一种基于WIA-PA技术的用电信息采集系统组网通信方法

摘要

本发明涉及一种基于WIA-PA技术的用电信息采集系统组网通信方法，属于用电信息采集技术领域。该方法包括以下步骤：S1：网关设备根据各个节点的设备类型，为整个用电信息采集网络分配相应的IPv6地址；S2：结合WIA-PA技术的组网方法和用电信息采集网络通信架构，构建支持IPv6报文传输的用电信息采集系统的主干网络和相应子网；S3：网关设备通过构建的用电信息采集网络实现对电力用户的用电信息进行采集。本方法有效的将具有IPv6报文传输能力的WIA-PA网络与用电信息采集系统相结合，实现了无线抄表中用户节点IPv6地址化，同时利用层次路由搜索策略，提高了无线网络在用电信息采集系统中的数据采集成功率和通信时延等问题，促进了国内工业无线WIA-PA标准的在用电信息采集领域的应用示范。

说明书

技术领域

本发明属于用电信息采集技术领域，涉及一种基于WIA-PA技术的用电信息采集系统组 网通信方法。

背景技术

现有的用电信息采集系统，包括主站、分站、智能电表以及它们之间的通信网络。其中 分站主要包括集中器和采集器。分层系统网络中，本地网络(LAN)连接智能电表和集中器， 而集中器则通过广域网(WAN)和主站相连。主站通常按省或某一地区进行集中部署，主站 系统与集中器通信获取智能电表采集任务，集中器采集数据的采集过程。这个过程中集中器 上行和下行的通信都需要经过集中器中的应用程序解析电力专用规约。广域网常见的通信方 式为电力光纤专网或2G/3G公共通信网络。其中本地网络常见的通信方式为基于有线连接的 总线通信、低压电力线通信(PLC)及微功率无线射频网络等。与现场总线等有线技术相比， 工业无线网络的应用能够显著地减少现场布线成本和安装维护费用，并且其抗干扰能力强、 低功耗、实时通信等特点是较其它无线技术所特有的。例如由中国科学院沈阳自动化研究所、 北科大、浙大、重庆邮电大学等机构提出的工业无线网络WIA-PA标准。该标准作为过程和 监控自动化控制的工业无线网络，将WIA-PA技术应用到目前的用电信息采集领域，对于解 决工业无线网络中的实时性、可靠性和抗干扰性等一系列问题具有关键的作用。

同时，在智能设备中嵌入IPv6技术是物联网发展的必然趋势，同时也是市场的强烈需求。 若在WIA-PA网络中引入IPv6技术，可实现WIA-PA网络与互联网之间的相互连通，为解决 节点数量众多，地址管理困难的问题提供了理论基础。对于互联网而言，可将其已有的各种 技术和成熟应用直接延伸至WIA-PA网络；对于WIA-PA网络而言，可通过信息传感设备， 按照约定的协议，把所有电网设备与互联网连接起来，进行信息交互和通信，以实现电网设 备的智能化监控和管理。但是，面对数量庞大的用电信息采集网络，如何将工业无线WIA-PA 技术与用电信息采集系统相结合，通过基于WIA-PA的无线传感网络组网、节点入网、地址 分配等技术，实现一个在无线通讯网上基于WIA-PA技术的用电信息采集系统通信网络，并 有效的解决现有抄表系统中的相关难题，是目前亟需解决的问题。

经过对现有文献检索发现，中国专利申请号为：201410495837.8，名称为：一种基于IPv6 的用电信息采集系统及其方法，该方法提出了一种新的基于IPv6的具有路由、交换等功能的 智能采集路由器代替现有的集中器。该设备在智能电表与采集主站之间构建一个支持IPv6标 准化的端到端的采集量测网络。其从大体上概述了具有IPv6网络的用电信息采集系统的基本 通信原理，对于设备地址分配策略，网络路由算法等方面并未有相关涉及。中国专利申请号 为：201210518304.8，名称为：一种适用于用电信息采集的光无线组网通信系统及其方法， 该发明利用光无线组网进行通信，将无线基站分离为基带单元与射频单元，实现无线信号拉 远，大大提高了配电网中数据信息的传输效率，但由于设备成本因素，该技术在用电网中并 不适用。中国专利申请号为：201410076180.1，名称为：无线用电信息采集自组网的组网方 法，该方法实现了网络中节点上电后快速组建大型树形用电采集网络，并且结合相应调频技 术有效解决了网络局部干扰问题，但是对于无线的用电采集网络而言，构建的树形网络中若 中间节点发生故障，势必会造成后继节点受到影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于WIA-PA技术的用电信息采集系统组网通信 方法，该方法通过结合IPv6和基于WIA-PA的无线传感网络组网、节点入网、地址分配等技 术，实现一个在无线通讯网上具有IPv6报文传输能力的工业无线WIA-PA用电采集通信网络。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于WIA-PA技术的用电信息采集系统组网通信方法，包括以下步骤：

