【文章內(nèi)容簡介】 ，需要解決如何在有限計算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。 （2）電源容量有限為了測量真實(shí)世界的具體值,各個節(jié)點(diǎn)會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi),人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點(diǎn)都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽能）。當(dāng)自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。 （3）無中心在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,沒有預(yù)先指定的中心, 是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來相互協(xié)調(diào),在無人值守的情況下,節(jié)點(diǎn)就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆]有中心,網(wǎng)絡(luò)便不會因?yàn)閱蝹€節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。節(jié)點(diǎn)可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。（4）自組織網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動地組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。（5）多跳（Multihop）路由WSN節(jié)點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。（6）動態(tài)拓?fù)鋀SN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動；一個節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能。（7）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護(hù)甚至不可維護(hù)。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯性。（8）傳輸能力的有限性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網(wǎng)絡(luò),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因?yàn)閱蝹€節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大,這個缺點(diǎn)還是能忍受的。 （9）安全性的問題無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中至關(guān)重要。第五章 需要解決的問題 目前的技術(shù)水平讓無線傳感器網(wǎng)正常運(yùn)行并大量投入使用還面臨著許多問題。 （1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進(jìn)行通信是個有待研究的問題。 （2）成本問題在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。 （3）系統(tǒng)能量供應(yīng)問題目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。 （4）高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動性管理等諸多問題有待解決。 總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常誘人。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點(diǎn)，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于WSN對國家和社會意義重大，國內(nèi)外對于WSN的研究正熱烈開展，希望能夠引起測控領(lǐng)域?qū)@一新興技術(shù)的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展。 抄表技術(shù)概況（1）傳統(tǒng)人工抄表傳統(tǒng)人工抄表是通過電力運(yùn)營商雇傭相應(yīng)電能抄表員登門查表,完成電能抄表校對工作。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,加上電力用戶分散,給供電企業(yè)抄表帶來的巨大的困難。抄表員需要花大量的時間進(jìn)行抄表和電能數(shù)據(jù)校對工作,大大增加了電力運(yùn)營商的負(fù)擔(dān),造成了大量的人力浪費(fèi),同時由于人為誤差的存在,給電力用戶帶來了許多不便,整個電能的抄錄過程在時間上存在著明顯的離散性,不利于電力運(yùn)營商的統(tǒng)一管理。 （2）遠(yuǎn)程自動抄表隨著電力電子技術(shù)和計算機(jī)通信技術(shù)的不斷成熟,遠(yuǎn)程自動抄表技術(shù)已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)人工抄表技術(shù),成為電力運(yùn)營企業(yè)電能抄表的核心技術(shù)。