（电路与系统专业论文）无线电力数据采集系统的研究.pdf

浙江大学硕士研究生论文 摘要 在我们现实生活中，电力公司需要对电力设备进行数据采集，但是人工操作 效率低而且容易出错，所以需要设计新型的智能电力数据采集系统，解决八工操 作的缺陷。 电力数据采集系统实现的关键技术就是如何建立集中器和电表之间的通信 链路，使系统对电表的数据采集能够正常进行。集中器与电表之间的物理链路可 以有很多选择，如以太网，电力载波线等，但它们都存在着一定的缺陷，所以我 们采用了公用i s m 频段的无线通信方式来实现集中器与电表之间的数据通信和采 集，这种技术有很多优点，它无需布线、成本低、传输速度快、可靠性高。而以 这种技术来实现的系统，就可以称为无线电力数据采集系统。 以无线通信方式来进行数据传输，路由算法非常重要。所以必须找到一种合 适的路由方法，使系统时效、误码率、延迟、稳定性等都达到最佳，对此我们提 出了一种新的自适应无线路由算法，这就是基于蚁群的神经网络算法。同时，无 线通信方式需要进行加密处理，才能保证电力数据的安全性，对此本文采用d e s 加密算法来实现数据的安全通信。 在各个无线传输终端，我们采用了u c o s i i 操作系统来实现进程调度。 u c o s i i 是一个占用资源少，实现容易，实时性强，稳定可靠的操作系统，在很 多领域内得到广泛使用，因此用它来实现该系统是非常适合的。 本文主要研究了路由算法，系统所需要的安全技术和任务调度，在公用i s m 频段上实现电表与集中器之间的无线通信数据传输，从而实现整个无线采集系 统。经过仿真和在居民区的实际测试，所得的结果符合预期的设计。 关键词：无线数据采集，路由算法，网络安全，u c o s i i 浙江大学硕士研究生论文 a b s t r a c t d u et ot h e1 0 we m c i e n c ya 工l dt h ee r r o ri nt h et 饱d i t i o n a l 出她a c q u i s i t i 衄p r o c e s so ft 1 1 e e i e c t r i c a ls y s t e m ，”sn e c e s s a r yf o ri l st od e s i g nan e wi n t e l l i g e n ta u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mt os o l v e 小ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h e 廿a d i 廿o n a lh u m a 工lo p e r a t i o ni no u rd a 订yl i f e t h ek e yp r o b l e mt ow o r ko u tt h ee l e c t c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sh o wt 0e s t a b l i s h 也e c o m m u n i c a l i o n1 i n kb e t w e e nt h ef m ua n da m m e t e r sa 1 1 dm a k es u r et 1 1 es y s t e mc a ng e tt h ed a t ai n a m m e t e r sa n dm nw i t h o u tf a n u r e t h e r ea r ev a r i o u 5m e a 工l st 0r e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o n1 i n k b e t 、v e e nf m ua n da m m e t e r s ，s u c ha se 廿1 e m e t 锄dp l c ，h o w e v e r 恤e ya 1 1h a v ed i 矗b r e n “i m i 忸t i o n w ew o u l dt a l ( ea d v a n t a g eo fr a d i o 疗e q u e n c yi ni s mc h a 曲e l t op r o v i d eab e t t e rs o i m i o ni nt 1 1 e c o m m u n i c a t i o nb e m nf m ua n da m m e t e r s i th a st h ea d v a n t a g e so fn ow i n n g ，l o w c o s t ，h i g h 恤m i s s i o nr a t ea i l dh i g hr e l i a b i l i 吼w ec a 工1n a i l l ei tw i r e l e s se l e c t r i c a ld a t aa c q u i s h i o ns y s t e m i nt h ep r o c e s so fd a 士at r a n s m i s s i o nm r o u g hw i r e l e s sm e