S1：网关设备根据各个节点的设备类型，为整个用电信息采集网络分配相应的IPv6地址；

S2：结合WIA-PA技术的组网方法和用电信息采集网络通信架构，构建支持IPv6报文传 输的用电信息采集系统的主干网络和相应子网；

S3：网关设备通过构建的用电信息采集网络实现对电力用户的用电信息进行采集。

进一步，步骤S1具体包括以下步骤：

S11：每个现场设备(包括路由设备和普通设备)上电后，读取并获得电表地址，将其作 为自身的设备ID(3byte)，并与厂商ID(3byte)和设备类型(2byte)结合组成设备的IEEE EUI-64地址；

S12：当路由节点收到网关设备定期发送的组网信标帧后，将回复具有EUI-64地址的加 入请求指令；

S13：网关设备收到该命令后，将其中路由设备的EUI-64中设备ID字段提取，并会根据 路由设备的入网顺序，分配相对应的路由ID，并在网关路由表项中将当前设备ID与其对应 的路由ID进行一一映射；同时回复带有全局路由前缀、网络PANID及路由ID的加入相应命 令帧；

S14：路由设备收到后，将自身的设备ID、网络PANID、全局路由前缀、网关分配的路 由ID以及相应填充字段相结合成为路由设备的128位的IPv6地址，至此完成路由设备IP地 址分配；

S15：当已加入网络的路由设备在分配了相应的IPv6地址后，在网络构建度量阈值时间 T，会周期发送带有路由节点ID的信标帧，当普通节点收到后发送具有自身EUI-64地址的 加入请求到路由设备，路由设备按照同样方式为普通节点分配相应节点ID并建立映射表，同 时发送加入相应，节点设备收到后按照同样方式进行结合完成自身IPv6地址配置。

进一步，步骤S3具体包括：

S31：当网关设备在达到网络时间度量阈值T后仍没有节点入网，则将网络标志位置为 “组网完成”，并向集中器发送组网完成指令；

S32：当集中器接收到该指令后，将会启动模块认证、节点地址加载等功能，并下发抄表 指令；

S33：网关设备收到指令后，解析相应的控制域和用户数据域，若为设置或检测指令，则 直接由网关设备执行并回复相关确认帧，若为路由查询或数据抄读等指令，则转到S34；

S34：网关设备首先将指令中的目的地址位取出，与路由表中的长地址进行映射，得到目 的表计上的节点IPv6地址，并将该地址填入网络层的目的地址数据位中，同时将指令中的相 关数据位作为应用层载荷，封装应用层帧头、传输层头、互联网层头、WIA-PA网络层头、 数据链路子层头和MAC头，并发送到基于WIA-PA技术的用电信息采集网络中；

S35：当路由设备收到该指令后，根据IPv6地址中的路由ID位，判断路由表中是否有到 达该节点的路径，如存在则直接通过相关路径进行发送，若不存在转S36；

S36：路由设备启动路由发现过程，建立到达目的节点的路径，同时抄收相关数据并返回 集中，完成当次用电信息数据采集。

进一步，步骤S36中所述的路由建立过程还包括以下步骤：

S361：路由设备启动路由发现过程并发送带有层次搜索度量阈值TTL_SEARCH的 H-RREQ消息，并等待RREQ_LIVE_TIME毫秒H-RREP消息回复时间，其中H-RREP消息 带有路由层次记录标志位LAYER字段；

S362：当该路由设备节点在一个RREQ_LIVE_TIME时间内收到H-RREP回复，则路由 建立成功；若未收到回复，则将LAYER增加1，并将搜索阈值按照层次环的幂次递增原则设 置为TTL_SEARCH*LAYER，H-RREP消息等待时间同样增加，循环上述步骤，直到路由建 立为止。

