，只有一次下行，多次上行，并由PCO汇集数据再上传，该方法具体包括以下步骤：
S1：集中器向CCO发送基于周期性任务规划的信息采集命令，CCO对信息采集命令进行进一步的处理并估算节点上报间隔时间，构造信息采集条目，广播携带信息采集条目的中央信标帧；其中CCO是中央协调器；
S2：PCO接收包含信息采集条目的中央信标帧后，广播携带信息采集条目的代理信标帧，并处理周期性采集任务；其中PCO是代理协调器；
S3：STA接收中央信标帧或代理信标帧，根据信息采集条目的内容，设置周期性采集任务，包括自动预先读取电能表内容和根据任务规划自动周期性上报采集响应数据；其中STA是站点；
S4：PCO估算汇集所有下级节点数据的结束时间并将收集的数据封装成一个或多个报文上传给上一层，采用批量确认的方式对下级节点进行确认和采用主/备用中继节点、路由切换及路由修复保证PCO上传报文成功；
S5：CCO收集完所有数据后，完成每个节点数据的完整性及连续性的检查，并对缺漏的数据进行补点；
步骤S1中，CCO收到集中器的采集命令并广播携带信息采集条目的中央信标帧，具体包括以下步骤：
S11：CCO收到集中器的采集命令帧，此帧为基于周期性任务规划的信息采集命令帧，包含：任务周期、采集内容、上报周期和任务序列号；
S12：CCO收到集中器的采集命令帧后，解析此帧，根据任务周期和上报周期计算出需要上报的次数，通过对次数的统计，判断是否完成所规划的任务；
S13：CCO根据网络规模、采集的数据量、网络通信质量和上报周期，规划信标周期长度和时隙分配，调整专用业务CSMA时隙和CSMA时隙的长度；其中信标周期与上报周期为整数倍关系；
S14：CCO根据采集内容和上报间隔时间构造相应的信息采集条目，并分配各PCO的时隙信息，最终广播携带此信息采集条目的中央信标帧。
2.根据权利要求1所述的快速密集信息采集方法，其特征在于，步骤S13中，为避免报文竞争冲突，CCO接收到信息采集命令后，根据上报周期时间长度及信标周期时间长度估算出节点上报时间间隔T gap ；根据上报周期T report 和信标周期T beacon 的倍数关系，判断信标周期与上报采集响应数据的情况；
如果上报周期时间长度小于信标周期时间长度，一个信标周期需要上报多组数据；
如果上报周期时间长度等于信标周期时间长度，一个信标周期需要上报一组数据；
如果上报周期时间长度大于信标周期时间长度，多个信标周期上报一组数据；
所有节点须在安排的信标周期内完成采集响应数据的上报；
节点上报时间间隔T gap 为：
T gap =(k×T report )/ (N×T report )
其中，N为节点总数，0 <k < 1；
节点根据自身的TEI来预判当上报周期到且检测到本轮专用业务CSMA时隙到来时，自己需要发送报文的延时时间T delay 为：
T delay =( N-TEI)/M
其中，( N-TEI)/M表示节点会在上报周期到时的第几轮信标周期时间上报，TEI为终端设备标识；M为一个信标周期根据T gap 最多能上报的节点数量：M= T beacon / T gap 。
3.根据权利要求1所述的快速密集信息采集方法，其特征在于，步骤S2中，PCO接收采集命令并广播携带信息采集条目的代理信标帧，具体包括：PCO接收携带信息采集条目的中央信标帧或代理信标帧，解析采集条目具体内容，并根据自己的时隙信息广播发送携带信息采集条目的代理信标帧；其中，在一个信标周期内，如果PCO接收到多个代理信标帧，PCO只针对第一次接收到的中央信标帧或代理信标帧进行处理，抛弃后续接收到的代理信标帧；
PCO需要根据信息采集条目中的采集任务预先对自己下级的电能表进行相应用电信息数据项的采集并存储。
4.根据权利要求1所述的快速密集信息采集方法，其特征在于，步骤S3中，STA收到采集命令并进行预读取，具体包括：
STA接收到携带采集条目的中央信标帧或代理信标帧后，解析采集报文，根据采集任务对下级电能表预先进行相应用电信息数据项的采集并存储；其中，在一个信标周期内，如果STA接收到中央信标帧或多个代理信标帧，STA只针对第一次接收到的中央信标帧或代理信标帧进行处理，抛弃后续接收到的代理信标帧；