a n s ，t h em 佣n ga l g o n t 吼i sv e r y i m p o r t a n t s ow eh a v et of i n do u tap r o p e rr o 砸n ga l g o r i t h mt om a l ( et h es y s t e mh “e 曲eb e s t e m c i e n c y ，t h e 】e a s tb i te rr a t e ，血es h o n e s td e 】a v 锄dt 1 1 eb e s ts 协b j l 咄t h e r e f o r e ，w e 五g u r eo u t an e wa l g o r i t h mf o ro u rs y s t e m ，w h i c hi sn e l l r a ln e 铆o r k i n gr o u t i i l ga l g o r n b nb a s e do n 也ea n t c 0 1 0 n ys y s t e m i nt h em e a nt i m e ，w ew o u l de n c r y p t 也ed a 协s oa st os e c u r et h es y s t e m s o 眦 i m p l e m e n td e se n c 口p t i o na l g o r j t 岫t om e e t 也er e q u i r e m e n t i nw i r e l e s st e m i i l a le n d s ，w er e a l i z ep m c e s s s c h e d u l i n gb a s e do nu c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m ， w h i c ho c c u p i e si e s sr e s o l l r c e s ，c a l lb ee a s i i yr e a l i z e da n di sar e a i t i m es y s t e mw i t hh j g hr e i i a b i l i t y a 工1 ds 诅b i l 略w i t h 沁e x t e n s i v eu s ei nm a n yf i e l d s ，主t ，sr e a s o n a b l ea n ds u j t a b l ef o ru st ou s ei t h i sp a p e rr e s e a r c h e so n 也es u b j e c t so f t h er d u t i n ga 】g o r i t ，t h es e c u r i t yo fs y s t e ma n dt h e p r o c e s ss c h e d u l i n g w ew i l 】a i s of o c u so nt 1 1 ew i r e l e s sd a t a 仃a n s m i s s i o nb e t w e e nf m ua r 】d 锄m e t e r st h r o u g ht 1 1 ei s mc h a n n e ls oa st or e a 王i z em ew h o l es y s t e m h a v i n gs i m u 】a t e da n dt e s t e d i nr e s i d e n t i a la r e a w ec a ng e tt h ee x p e c n n gr e s u n s 【k qw o r d s 】：w i r e l e s sd a t a a c q u i s i t i o n ；r o u t i n ga l g o r 妯m ；n e t w o r ks e c u r i t y ；u c o s i i ； i i 浙江大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着全球经济的持续增长，电力在工业、农业、服务业及居民日常生活中所 起的作用日趋增强，人们做任何事情，都离不开电这个宝贵的能源。但是，在我 国，电力基础比较落后，电能资源相对缺乏，电能的节约和保护教育不够，同 时新能源的开发也没有像发达国家那么先进，因此，必须要加强用电管理和监督 以及实行精确的用电负载计算测量，使电能资源得到最有效的利用。 在国内，目前对于用电现场的监督、用户电力数据的读取以及费用的计算还 仅仅停留在人工操作的过程，即电力系统的工作人员，定期需要上门对电力企业 进行电力数据分析，对居民用电，也需要一家户的上门抄写用电数据，然后计 算用电负荷及用电费用。人工操作虽然容易实现和管理，但是不可避免地也会遇 到很多问题： 。 效率低下。工作人员数量需求大，工作量多，完成的任务却有限。 。错误率高。人工操作往往存在很多漏洞，使用户或电力公司遭受巨大的 损失。 。难以监控。对偷电、漏电现象，很难采取有效的方法进行监控、取证。 因此设计一个自动的智能数据采集系统对于解决当前的问题，能够起到了非 常积极的作用。