基于自动抄表系统的无线传感器网络的设计

摘要

由于电力资源的需求分散在各个城市、各个地区,甚至各个角落,电力管理存在着相当大的困难。同时,为了提高供电效率,达到全社会节能的目的,实施阶梯电价、峰谷实时电价势在必行,因此,研究覆盖范围广,高性能,低成本的自动抄表系统具有重要且紧迫的实际意义。无线传感器网络技术由于其低复杂度、低功耗和低成本等优点;被越来越多的学者考虑为AMR系统组网技术的手段。然而,基于自动抄表系统的无线传感器网络与普通的无线传感网络有一定的区别,因此,有必要针对AMR系统的特性设计无线传感网络,研究其关键技术。
　　 根据传统抄表系统的构成,以及小区单元楼环境,本文为基于抄表系统的无线传感器设计了网络拓扑,网络采用分簇结构,簇间通信为树型结构,簇内采用星型通信方案。基于自动抄表的无线传感器网络与传统无线传感器网络相比较,有很多特殊的地方,由于本文只研究MAC层设计的部分,因此只分析相关特殊之处。基于AMR的WSN与常见WSN相比,具有一些特殊之处:对能耗要求不高;每个节点(电表)的数据都是唯一的,数据聚集时不能对之进行合并、运算等数学分析处理;故障检测机制特殊,不能设置冗余节点;延迟允许。
　　 本文针对自动抄表系统的独有特点,设计网络的信道接入采用一种新的基于固定时隙分配的TDMA协议。该协议针对自动抄表系统无冗余节点的特性,包含了一个有效的故障检测机制,并且能够控制时延在一定的可接受范围内。本文将固定时隙分配问题,抽象为图的强边着色问题,将节点的时隙分配抽象为图的顶点着色。顶点通过UNSET、UNSET1、GRANT、REQUEST、SET、DONE等六个状态,能够分布式地决定自己的时隙(颜色)。
　　 最后,对采用的时隙分配算法进行性能仿真与分析。设置仿真场景,通过对building、level、maxNeighbor等参数进行设置,生成不同规模的网络。仿真验证在不同网络规模下,算法的运行效率。通过分析比较表明,算法运行效率受实际最大邻节点的数量影响,而网络规模的扩大对其影响不大。