基于Wi-SUN 技术的智能电表无线跳频通信系统设计

瞿 祎，朱 虹，张新华，牛延谋，赵 强

（华立科技股份有限公司，浙江 杭州 310023）

Wi-SUN 是一种新型的网状网络协议，可保证 每个设备结构体都能与相邻元件组织建立平等的通信传输关系，这也是诱导互联网环境出现非常规远距离跳转现象的主要原因。通常情况下，通信距离与通信速率很难在同一时间达到完全良好的应用状态，然而由于Wi-SUN 技术的存在，Mesh 组网可主动承担跳频处理过程中的绝大多数数据参量，不仅能够弥补物联网主机与区域布置节点之间的互补关系，也可较好控制网络总体布建所需的运营成本[1-2]。

智能电表是重要的数据采集设备之一，在智能配电网环境中承担着数据计量、数据采集与数据传输的任务。随着智能电网的日益复杂化，通信网络中的节点跳频误码率水平也在不断提高。为解决此问题，传统基带处理系统利用Matlab6.5/Simulink 软件计算无碰撞区域内的跳频码具体数值，然而由于节点负载压力的存在，该系统的实际应用能力很难达到理想化水平。基于此引入Wi-SUN 技术，在外围跳频电路的支持下，设计一种新型的智能电表无线跳频通信系统，再通过对比实验的方式，突出该系统的实际应用价值。

1 无线跳频通信系统硬件设计

智能电表无线跳频通信系统的硬件执行环境由外围跳频电路、内部通信寄存器、数字频率合成模块三部分共同组成，具体搭建方法如下。

1.1 外围跳频电路

外围跳频电路作为智能电表无线跳频通信系统的核心硬件结构，由电表继电器、ULN2003 感应芯片、电表跳频设备、R 电阻等多个元件共同组成，可为系统提供运行所需的全部消耗电子，并可将暂存电子量转换为长期存储的应用形式[3-4]。当电容开关的连接形式发生改变时，接入电路中的电阻数值量水平也会随之发生变化，此时若电表继电器出现过量运行的状态，则会导致智能电表出现无线跳频的通信行为。由于ULN2003 感应芯片的存在，电表跳频设备所承担的物理电压数值能够长期处于额定数值水平之下，不仅能够对电表元件所处网络环境的通信误码率数值进行较好控制，也可避免传输电压过量对外围跳频电路造成电流击穿损伤[5-6]。

外围跳频电路结构图如图1 所示。

图1 外围跳频电路结构图

1.2 内部通信寄存器

内部通信寄存器可控制智能电表无线跳频作用的变动形式，在不违反Wi-SUN 技术权限的前提下，寄存器设备所覆盖的传输范围越广，通信系统对于跳频行为的控制能力也就越强。一般情况下，内部通信寄存器由DAC 设备、FRGA 设备、DDS设备、ADC 设备等多个结构共同组成。其中，DAC 设备具备较强的电量感知能力，能够较好记录智能电表无线跳频行为在单位时间内的变化情况。FRGA设备可与DDS设备直接相连，在调试智能电表耗电行为的同时，将暂存电子量传输至下级设备应用元件之中[7-8]。ADC设备负载内部通信寄存器的跳频信号接收请求，可在保证DDS 设备信号发射能力的同时，对智能跳频码所存在的物理数值空间进行有效控制与协调。

内部通信寄存器结构如图2 所示。

图2 内部通信寄存器结构图

1.3 数字频率合成模块

数字频率合成模块发射端使用Wi-SUN 源码主机作为跳频处理器设备，接收端则采用AD9914 元件作为解跳转码结构，可将Update、SCLK 等多个波段的传输信号统一到同一频率波谱上，再通过高精度时钟芯片，实现对智能电表跳频信号的有效控制与模拟[9-10]。为实现对无线跳频通信信号的合理转换，数字频率合成模块输入端与输出端设备之间同时存在多种传输连接信道，一方面可通过Wi-SUN 判处的形式实现对智能电表处理能力的调试，另一方面也可在带通滤波器元件的作用下，将跳频通信信号调试至最佳传输状态。

2 无线跳频通信系统软件设计

图3 数字频率合成模块结构图

在Wi-SUN 技术的支持下，按照ALOHA/CSMA协议连接、智能跳频码确定、数字通信频率周期计算的处理流程，完成系统的软件执行环境搭建，两相结合，实现基于Wi-SUN 技术智能电表无线跳频通信系统的顺利应用。