通过这个系统，我们可以大大减小了电力系统的运行成本，使各 种居民小区成为一个面向2 1 世纪的智能小区【l 】，并且具备智能分析处理功能2 1 f 3 l ， 也同样使电力行业能够更好的为用户提供可靠的服务。 远程电力数据采集系统是集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计 量技术和电力营销技术为一体的用电需求的综合性实时信息采集与分析处理系 统。它以公共的移动通信网络为主要通讯载体，以无线、公用电话网、光纤网为 辅助通讯载体【4 】，通过多种通讯方式实现系统主站和现场终端之间的数据通讯， 具有远程抄表、用电异常信息报警、损耗分析等功能。 在目前已有的远程抄表和数据采集系统中，可以分为几个部分：主站、g p r s 通道、集中器、电表。其中主站担负着远程监控和抄读的功能，工作人员只需要 在电力公司的计算机终端上点击相应的软件，即可完成对整个小区或者城市的电 表的电能分析，数据读取和参数设置。g p r s 通道负责将主站发出的命令以g p r s 浙江大学硕士研究生论文 形式传送到需要设计的集中器上。由于g p r s 业务已经比较稳定，所以在这方面 需要改进的地方不多。集中器主要是把电表的数据采集起来，发送到远程主站， 以及把主站以g p r s 下发的数据传到对应的电表。而电表则是采集用电数据，并 且把数据传送到集中器，以及随机对其它的电表进行数据读取以及监测它们的用 电情况。 电表与集中器，以及电表与电表之间的通信链路组成了我们数据采集系统的 主要部分。电表与集中器可以看成一个小型局域网络，它们之间彼此都需要互相 通信，传输用电数据，甚至传输图片或者视频( 因为有时候需要在电表上安装摄 像头，以监视偷电漏电问题) ，这就需要各个节点之间能够保证一条良好的物理 链路，使普通数据和多媒体数据能够正常到达目的节点。 随着无线技术的不断发展，越来越多的通信传输链路被无线载波所代替。因 此，我们可以采用无线通信的方式来实现集中器与电表之间的通信链路，并且找 到一种适合的路由算法，从而保证数据传输及整个系统的效率、延时达到最优化。 与此同时，还应该保证数据在无线传输时的安全性和和可靠性，使用户和电 力公司不受侵害。 1 2 课题目的和意义 国内、国际市场对于电力方面的需要与日俱增，而人工抄表存在着时效低、 难以对大用户进行实时监控、数据录入容易出错等问题。因此，需要设计一个新 的系统来解决这些问题，这就是电力数据采集系统 5 1 。 数据采集系统能够实现很多人工操作没法完成的工作和任务，它能够以非常 高的效率计算出用户的电力负荷和收费，能够实时性地监控一些重要电力系统的 安全，使其免受一些不法分子的恶意攻击。远程数据采集系统的优点可以归纳为 下面几点： 实时性强。任何时间工作人员想要操作整个城市某个地方的电力设备， 均能够非常容易的实现。 。 效率商。单位时间，单位人数完成的工作量大大高于人工抄表。 。成本低。由于所有操作都是自动完成，所以需要的人力资源成本大大降 低，使用户和电力公司支出也大大降低。 。 可靠性高。由于数据是由计算机统一处理，因此可靠性高，不会出现计 浙江大学硕士研究生论文 算错误等问题。 整体性能优异。该系统是一个由采集硬件、g p r s 网络组件以及一整套 上位机和服务器、客户端软件构成的有机整体，整体性能非常优异。 我们已经了解到，集中器和电表，以及电表与电表之间的通信链路是我们数 据采集系统的主要部分。我们整个系统的设计目的和任务就是怎么使这个部分的 数据传输达到最佳的结果，不仅实时性好，延迟少，误码率低，而且具有很强的 安全性，保证用户和电力系统的利益。然而我们又应该采取一种什么样的技术， 来实现电表与电表，电表和集中器之间的通信物理链路。 在目前的技术条件下，集中器与电表所组成的网络中，可以用以下几种技术 来实现物理链路： ( 1 ) 有线专网。我们首先会想到专门辅设有线专用网络来实现通信。有线网 络有很多优点，比如成本便宜，目前技术条件成熟，网络之间及噪声干扰小及网 络通信速度快。但是，它存在着一些无法克服的问题。布线繁琐，设想在一个已 经建好的建筑内，要专门辅设一条专线网络，是非常困难的，即使线布好了，当 有节点需要增加时，由于网络的拓扑已经固定，会出现无法加入系统的情况，因 此自适应性较差。同时，众多的网络的出现，导致电缆线的“洪水”，影响建筑 物的美观。 ( 2 ) 电力线载波。在目前已经实现的远程抄表数据采集系统中，有不少厂商 是用电力线载波( p l c ) 来实现的。电力线载波是电力系统特有的、基本的通信方 式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过调制载波方式将模拟或数字信号 进行有效的高速传输的技术，在国内外已经有了一定的应用。由于使用坚固可靠 的电力线作为载波信号的传输媒介，而电力线在用电现场和建筑物中已经辅设完 毕，因此是不需要线路投资的有线通信方式，但是，由于电力线载波在用电负荷 比较大的情况下，传输数据不稳定，而且带宽比较小，不适合传输负荷较大的数 据量，因此，存在一定的缺陷。 ( 3 ) 无线射频技术。针对前两种方案的缺陷，无线射频载波越来越多的被运 用于电力系统行业。