信息采集条目中的数据部分即为STA需要向电能表发送的采集报文；其中，STA根据任务周期，启动周期性信息采集，在任务周期结束之前，持续执行周期采集任务；
STA根据上报周期的时间长度，预先读取电能表数据，每一个上报周期时间读取一组数据；其中，STA对预先读取到的数据组进行编号，从1开始，每采集一组数据该编号增加1，达到最大值后回到1重新开始编号；
STA预先缓存多组采集响应数据，若缓存数据个数超出最大允许缓存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于缓存新数据。
5.根据权利要求1所述的快速密集信息采集方法，其特征在于，步骤S3中，STA上报采集响应，具体包括：STA需要估算上报采集响应数据的时间点，根据自己的TEI和节点上报时间间隔T gap 计算自己在哪个信标周期上报及相对于专用业务CSMA时隙起始点的偏移量；
当上报时间到，STA从预读取缓存区中取出采集响应并构造响应报文上传给上级节点；其中，响应帧报文包括节点地址、响应帧序号和采集响应内容；STA根据上报周期与信标周期的倍数关系，判断信标周期与上报采集响应数据的情况；如果上报周期小于信标周期，则一个信标周期可上报多组数据；如果上报周期等于信标周期，则一个信标周期上报一组数据；如果上报周期大于信标周期，则多个信标周期上报一组数据；
STA基于预读取数据链表同时维护一个已上报数据链表，将原本已上报的响应数据备份，用于重传或补点；若存储的备份数据个数超出最大允存储存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于存储最新的上报数据；
STA只会在自己的上报时间上传采集响应数据，根据PCO的确认报文，确认自己是否需要重传。
6.根据权利要求1所述的快速密集信息采集方法，其特征在于，步骤S4中，PCO汇集采集响应并上报，具体包括以下步骤：
S41：PCO估算汇集所有STA数据的结束时间，在结束时间到达时，将本轮接收的数据封装成一个或多个报文传送给上一层节点；其中，若保存了上一轮STA重传的数据，需要和本轮数据一起上报给上一层节点；PCO需要将上传的数据添加至重传列表备份，当确保正确上传给上一层节点后，从重传列表中删除；
S42：PCO上报完后，构造批量确认报文并发送给STA，批量确认报文中包含没有收集到采集响应数据的STA的个数和地址，如果所有STA的数据都正确接收，则批量确认报文中的未响应STA个数为0，地址段为空；其中，在结束时间到达时，如果有未上报的STA，PCO在发送完批量确认报文后，会继续接收，并保存后续接收到的STA响应数据，安排在下一轮上报时间向上一层节点发送；本次发送上行报文的PCO称为源PCO，源PCO的上行报文中指定一个主中继节点，和一个备用中继节点；主中继节点正确收到源PCO的报文，回复SACK帧；
S43：备用中继节点收到源PCO的上行报文后，如果收到主中继节点的SACK帧，则放弃该报文，否则，转发该报文；
S44：源PCO收到主中继节点的SACK帧，或备用中继节点的转发报文，则表示该报文已经正确传输给上一层，可以从重传列表中删除；
S45：源PCO如果既没有收到主中继节点的SACK帧，也没有收到备中继节点的转发报文，则触发重传，在重传时，可以动态切换路由；
S46：PCO在发送上行数据时，如果所有候选路由都发送失败，触发路由修复，并在修复完成后继续传输数据。
7.根据权利要求1所述的快速密集信息采集方法，其特征在于，步骤S5中，CCO收到采集响应并上报，具体包括以下步骤：
S51：CCO收集完所有节点数据后，将本轮接收的数据封装成一个或多个报文上报给集中器；
S52：CCO完成每个节点数据完整性，连续性的检查，对缺漏的数据进行补点；其中，CCO收到一轮数据后，发送的确认报文中的关键信息包括当前全网已经采集业务报文序列号，有缺漏报文的节点地址，缺漏报文的序列号；
S53：如有节点未抄读成功，在当前周期内通知相关PCO负责对自己的STA做补抄，采用非确认机制，连续传输。
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