2.1 ALOHA/CSMA协议

ALOHA/CSMA 协议的应用意义在于其首次在无线跳频信道中注入了数据包广播思想，且在应用的过程中，电表节点之间能够长久保存点与点对应的传输连接关系。由于交换网络的覆盖范围相对较为广泛，因此该协议可有效解决无线跳频通信误码率过高的问题。通过这种公共协议广播的形式，一个智能电表节点可以随时向另一个节点发送跳频通信信号，且此处理过程并不需要与无线传输信道保持同步性应用配合关系[11-12]。ALOHA/CSMA 协议主要作用于外围跳频电路、内部通信寄存器、数字频率合成模块等多个硬件应用设备之间，能够直接顺承Wi-SUN 技术的调试指令，并可在此基础上，对待传输的跳频通信信号进行后续的加工与处理。ALOHA/CSMA 协议连接作用原理如表1 所示。其节点作用功能包括无线跳频通信信号的传输与发送，传输连接关系为在顺承Wi-SUN 技术调试指令的同时，对待传输跳频通信信号进行加工与处理。

表1 ALOHA/CSMA协议连接作用原理

2.2 智能跳频码

智能跳频码能够限定智能电表无线跳频信号的通信传输能力，一般情况下，前者的数值水平越大，后者的通信传输能力也就越强。在不考虑其他干扰条件的情况下，智能跳频码计算结果仅受到跳频量指标、Wi-SUN 处置权限两项物理系数的直接影响[13-14]。跳频量指标最小值可表示为e0，最大值可表示为en，n代表单次信号传输行为所能承载的跳频处理系数值，一般情况下，最大值、最小值之间的数值空间越大，最终所得的智能跳频码计算值结果也就越大。Wi-SUN 处置权限常表示为w，出于对无线跳频通信信号的妥善调试，在智能跳频码计算过程中，常取w的最大表现数值结果wmax。联立上述物理量，可将智能跳频码计算结果表示为：

2.3 数字通信频率周期

数字通信频率周期计算是基于Wi-SUN 技术智能电表无线跳频通信系统设计的末尾处理环节，能够联合智能跳频码，对智能电表中的信号传输能力进行集中限定，从而抑制跳频误码率对信息文件传输造成的负面影响。在一个数字通信频率周期中，系统数据库所承载的通信信息总量越大，智能电表主机两端的无线跳频作用能力也就越强，反之则越弱[15-16]。规定ξ1、ξ2分别代表两个不同的智能电表无线跳频电感系数，且在一个周期性信号传输时长中，ξ1≠ξ2的物理关系恒成立[17-18]。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将系统数字通信频率周期计算结果表示为：

式中，λ代表跳频电压的电感作用系数，f代表既定的跳频作用指标值，代表系统数据库所承载的通信信息均值量。至此，实现系统软、硬件执行环境的搭建，在Wi-SUN 技术的支持下，完成智能电表的无线跳频通信系统设计。

3 实用性检测

为验证基于Wi-SUN 技术智能电表无线跳频通信系统的实际应用价值，设计如下对比实验。以图4所示智能电表设备作为实验元件，分别将其与实验组、对照组控制主机相连，其中实验主机搭载基于Wi-SUN 技术智能电表无线跳频通信系统，对照组主机搭载传统基带处理系统。

图4 智能电表设备

DBR 指标、DPR 指标均能反映无线跳频通信的误码率水平，一般情况下，DBR 指标、DPR 指标数值越小，无线跳频通信的误码率水平也就越高，反之则越低。表2 记录了实验组、对照组指标的具体数值情况。

表2 DBR指标数值对比表

分析表2可知，随着实验时间的延长，实验组DBR指标保持先上升、再稳定、最后下降的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果达到了71.5%。对照组DBR 指标则始终保持不断上升的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果仅能达到40.7%，与实验组最大值相比，下降了30.8%。

分析表3 可知，随着实验时间的延长，实验组DPR 指标始终保持相对稳定的数值波动变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果达到了80.3%。对照组DPR 指标则保持先上升、再下降的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果仅能达到41.9%，与实验组最大值相比，下降了38.4%。

表3 DPR指标数值对比表

综上可知，应用基于Wi-SUN 技术智能电表无线跳频通信系统后，DBR 指标、DPR 指标均出现了明显上升的数值变化趋势，能够较好抑制无线跳频通信误码率的攀升变化行为。

4 结束语

在Wi-SUN 技术的作用下，智能电表无线跳频通信系统利用外围跳频电路、内部通信寄存器等多个硬件应用设备，计算数字通信频率周期的具体数值结果，不仅能够实现ALOHA/CSMA 协议的稳定连接，也可以对智能跳频码变化状态进行较好的控制。从实用性角度来看，DBR 指标数值与DPR 指标数值的提升，能够降低无线跳频通信的误码率水平，实现对电表通信数据的无误传输。