无线网络技术是近几年刚刚兴起的一种技术，它具有传统局 域网的相同的优点但却不受双绞线和电缆线限制的网络，它可以为要求移动性， 灵活性和自由性较高的用户提供完整的网络解决方案。无线网络的自适应性能够 浙江大学硕士研究生论文 大幅度提高用户信息访问的及时性和有效性，这个与先前的网络拓扑无关的信息 访问能够使新的电表增加非常容易，并且随着无线技术的更新，其带宽已经达到 了本系统所需的最低带宽，因此非常适合本系统。 所以，我们将采用无线射频技术来实现我们的系统中电表和集中器之间的通 信。 在系统设计中，我们采用了c h i p c o n 公司的c c l 0 2 0 射频芯片来实现一个能 够实现透明转发功能的射频模块。c c l 0 2 0 是一种理想的超高频i c 专用芯片，主 要用于工业、科学和医疗方面以及短距离通讯。通过对寄存器的设置，可以使它 工作在3 0 0 1 0 0 0 m h z 的范围内。一般来说，它使用较多的并且相对比较稳定的是 4 0 4 至4 7 0 m h z 以及8 0 4 至9 4 0 m h z 的i s m 频带。 它的应用比较广泛，适用于近距离无线数据传输，无线数据采集家居智能化， 无线水表、煤气表、电力表抄表，工业遥控、遥测、工业数据采集，无线话音系 统，楼宇自动化、安防，无线数据传送系统、无线数字电话，机房设备无线监控， 医疗设备组网，江河航运、领水导航、环保检测等方面。 本文将采用4 0 4 4 7 0 m h z 这个频段，使用f s k 方式对信号进行调制。而集中 器与电表组成的无线局域网可以看成是一个节点不移动的传感网络，可以实现多 跳技术，它不包含任何预先辅设的固定基础设施和中央控制系统，每个节点都是 独立的、自主的，它的主要特点是可以在网络设计阶段无法预测的环境中快速实 现。 实现无线射频载波电力抄表和数据采集系统对于电力数据采集行业来说是 一项重大的突破，无线射频技术的移动性，灵活性和自由性都非常高，能够实现 很多其它技术不能完成的任务，它的优点主要有： 。无需布线，成本低。 。组网灵活，施工时间短，容易维护。 1 安全性能好，任何天气下都能够正常运行。 。功耗低，体积小。 。数据传输误码率低，可靠性强。 。通过中继技术，可以实现长距离的传输。 随着人们生活水平的不断提高，对能源的需求量也随之增大，电力系统的任 浙江大学硕士研究生论文 务也不断加重，而以无线射频通信方式来实现我们的电力数据抄读和采集系统， 能够解决多年来手写抄表工作量大，容易出错，难以管理的问题，同样对于偷电、 漏电等情况，也具备了很好的解决方案。 所以我们设计这个系统，能够解决电力行业中的一些关键的问题，具有非常 积极的意义。 1 3 国内外研究现状 最近，瑞典电信研究机构b e r g i n s i g h t 对欧洲进行了一系列的调查，发现到 2 0 1 0 年，北欧至少将有5 0 0 万只电表变为无线采集系统，而随着能源行业竞争的 日趋加剧，在瑞士、瑞典、挪威、芬兰等国家已经辨趣了一股无线采集系统市场 的热潮，市场潜在价值高达几十亿欧元。2 0 0 5 年的调查数据充分表明无线采集将 在未来几年内占据欧洲电表市场的2 0 ，所以国际上的能源行业的龙头企业与i t 行业公司正在充分合作，共同至力于开发一种智能的，精确的，低成本的用电计 价、管理、监测等功能的无线电力数据采集系统。 而在国内，随着用电的大幅度增加，电力系统的管理变得越来越困难，因此， 无线采集系统的出现可以说是电力系统改革的一场革命，国内的几乎所有的电力 公司都已经将这个系统的安装应用规定为发展计划。由此可见，此系统在国内的 市场份额也达到不可估计的程度。 在目前的数据采集系统中较多的是采用固定网络或者电力载波线来实现集 中器与电表之间的通信，但是它们存在维护困难，安装麻烦等问题，而无线技术 的快速发展为解决这些困难和缺陷提供了很好的方案，因此采用无线技术来实现 电力数据采集系统是一个十分合适的选择。 本系统采用了c h i p c o n 公司的c c l 0 2 0 射频芯片来实现一个能够实现无线的 数据发送和接收功能。c c l 0 2 0 是一个非常理想的超高频单片收发i c ，它是可以 专门用于电表系统之间的通信的无线电产品。一般这个模块产生的无线电频段主 要原因用于i s m ( 工业、医学及科学) 等方面的，它通过设置模块的寄存器( s p i 总线设置) ，可以使其工作在3 0 0 1 0 0 0 m l z 范围内。在这个系统中，我们可以通 过设置s p i 总线来达到采用4 0 4 至4 7 0m 1 zi s m 频带，并且用f s k 调伟0 窄带 无线数字通讯。 c c l 0 2 0 已经在国外的很多地方被采用，适用于家居智能化、远程自动电力 浙江大学硕士研究生论文 监控系统、i p 电话、无线游戏手柄、无线数据窄带传送系统、无线数字电话、 无线安保系统等。c c l 0 2 0 完全可以为工业，医用，居民提供无线通讯方案。 由于无线传输需要进行组网，所以我们需要提出一种性能良好的无线路由算 法来解决这个系统中的难点，对此，我们提出了基于蚁群算法的神经网络路由算 法，来实现我们的系统通信路由。同样，无线通信也需要一定的安全保证机制， 对此，我们采用了d e s 加密技术，使数据在无线射频载波发送时，不会被修改和 破坏。 