进一步，步骤S2中所述的具有IPv6报文传输能力的WIA-PA用电采集网络具体包括以 下特性：

1)所构建的用电信息采集网络为Mesh+Star拓扑结构，并且网络中每个节点都是具有传 输IPv6报文能力的网络节点；

2)其中Mesh主干网络构建过程中，由网关设备发送组网信标，路由设备侦听信标并回 复，最终加入网络；同时已加入的路由设备具有转发网关信标和其他路由设备信标回复的功 能；

3)具有IPv6报文传输能力的WIA-PA用电采集网络，其主干网络采用基于改进的AODV 环形层次路由搜索策略进行路径寻址；

4)子网构建过程中，首先由标识为“未入网”的普通设备节点广播发送带有特殊字段Q 的RREQ消息，已入网的路由设备接收到该消息后将会启动广播网络信标帧，这将降低路由 设备周期广播信标帧带来的过多能量损耗。

进一步，步骤S15中所述的路由设备不具有为路由设备分配短地址的权限，只具有为普 通节点设备分配IP的权限，同时路由设备需要完成相应的Star子网构建；当路由设备在网络 组建完成后发现其子网节点少于一个时，则自动降级为普通采集设备节点。

本发明的有益效果在于：本方法是将IPv6相关技术应用到基于WIA-PA技术的用电信息 采集系统中，实现用户设备IPv6地址无状态自动配置，同时结合具有双层拓扑架构的用电信 息WIA-PA网络，利用环形层次路由搜索策略，对用电网络中的用户数据进行采集汇报。该 发明有效的将具有IPv6报文传输能力的WIA-PA网络与用电信息采集系统相结合，实现了无 线抄表中用户节点IPv6地址化，同时利用层次路由搜索策略，提高了无线网络在用电信息采 集系统中的数据采集成功率和通信时延等问题，促进了国内工业无线WIA-PA标准的在用电 信息采集领域的应用示范。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为基于WIA-PA技术的用电信息采集系统；

图2为设备节点IPv6地址转换策略；

图3为路由设备节点加入网络过程；

图4为用电信息采集网络IPv6地址分配实例图；

图5为基于WIA-PA技术的用电信息采集数据传输方法；

图6为发送的H-RREQ消息；

图7为发送的H-RREP消息；

图8为网络路由发现过程。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为一种基于WIA-PA技术的用电信息采集系统，如图所示，所述系统包括用电信息 采集主站、用电信息采集集中器、具有CY2420射频模块的网关设备及用户端采集设备。系 统中用电信息数据采集过程具有IPv6地址的WIA-PA网络设备地址分配，支持IPv6报文传 输的WIA-PA网络构建，具有WIA-PA双层网络架构的用电信息采集。其中具有IPv6地址的 WIA-PA网络设备地址分配，采用分段式无状态地址分配算法；WIA-PA网络构建过程，包括 具有IPv6报文传输功能的WIA-PA网络主干网络构建和子网构建；基于WIA-PA网络的用电 信息采集，包括网关设备用电信息提取，路由设备用电信息转发及现场设备用电设备采集阶 段。下面将对每一部分进行详细阐述。

网络设备地址分配策略及网络构建：

为了实现现场采集设备的IPv6地址化，本发明分析IPv6技术的无状态地址配置特性， 并结合WIA-PA网络的物理拓扑模型，运用分段式无状态地址配置策略，对设备节点IPv6地 址进行配置，具体步骤如下：

首先每个现场设备(包括路由设备和普通设备)上电后，将会向电表发送读取电表地址指 令，电表收到指令后，将会回复节点电表的地址信息。设备节点收到该信息后将提取其中 DLT/645帧中的第2byte到第7byte的地址信息。并将后3byte信息倒序作为该设备自身的设 备ID，同时与厂商ID(3byte)和设备类型(2byte)结合组成设备的IEEEEUI-64地址，具体格式 如图2所示；