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)一般由電能檢測表計、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、計算機(jī)綜合數(shù)據(jù)管理模塊五大部分構(gòu)成,整個系統(tǒng)采用集散式典型結(jié)構(gòu),具有明顯的樹型綜合通信結(jié)構(gòu),利用綜合通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對電能數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)采集,便于電力運(yùn)營商進(jìn)行電能的檢測、綜合數(shù)據(jù)分析管理和收費(fèi)自動化的要求的實(shí)現(xiàn)。 （3）改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)BP是一種基于誤差反饋綜合比較的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),由于該模型不需要具有精確的數(shù)學(xué)模型,只需要將外界已知的原始數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的輸入,對整個網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行“學(xué)習(xí)”訓(xùn)練,網(wǎng)絡(luò)層通過輸入層（INPUT）獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,通過中間層（Recurrent）進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理,再通過輸出層（OUTPUT）獲得對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。 （4）圖像識別數(shù)字識別技術(shù)包括圖像處理和數(shù)據(jù)識別兩項重要的任務(wù),是利用計算機(jī)對圖像分析處理的核心,在目前較多的圖像識別、圖像復(fù)原、圖像預(yù)測等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。 第六章 國內(nèi)外遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的發(fā)展概況自動抄表技術(shù)自八十年代誕生于美國后，在世界各地得到迅猛發(fā)展，最先在供水企業(yè)中應(yīng)用，后擴(kuò)展到電、氣等各個領(lǐng)域。直到九十年代，自動抄表技術(shù)才被引進(jìn)到中國。 國外自動抄表技術(shù)的發(fā)展在自動抄表系統(tǒng)中，一個重要的抉擇，就是通信方式的選擇。上世紀(jì)70年代至80年代，一些發(fā)達(dá)國家相繼開始對遠(yuǎn)距離電能表數(shù)據(jù)的采集和傳送進(jìn)行了探索性研究。此階段，自動抄表系統(tǒng)主要采用有線通信，如用電力線載波、波導(dǎo)管、電纜、光纜等作為傳輸媒質(zhì)。1982年英國的THORNEMI系統(tǒng)利用公用電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了自動抄表；1985年日本九州電力公司試用電力輸配電線載波，地線載波及光纜通信于遠(yuǎn)方讀表和監(jiān)測表計誤差的系統(tǒng)；澳大利亞借助郵電線路進(jìn)行遠(yuǎn)程電能表數(shù)據(jù)抄記系統(tǒng)；美國波士頓邊生公司以及費(fèi)城電力公司的配電線載波遠(yuǎn)程讀表系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)曾先后投入試運(yùn)行，但由于投資較大，均僅用于用電大戶、聯(lián)網(wǎng)結(jié)算或部分住宅區(qū)的集中電能表數(shù)據(jù)的讀取。1988年美國弗吉尼亞電力公司為電能表抄表員裝備了手持式微機(jī)，用戶消耗的電能數(shù)據(jù)被一次性經(jīng)鍵盤存入微機(jī)，完成統(tǒng)計與處理。1990年以后，AMR得到較快的發(fā)展。1992年埃及開羅配電公司開發(fā)出雙模式住宅電能監(jiān)視抄表系統(tǒng)，用于自動記錄、獲取和處理電能消耗數(shù)據(jù)的完整系統(tǒng)。為了滿足美國加州電力市場150方案的要求，美國最大的電能計量計費(fèi)系統(tǒng)TMR于1998年投入運(yùn)行。2000年度，美國有2840萬自動抄表設(shè)備單元應(yīng)用，其中1300萬用在電力，1080萬用在煤氣，460萬用在供水。在1999~2000年度供水方面有55%的高速增長，電力有20%的增長，煤氣有13%的增長。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用逐漸成為當(dāng)前無線通信的主流，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的特點(diǎn)、合理的組網(wǎng)方式以及可靠的傳輸機(jī)制，使無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)迅速成為國內(nèi)外遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中解決監(jiān)控點(diǎn)地域廣、設(shè)備布局分散等問題的主流技術(shù)。