所以，本系统所采用的路由技术，安全技术都是国内外研究比较热门的，并 且具有很强实用性的技术。 1 4 本文的任务和结构 本论文主要研究了无线电力数据采集系统设计中关键问题集中器与电 表之间的无线通信。认真分析了数据无线传输的稳定性、可靠性以及安全性，对 于集中器与电表之间以及电表和电表之间的通信，进行了仔细思考，结合c c l 0 2 0 无线模块的发射频率、整个系统网络的规模，所需的带宽和无线网络信道质量， 提出了一种国内外较先进路由算法，以实现无线传输的可靠性及稳定性。与此同 时，采用了应用背景非常广泛的d e s 加密算法来实现无线数据发送和接收的安全 性保证。最后，在系统实际过程中，采用嵌入式系统来完成整个路由算法，数据 加密，无线干扰控制等内容，具有很强的实时性，能够保证整个抄表和采集系统 的稳定运行。 本课题的任务就是先提出一种合理的无线路由算法，在n s 仿真软件上进行仿 真，分析其误码率、网络延迟、信道带宽以及可靠性安全性等一系列问题，从而 得出其是否可应运于本系统。然后分析了数据在传输时的安全特性和安全机制实 现的实现。接着设计集中器和电表的无线射频传输接口和a r m 处理器等硬件电路， 使c p u 能够与无线模块正确连接。软件方面主要是在a r m 处理器中用c 语言编写相 关操作系统的进程和驱动程序，比如用c p u 的s p i 总线设置无线模块的寄存器、数 据的发送和接收、数据的加密、路由算法的实现，从而实现整个系统所需的功能。 最后，把实现的系统在实验室内进行调试、测试，得到满意结果后，安装到居民 小区的现场进行测试。经最后测试表明，系统的稳定性、安全性以及可靠性均达 到了设计的要求。 浙江大学硕士研究生论文 本文共有六章： 第一章主要介绍当前电力行业中的存在问题和现状，对此提出设计无线射 频数据采集系统的意义，同时介绍了系统的一些基本名词和应用背景，以及设计 该系统的目的和任务所在。 第二章主要介绍了无线射频传输技术的特点和实现原理，电力数据采集技 术的现状和无线电力数据采集技术的实现意义、系统功能和所需的关键技术。 第三章针对无线电力数据采集系统中的关键技术，提出一种新的自适应的 路由算法和安全机制，保障数据无线传输的可靠性和安全性。 第四章本章主要介绍了无线电力数据采集系统的软件和硬件的设计和实 现。硬件方面主要是基于a r m 处理器和c c l 0 2 0 射频传输芯片而实现，软件方面 则是基于u c o s i i 操作系统来完成的，并且实现了数据收发、网络转发、数据加 密等功能。 第五章对这个系统的一些性能和参数作了一系列的测试，并且对测试结果 是否符合设计要求进行了详细的分析。 第六章总结和展望，对系统设计和实现作了总结，同时分析了目前存在的问 题和下一步的工作。 浙江大学硕士研究生论文 第二章无线电力数据采集技术简介 本章主要介绍无线电力数据采集方面的现状，无线数据采集系统实现的目的 和意义，以及为什么采用无线射频技术来实现数据传输，同时简单描述了此系统 实现的关键技术：路由算法和安全机制。 2 1 无线射频传输技术介绍 无线射频传输技术在我们现实生活中应用很多，是实现家庭娱乐，电力监控， 护理等方面的首选产品。它成本低廉，体积小，功能强，实现容易，是我们日常 生活的有力工具，为我们生活和工作带来极大的便利。 2 1 1 无线射频传输技术原理 在我们进行信号传输前，我们需要将信号进行处理，使其变为适合传输的信 号，这就是说，需要把我们的信号源调制到具有一定带宽和频率的调制信号。把 信号调制到高频段具有非常重要的意义。 在调制的过程中，信号源的幅度频率的变化代表了信号源的信号，这些信号 都将在高频载波中体现出来，可以通过幅度，相位，频率等变化来实现。而在解 调的过程中，就是把这些变化提取出来，从而恢复原有的信号。 在整个调制过程中，我们把原本在0 h z 附近的信号调制到具有很高频率的u m h z 附近，通过这种转换，实现了数据在传输时的可靠性和抗干扰性。如果设载 波的信号为4 c o s ( u ，f + 目) ，那么基带信号与其进行调制后就可以表示为 x ( f ) = 球( f ) c o s ( u ，f + p ( r ) ) h ，整个过程也可以用图2 1 来表示： 。 0u 图2 - l 射频调制技术 信号源的调制可以分为两种，模拟调制和数字调制钔。模拟调制就是用连续 的基带信号使载波的幅度、相位、频率发生一定周期的变化，以产生可以被接收 机解释的调制信号，其中以幅度的变化作为信号的变化称为幅度调制，以频率的 浙江大学硕士研究生论文 变化来作为信号的变化称为频率调制，以相位的变化来作为信号的变化称为相位 调制，而后两种可以叫做角度调制。数字调制就是用数字基带信号来调制高频载 波，它在调制的过程中也存在着以幅度、频率、相位的变化代表信号的调制方法， 分别是移幅键控( a s k ) ，移频键控( f s k ) ，移相键控( p s k ) 。 现代移动通信系统和无线射频传输技术一般都使用数字调制技术，由于 v l s i 和d s p 技术的快速发展，使得数字调制技术的实现越来越容易，也更具可 靠性。数字调制较模拟调制有很多优点，比如说： 抗干扰性强。 。误码率低。 。实现声音、数据、图像的调制容易。 。安全性和可靠性强。 