如图3所示，当路由设备节点收到网关定期发送的组网信标帧后，将回复带有节点EUI-64 地址的加入请求指令；

网关设备收到该命令后，将其中路由设备的EUI-64中设备ID字段提取，并会根据路由 设备的入网顺序，分配相对应的路由ID，并在网关路由表项中将当前设备ID与其对应的路 由ID进行一一映射。同时回复带有全局路由前缀、网络PANID及路由ID的加入相应命令帧；

路由设备收到后，将自身的设备ID、网络PANID、全局路由前缀、网关分配的路由ID 以及相应填充字段相结合成为路由设备的128位的IPv6地址，具体方式见图2，至此完成路 由设备IP地址分配；

当已加入网络的路由设备在分配了相应的IPv6地址后，在网络构建时间度量阈值T，会 周期发送带有路由节点ID的信标帧，当普通节点收到后发送具有自身EUI-64地址的加入请 求到路由设备，路由设备按照同样方式为普通节点分配相应节点ID并建立映射表，同时发送 加入相应，节点设备收到后按照同样方式进行结合完成自身IPv6地址配置。

其中已加入网络的路由设备具有转发网关信标和其他路由设备信标回复的功能，同时在 网络构建度量阈值时间T内会周期广播发送带有自身节点ID的信标帧，以便普通采集节点 加入网络。当普通节点收到多个路由设备发送的信标帧，将会根据物理信号强度，点对点成 功率等因数共同决定加入哪个子网，其对应关系为σ＝S×η^l。其中，S表示节点收到信标的 物理信号强度表征值，η表示层次间点对点通信成功率指数，η值越大表示层次间通信可靠 性越高。l表示收到信标路由节点的子网ID。节点通过计算的σ值选出最合适子网接入。

根据上述基于WIA-PA技术的用电信息采集系统IPv6地址分配策略，构建的网络拓扑结 构和相应的路由设备地址如图4所示。网关节点主要实现WIA-PA网络与现有网络的接入、 协议转换以及网络管理等功能。路由节点主要实现路由发现、路由转发以及子网通信功能。 每个路由节点和子网节点均带有IPv6地址和相应的掩码，由其掩码与IPv6地址相与即可获 得自己的子网信息。其中网络前缀为0xFE80，网络PANID为0x1347，所构建的网络中路由 节点的掩码长度为112位，对于路由节点C构建的子网而言，其中路由节点C的长地址为 0x428583，也是其所对应的电表地址，节点16短地址为0x0100，同时其构建的子网中节点 302的长地址为0x372526，由路由节点C所分配的16位短地址为0x0102。

网络数据采集：

WIA-PA网络中，现场设备发送数据报文的传输封装流程如图5所示，当网关设备收到 集中器下发的GDW/376.2规约报文后，首先对数据标识位进行解析，并判断其数据类型。根 据数据类型决定是由网关设备直接回复或者为下行数据。当为下行数据报文时，网关设备将 数据单元中的目的长地址在自己的地址表中进行映射，判断出目的节点的16位短地址，并将 该地址填入网络层的目的地址数据位中。同时将需要传输的数据报文作为应用层负载，封装 应用层帧头、传输层头、互联网层头、WIA-PA网络层头、数据链路子层头和MAC头，并发 送到用电信息采集网络中，通过相应的路由发现算法将信息转发到目的节点。目的节点收到 数据后，解析相应的头部，并将其应用层负载取出传递给相应的电表，再根据上述传输路径， 将数据发送到网关设备。

上述过程中，当网关设备需要发送报文到目的采集节点时，首先由网关设备查看自身路 由表中是否存在到达目的节点的路径，若存在则直接更具路由表项中所记录的路径信息进行 数据传输，当不存在则启动路由发现过程。对于网络路由的发现过程采用改进的层次化搜索 HS-AODV路由算法，同时对AODV路由协议中的请求消息格式(RREQ)和路由回复(RREP) 消息格式进行了改进，在RREQ增加了环形层次搜索度量阈值TTL_SEARCH和网络最大路 由跳数MAX_HOP，源主干路由节点根据阈值逐步扩大搜索环范围，TTL_SEARCH值随着路 由发现过程中跳数的增加而减少，消息格式如图6所示。其中MAX_HOP值为网络路由节点 个数。同时，在RREP消息中增加路由搜索层数记录标志位LAYER，记录路由发现时所在搜 索层数，消息格式如图7所示。在范围逐步扩大的搜索过程中，发起节点最初设置RREQ包 的IP头内的TTL值为TTL_START，设置等待RREP的超时时间为RREQ_LIVE_TIME毫秒。 如果在这段时间内RREP等待超时，则将TTL_SEARCH按照层次环的幂次递增原则，即将 阈值变为TTL_SEARCH*LAYER。如若再不成功，依次类推,直到当 TTL_SEARCH>＝MAX_HOP后，则将路由搜索阈值设置为MAX_HOP，当TTL_SEARCH值 为MAX_HOP后仍不成功，则认为此次路由发现过程失败。