目前，遠(yuǎn)程抄表監(jiān)控系統(tǒng)主要基于微處理器，通過GPRS、CDMA等無線通信網(wǎng)絡(luò)，向能源管理系統(tǒng)傳送采集的數(shù)據(jù)。 國內(nèi)自動抄表技術(shù)的發(fā)展國外抄表系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程影響著國內(nèi)抄表系統(tǒng)的發(fā)展方向，上世紀(jì)80年代末90年代初，中國開始了自動化抄表系統(tǒng)的試點(diǎn)工作。全國各供電企業(yè)基本建立了無線電電力負(fù)荷控制系統(tǒng)，雖然其主要建設(shè)目的是控制負(fù)荷，但也逐漸用于大用戶的電能表抄表。1989年全國第一套跨省網(wǎng)的電量計費(fèi)系統(tǒng)在華北電網(wǎng)投入運(yùn)行，北京供電局的電話抄表系統(tǒng)在90年代開始投入運(yùn)行。1994年以色列居民集抄系統(tǒng)進(jìn)入中國，全國各地供電企業(yè)大多都開展了低壓電力載波技術(shù)試點(diǎn)。90年代中期，國內(nèi)己有研制成功一批自動抄表系統(tǒng)的報道，如常州的“YH5551型集中自動抄表系統(tǒng)”，太原的“煤氣表讀數(shù)遙測系統(tǒng)”，中科院合肥智能所的“煤氣表戶外自動抄表裝置”和上海市公用事業(yè)研究所的“水、煤氣表合抄集中自動抄表系統(tǒng)”。2000年經(jīng)全國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書處召集生產(chǎn)、用戶以及計量檢測等20個成員單位組成《自動抄表系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，通過標(biāo)準(zhǔn)的制定有效地規(guī)范了市場和引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。2004年現(xiàn)場用電管理終端作為負(fù)控和抄表需求的融合產(chǎn)品產(chǎn)生，并陸續(xù)在浙江電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)大量推廣使用。2005年國家電網(wǎng)公司頒布《關(guān)于加強(qiáng)電力營銷現(xiàn)代化的建設(shè)意見》的406號文后，中國迎來了AMR發(fā)展的黃金時期。從2005年到2007年各電力公司基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)、供電側(cè)及終端側(cè)3巧kVA及以上大用戶的電能自動抄表，全國估計有幾十萬個AMR采集終端投入應(yīng)用，成為目前世界發(fā)展最快的AMR市場。2007年部分省市電力公司又重新啟動居民用戶集中抄表系統(tǒng)工程，中國將至少具有十年的AMR發(fā)展黃金時期。隨著智能化小區(qū)的建設(shè)的推廣，三表自動抄表系統(tǒng)在我國已逐漸普及，但由于種種因素，絕大多數(shù)自動抄表系統(tǒng)卻都未能正常運(yùn)行，投了自動抄表系統(tǒng)的錢卻仍用人工抄表的現(xiàn)象仍較為普遍。如果這種情況不能得到有效解決，自動抄表行業(yè)必將受到嚴(yán)重影響，其負(fù)面影響將波及到房地產(chǎn)行業(yè)、自來水等專業(yè)公司、智能化產(chǎn)業(yè)以及廣大居民的日常生活。第七章 基于GPRS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計本章通過對遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行分析，在綜合當(dāng)前多種通信模式的優(yōu)缺點(diǎn)的前提下，采用了GPRS通訊方式，隨后詳細(xì)介紹了GPRS的原理及構(gòu)成，最終在經(jīng)過方案的論證與選擇之后，確定了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計，并給出了系統(tǒng)整體的框圖。 設(shè)計方案論述與選擇 方案論述通信是自動抄表技術(shù)中的關(guān)鍵，也占據(jù)了投資的大部分。因此，方案的選擇主要是通信方式的選擇。數(shù)據(jù)通信的設(shè)計要綜合考慮地理環(huán)境、用戶用能行為、技術(shù)水平、管理體制和投資成本等因素。在國外己有許多發(fā)展成熟的自動抄表系統(tǒng)，他們采用的信息傳輸方式有：電視電纜、電力線載波、無線電波和公用電話網(wǎng)等。自動抄表系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展，有著多種實(shí)現(xiàn)方案，目前比較流行的方案有：（1）電力線載波抄表以電力線作為傳輸信道，將數(shù)據(jù)信號調(diào)制為高頻信號疊加在電力線上進(jìn)行通信。此方式無需另外布線、易施工、成本低、與電網(wǎng)建設(shè)同步。目前國內(nèi)10kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術(shù)已較成熟，但低壓電力線載波還未能達(dá)到令人滿意的水平，制約了電力線載波抄表在我國的應(yīng)用。原因在于電力載波信號存在著脈沖干擾，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號衰減越大。