数字调制技术的载波信号适合于各种纠正传输差错的数字差错控制编码， 能够在复杂的情况下进行数字信号处理，对于声音图像等信息量较多的数据，如 果采用模拟技术，不但实现起来困难，而且终端的体积也大的多，对于数字技术， 这些问题则不会存在。 在数字无线通信系统中，信息可以用普通的二进制信号来表示这些有效的数 字，这种调制方法被不断应用于现代无线通信和无线数据传输系统，同时还会不 断的有新的方案会加入进来。这些技术虽然有一定的差别，但是它们都具有共同 的优点，使的我们的系统具有更好的可靠性和安全性。 在无线数据通信系统中，发射机和接收机是两个必不可少的部分嘲。发射机 主要用来实现基带信号的调制任务，把基带信号变为所需频段的高频载波信号， 而接收机则主要是对所接收到的载波信号进行解调，将频带信号变为基带信号， 并且把这个信号传给需要的器件。 发射机是信号在传输前所经过的第一个器件。它主要是完成调制，上变频， 功率放大和滤波功能，其实现可以见图2 2 。 发送机一般有两种方案：一是直接变换法，也就是把调带l 技术和上变频技术 集成到一个电路。二是两步法，就是两次变频，先调制到中频上，再把中频载波 调制到所需要的高频载波上。 浙江大学硕士研究生论文 吲2 2 射频发送机 发送机的技术指标主要有很多。比如说平均载波功率是指发送机输出的平均 载波峰值的功率大小，可以根据不同的应用输出不同的平均功率，即达到满足要 求，也使能量消耗最低。射频输出频谱是一项用来分析相邻信道频率干扰的一个 指标，此项测试包括两个方面内容，射频输出调制频谱和射频输出切换频谱的测 试，对这个指标的测试，我们需要用特定的仪器来完成，比如具有门控功能的频 谱分析仪。频率精度也是一个比较重要的指标，用来表明此发射机的实际发送频 率与标称频率之间的误差，精度越高，表明这个发射机的频率准确度也越高，性 能越好。 接收机主要是用来对接收的载波信号进行解调处理，它把高频信号和本振频 率混频后降为一个中频频率，然后把中频信号进行滤波和放大处理，再把它解调 到我们所需要的有用信号，经滤波放大后输出到我们所需要的设备中。它的实现 框图可以见图2 3 ： 倒2 3 ：射频接收机 在接收机的最外端，放置了一个高频滤波器，用来接收我们需要的频率的信 号，而那些其它频段的信号都将被过滤掉，接收机从天线上接收到的信号一般很 小，只有一1 0 0 d b m 左右，所以需要在接收滤波后对所得的信号进行放大处理，如 果放大到1 0 0 d b 左右，则混频器则可以对其进行混频解调处理，以得到我们的中 频信号，同样中频信号在放大和滤波后再次进行二次解调，从而得到我们的基带 浙江大学硕士研究生论文 信号。在整个解调过程中，我们得到三个频率的信号；高频，中频，基带。这种 技术使用权得我们的a d 变换实现相对容易，所得的信号增益和误码率也较低， 可靠性更高。 接收机也有一定的指标。灵敏度是指接收机在一定的误码率情况下，输入端 所需要的最低的功率值，当然灵敏度越高，所接收射频信号也将会增多 无线通信也需要遵守一定的网络通信协议，比如w a p 协议【9 。 2 1 2 无线射频传输技术特点和应用 无线射频技术在很多方面都具有非常明显的特点： 实现容易，一个系统如果采用射频来进行数据传输，实现起来非常容易。 。 成本低，只需要些调制解调电路即可完成。 高频段可利用的资源较多，而低频则非常拥挤。 。在高频信道中，信号的误码率、延时、噪声功率都相对较低。 由于无线射频技术无需布线、它可以在具有建筑物，并且相互有隔离的情况 下实现，组成一个小型网络，实现系统功能，因此具有有线网络不可取代的优势， 存在着巨大的市场潜力。在当今世界中，人们对设备的移动性要求越来越高，如 果在便携式计算机上安装特定的无线射频技术，则可以实现无线上网，从而完成 某些特定的任务，移动电话也是我们日常生活中不可缺少的一部分，我们可以在 世界上任务一个角落，通过移动电话了解到世界另一端的情况，而这些都是需要 通过无线射频技术来完成的。 由此可见，人们对无线网络的依赖性也越来越强了，不管是召开会议还是监 控设备，只要有需要，都希望能够实现无线的数据传输和无线连接。无线技术传 输速率高、安装方便、移动性强、维护容易、性能可靠，这些特点，都使得射频 无线技术更加深入的应用于人们的生活中。 射频技术的应用非常广泛，它的领域涉及到了很多方面。 便携式数据终端( p d t ) 是采用无线射频技术的一个典型例子。p d t 可以把那些有用的数据通过无线射频载波发送到一个管理系统。在p d t 里面存在着一个操作系统，操作系统会根据实际需要进行扫描标签，产生 型号，货物类型等信号，然后进行一系列的处理，接着通过r f 形式把它 们发送到远程的计算机管理系统，而这些功能的实现，最关键的一步就是 浙江大学硕士研究生论文 需要r f 发送。同时，由于射频器件体积非常小，因此可以其对于p d t 的 体积影响几乎为零。 射频识别系统( r f i d r a d i of r e q u e n c yi d e n t m c a t i 0 1 1 ) 也是射频技术应 用的典型。通常我们可以把它称为感应式电子品片或近接卡、电子条码、 电子标签等。一套完整r f i d 系统“般可以由两部分组成： r e a d e r 与 t l a l l s d o n d e r 。