如下图8所示，所构建的通信网络中，源节点A需要与目的节点D进行通信。节点A 首先根据目的节点的子网ID判断出是否和自己属于同一个子网，若在同一个子网内，则将报 文直接交由自己的父节点B进行转发。若不属于同一个子网，则启动路由发现过程。路由B 广播一个H-RREQ消息，消息中设置该消息的层次搜索度量阈值为TTL_STEPONE，在等待 RREQ_LIVE_TIME毫秒后仍未收到H-RREP，这是将H-RREQ消息中的层次搜索度量阈值 按照层次环的幂次递增原则增加，同时相应的H-RREP消息等待时间同样增加。直到寻找到 到达目的节点C的路径为止。当节点收到H-RREP消息后，首先判断消息中的LAYER字段 值，并将其存到该目的节点路由表项的对应的L字段，该字段不会随路由的销毁而删除。当 节点再次需要建立到该目的节点的路由时，将会首先选择L*TTL_START作为RREQ消息中 最初搜索度量阈值进行路径搜索。

对于上述的HS-AODV路由协议，其路由维护一方面保留了AODV中路由维护机制，即 通过周期性地广播Hello报文来确认邻居的存在(如链路层支持反馈，也可使用链路层的反馈 机制)，并通过发送RERR报文来通知那些受链路断开影响的节点更新路由表等；另一方面， 增加了采集网络维护机制，具体包括本地链路维护，节点子网变更及数据维护。

1)本地链路维护

每一个转发消息的路由节点都会对其活动的下一跳节点的连接保持跟踪，同时也与本地 子网所有节点状态保持侦听。当一个状态为“未入网”的子网普通节点会发送入网请求 H-RREQ消息，该消息中TTL_SEARCH字段为全1，收到该消息的路由节点，将会启动信标 广播，同时节点会选择合适的路由节点发送“加入请求报文”，在收到路由节点返回的应答后 即加入子网。这样将有效避免路由节点周期广播信标带来不必要的能量消耗，同时也有利于 位于路由节点周围的设备更好的加入网络。当一个活动的路由发生连接中断时，如果目的节 点距离不超过最大路由跳数时，发生中断位置的上游节点会启动本地链路修复机制。即节点 会增加到目的节点的序列数，然后广播一个到目的节点的RREQ消息。另一方面，如果在路 由的发现过程中，路由节点接收到了一个或者更多RREP消息(或更新路由的控制消息)，它 首先用新路由的跳数与到目的节点的不可用的路由表项的跳数相比较。如果到目的节点的新 路由的跳数比已存表项中以前所知道的路由的跳数更大，节点将会发出一个到目的节点的 RERR消息，然后更新其到此目的节点的路由表项。

2)节点子网变更

位于子网内的普通节点如发现其所在的路由节点为不可达时，就将自己的状态改为“未 入网”并退出该子网，同时发送带有特殊标志位Q的RREQ消息，当路由节点收到该消息后， 则会启动广播信标命令。节点通过公式σ＝S×η^l计算出适合自己的子网路由节点加入。当路 由节点所构建的子网节点数为0时，则该路由节点将会降级为普通节点，并将状态变为“未 入网”，触发上述入网过程。

3)数据维护

HS-AODV协议中，需要对一些表项数据进行维护。每个子网路由节点具有对自己子网 分配IP地址的权限，并会对已经加入本子网的成员节点的地址存储，当有节点加入该子网时 增加表项，相反节点退出子网时收回地址，方便后续地址分配。同时，每个子网路由节点都 会存储一条到达网关设备的路径，并会随着路由发现过程而更新表项内容。同样，每个子网 普通节点存储有当前所属路由节点的地址，当子网发生变更时，其值也会同样发生变化。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。