r f i d 系统通常由电子标签，天线，读写器具组成，如图2 4 所示： 半导体 芯片 电子 标签 图2 4r f i d 结构 在物流控制系统中，无线射频技术也具有非常广泛的应用前景。r f 技术适用一起物料跟踪，货物识别，货物监控等一系列无线数据采集业务 和场合，在国内外，越来越多的公司和厂商开始使用r f 技术来完成货物 的存储、分析、处理和控制。 2 1 3c c l 0 2 0 无线射频收发芯片 目前存在着很多无线射频传输技术，比如无线u s b ，蓝牙技术，w i f i 技术， 但是这些技术都是用于进行大速率传输的( 见图2 5 ) ，因此成本较高，功耗也 非常大，不适合短距离抄表和监控设备。 4 8 0 占 7 0 罨，喇单片m o d e m 远程抄表系统是基于m s m 7 5 1 2 b 设计的对电表实现自动 化管理的系统。该系统以电话网为交换媒介，可以对各个表进行远程采 集，对收到数据进行一系列处理和存储。运用该系统，能够很好的实现 抄表功能，性能也非常稳定，在需要传输数据量不是很大的情况下，应 用非常方便。 华立仪表集团有限公司也开发出一款新的无线自动抄表系统。通过 这个系统可以免除派人到用户楼房读取仪表，更可改善客户服务质量， 同样利用该系统也能够实现自组网络，具有定的自适应性，把仪表放 置在大楼内，就可以实现自动抄表，监控操作，具有实时性和远程控制 性。 而采用远程电力数据采集技术的居民用户也不断增多，图2 1 0 为某城市2 0 0 0 年至2 0 0 5 年电力数据采集系统的应用居民户数。 图2 - 1 0 某城市电力数据采集系统实现居民数 浙江大学硕士研究生论文 而在这些技术中，运用无线射频技术来实现电力数据采集业务则是一种最近 兴起的技术。在这个系统中，电表与集中器之间的通信是以无线射频载波的方式 来进行的，从而克服了有线通信和电力载波通信的缺陷和不足。 在国内外，关于实现以无线射频技术应用于电力数据采集业务的呼声越来越 高。曾经有一个杂志对电力系统有一定的直接和间接联系的人员和普通用电居民 进行了调查，经过调查发现，大多数人都对这项业务具有一定的了解，并且有很 大一部分支持建立无线电力数据采集业务，以代替现有的技术。 无线射频电力数据采集业务具有广泛的市场前景。在上海曾经举办过仪表、 燃气等专业的国际展览会，来自全球各地的i t 行业和电力能源行业巨头纷纷在会 展上亮相，展出了各自最新的技术。 同样，在“第十六届多国仪器学术会议展览会”上，各种各样的无线射频电 力数据采集设备被纷纷拿出，吸引了众多人的目光，运用这些设备，不但可以省 去烦锁的上门抄表等工作，而且整个系统安装容易，节点增加删除方便，自适应 性强，整个系统智能化程度和可靠性都非常高。 可见，在电力数据采集方面，射频技术会越来越多被采用，电表与集中器的 通信链路，也越来越多的会被无线射频方式取代。 2 2 2 无线电力数据采集技术设计意义 在国外，远程电力数据采集技术已经成为了一个非常时尚的话题，很多电力 系统和i t 业的巨头正在联合开发相关的系统，以求获得更加稳定、更低成本、更 强实时性的电力数据采集系统。 而在国内大部分地区，由于种种原因，电表抄送以及监控还仅仅停留在人工 的状态下，电力公司的工作人员经常需要到各个居民小区，公司工厂等用电的地 方进行用电负荷的记录，对于企业级的用电，必须进行一定的负荷监测、控制。 这给工作人员进行相关操作带来了一系列的困难，加上人工操作容易出错，造成 用户或者电力公司财产损失。所以，长期以来，电表数据抄送问题都是电力供应 部门亟需解决的问题。在电力行业信息化的过程中，用户的用电情况进行自动上 送或者工作人员能够远程抄读监控用户具有非常重要的意义。用户作为电力行业 销售过程中的最原始的数据，其及时性、准确性和全自动性直接影响着其它行业 的信息化水平f 】2 】。 浙江大学硕士研究生论文 在国内，的确已经有很多厂商已经开始或者设计出了远程电力数据采集系 统。但是大多数远程采集系统设计公司还停留在专网通信或者电力载波通信上， 而电力载波存在着一些无法克服的缺陷。 但是随着无线射频通信方面技术的成熟，集中器与电表之间的无线通信成为 了可能，在国内外，研究已经兴起并且以很快的速度发展。因此，如果能够用无 线射频模块设计出一个低成本、易安装、稳定、安全以及可靠的电力远程无线数 据采集系统，使集中器与电表之间以无线射频方式进行通信，将具有非常大的市 场潜力和深远意义。 它的优点主要有： 。无需布线，成本低。 。组网灵活，施工时间短，容易维护。 安全性能好，任何天气下都能够正常运行。 。功耗低，体积小。 。数据传输误码率低，可靠性强。 。通过中继技术，可以实现长距离的传输。 可随时进行电表数据采集，还可以用于对电表监控。 实现无线射频载波电力抄表和数据采集系统对于电力数据采集行业来说是 一项非常重要的突破，无线射频技术的移动性，灵活性和自由性都非常高，能够 实现很多其它技术不能完成的任务。 2 3 无线电力数据采集技术功能简介 无线电力数据采集技术实现的功能非常易懂，用户只要在计算机上点击相应 的按钮，就可以进行系列远程控制和操作，包括对用户电表的数据读取，对电 表进行设置以控制其最大负荷，对企业用户进行视频在线监控，以防止其偷电漏 电，对容易出现情况的用电现场进行自动分析警报或者关闭电源。因此，动能强 大，操作简单，对于电力公司的工作人员，非常容易进行操作和维护。 通过这个技术，我们可以实现很多关于数据采集方面的功能： 读取当前电表数据。 。读取任务数据。 。异常告警，包括漏电、偷电告警。 浙江大学硕士研究生论文 。写对象参数。 远程升级电表系统。 - 系统登陆。 心尉5 检钡4 。 读编程日志。 当然，还有很多其它方面功能，比如按设定抄收间隔以及抄表周期( 当地电 力部门规定的自动抄表时间) 自动生成各用户电能表的累计电能量及其他信息。 至少保存两个抄表周期、两个抄收间隔和两个抄读间隔的各用户电能表的累计电 能量数据。可对集中器设置自动抄表周期、抄收间隔、抄读间隔。并有防止非授 权人员操作的措施。及冻结时间。可实现系统校时功能。自诊断和异常信息记 录功能：可进行系统自检，发现设备异常应有记录和报警。( 检测通讯是否正常， 电源缺相，存储器是否正常，日期是否正常) 实现指定时间电能表累计电能量的 冻结。 无线电力数据采集技术经过改进，不仅可用于电力数据采集业务，还可以应 用于其它很多方面业务： 。水、电、气等表的远程数据抄读 自动监控系统 数据采集 。仪表、设备的远程管理 。防火、防烟雾报警 采用无线的方式来进行数据的采集业务是项非常先进，具有实际意义的技 术。利用这个技术，我们可以设计出一个低成本，低功耗，高性能的数据采集系 统，因此对这个技术的研究是非常有必要的一项工作。 2 4 无线电力数据采集系统实现的关键技术 在无线电力数据采集系统中，电表与电表、集中器与电表之间都是以无线射 频方式进行数据通信。 由于各节点的能量有限，无线收发范围不可能覆盖整个网络，所以必须有中 间节点来对其进行通信的数据进行转发，因此每个节点即是网络中的终端，也同 样起到了路由器的作用，维护和发现到其它节点的路由。整个电表与集中器组成 浙江大学硕士研究生论文 的无线网络拓扑可以用图2 1 l 表示 图2 1 l 电表和集中器组成的无线通信系统 无线通信存在干扰较大，数据通信不稳定，原本存在的通信链路可能在某些 时间消失，这就需要节点周期性的去发现和维护路由表，以实现网络的变化，进 行及时正确的无线通信。 由于其信道带宽没有有线网络那么大，所以必须要充分利用带宽资源，防止 网络阻塞，所以找到一种合适无线通信的路由算法是本系统关键的技术部分。 合适的路由算法对于实现无线电力数据采集系统中电表和集中器的正常通信 非常重要，它能够使得系统的误码率、延时最小，带宽最大，性能最稳定。而如 果路由算法存在缺陷或者不能很好的适应该系统，则系统的可靠性和稳定性就大 大降低。 在无线通信进行数据传输时，同样需要采用一定的安全机制来保证数据的安 全、可靠传输。 用户电表需要周期性的上送电表数据，如果这个时候电表的数据被截获，不 法分子就可以得到这个截获的无线通信数据帧格式，人为制造非法的数据帧，对 电表用电负荷进行修改和控制。这样就对电力系统行业造成了极大的破坏和恶劣 的影响。所以我们需要采用一种加密技术，使不法分子在截获无线数据后无法获 得其正确的格式。 数据加密就是把明文数据和密钥组合，进行系列的运算，然后得到密文数 据，而这些密文数据如果没有密钥是不可能恢复为最初的明文的。整个过程可以 用图2 一1 2 表示： 浙江大学硕士研究生论文 图2 1 2 数据加密过程 通过对无线电力数据的加密，我们可以实现安全的数据传输，从而能够保证 整个系统得可靠性和安全性。 所以，要实现无线电力数据采集系统，就必须要找到一种合适的路有算法和 安全加密机制，使数据能够可靠、安全的传输。我们将在第三章中详细的介绍适 合该系统的路由算法和安全机制。 2 5 本章小结 本章介绍了一些无线射频传输技术的实现原理和发展现状，了解到c c l 0 2 0 是一种非常好的短距离、低功耗的射频传输芯片，适合于抄表和数据采集等系统。 同时介绍了电力数据采集技术的现状，为什么以无线的方式来实现电力数据采集 以及这个技术实现的意义，最后再提出了无线电力数据采集技术实现需要的关键 技术：路由算法和安全机制。 浙江大学硕士研究生论文 第三章无线传输的路由算法和安全机制 针对本文2 4 节提出的无线电力数据采集系统中的关键技术和无线传输机 制，我们提出一种路由算法和安全机制，来保障数据的可靠安全的无线传输。 3 1 无线路由在数据采集系统实现的可行性分析 在本文2 4 节中，我们已经了解到电表和集中器组成的网络拓扑结构可以用 图2 1 1 表示，而对于这样一个无线传感网络的实现，路由算法是最关键技术。 在目前，有很多种无线通信的路由算法，但是它们都不十分适合无线采集系 统： 广播法： 广播法实现比较非常容易，电表i 如果需要采集电表j 的数据，它可以发送一 个广播数据，其它电表接收到这个数据后察看是否为本节点的数据，如果不是， 则继续转发这个广播，这样，电表j 的数据最终肯定可以被电表i 采集到。广播法 特点就是实现简单，适合规模很小的无线网络，但是对于无线电力数据采集系统 并不适合。 轮循法： 轮循法也是比较容易实现的路由算法。电表i 如果需要采集电表j 的数据，则 先直接发给电表j ，如果没有回应，这发给电表l ，让电表1 去采集电表j 的数据， 如果还是没有回应，这发给电表2 。如此重复，直到采集到数据为止。这种方法 在电力载波实现的数据采集系统中应用较多，但是各个节点负荷不平衡，网络的 吞吐量较小，效率较低。 d s r 算法