低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴(yán)格，低壓電力線上存在的電磁污染嚴(yán)重，干擾大，影響載波通信的質(zhì)量；另外，用戶負(fù)載千變?nèi)f化造成網(wǎng)絡(luò)傳輸特性復(fù)雜多變，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以表征。因此，抗干擾是低壓電力線載波技術(shù)必須克服的問題。（2）總線抄表總線通信是目前國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)采用較多的一種通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸速度較快，可靠、穩(wěn)定，通信質(zhì)量高。目前使用的總線通信方式有RS23RS48LonWorks等。但這種方式布線工作量大，通信信道易遭外界因素破壞，信道后續(xù)維護(hù)工作量大。（3）紅外抄表抄表員將錄有用戶信息的紅外手持抄表器拿到居民區(qū)數(shù)據(jù)集中器附近，通過紅外通訊方式集中采集各耗能表的數(shù)據(jù)，然后返回主站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。這種方式在紅外可視距離內(nèi)能非接觸的讀取儀表數(shù)據(jù)，操作簡單方便，實(shí)現(xiàn)較可靠，且成本較低，被眾多的軟件和硬件平臺所支持。其缺點(diǎn)是速率較低，易受外界環(huán)境的影響。（4）GSM短信息抄表GSM短信息抄表系統(tǒng)在用戶端安裝集控器和無線發(fā)射終端，將用戶的耗能數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)以短信息（SMS）的形式上傳到GSM網(wǎng)的SMS中心，SMS中心將接收到的數(shù)據(jù)通過專線傳遞給能源管理部門。GSM短信息抄表不占用話音通信的信道，費(fèi)用低。GSM網(wǎng)的覆蓋面幾乎遍及全國，故不需要建新基站，抄表不受距離和空間的限制。但每條短信息通信容量有限，系統(tǒng)實(shí)時性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞和丟失現(xiàn)象，不適合在業(yè)務(wù)量大的系統(tǒng)中應(yīng)用。（5）GPRS抄表GPRS抄表系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)連接到Internet網(wǎng)與主站計算機(jī)進(jìn)行通信。用戶的耗能數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS發(fā)射模塊處理、協(xié)議封裝后發(fā)送出去，由GPRS接收模塊接收經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)傳送至主站，實(shí)現(xiàn)用戶耗能數(shù)據(jù)和主站的實(shí)時在線連接。GPRS以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用分組交換的高效率傳輸方式，克服了GSM電路變換速率低、資源利用率差等缺點(diǎn)，最大限度地利用了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源。它的傳輸速率高，接入時間短，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本，特別適合突發(fā)性小流量數(shù)據(jù)傳輸。 方案選擇結(jié)合國內(nèi)外抄表系統(tǒng)的發(fā)展，在自動抄表技術(shù)應(yīng)用到的所有通信模式中，各種方案都存在著不同程度的缺陷，尤其是我國目前的燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)問題很多，因此任何一種采用單一技術(shù)的通信方案都很難完全滿足客戶的多重要求。即使在很大程度上達(dá)到了要求，但須付出的代價也難以承受。為解決這類矛盾，本文提出了復(fù)合通信方案。所謂復(fù)合通信方案，就是在自動抄表的不同通信階段采用不同的通信方式。根據(jù)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及傳輸距離，系統(tǒng)的通信分為底層通信和上層通信。對于數(shù)據(jù)傳輸量不太大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段（耗能表到采集器，采集器到集中器）可以使用有線通信，以保證數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量；對于傳輸距離較遠(yuǎn)的上層通信（集中器到主站），則可采用無線通信，減少施工量，節(jié)約成本。選擇什么樣的方式相互配合，需根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮，混合使用的各種通信方式之間要有很好的相容性，不能相互干擾。在方案論證的前提下，出于對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的考慮，用戶耗能表與采集器，以及采集器與集中器之間傳輸距離短，系統(tǒng)采用RS485總線作為通信信道，以實(shí)現(xiàn)專線專用。其通信成功率幾乎為100%，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時抄收，實(shí)時監(jiān)控，配套設(shè)備成本最低。既保證了通信質(zhì)量，成本又不是很高，其通信協(xié)議可根據(jù)需要靈活制定。集中器與主站之間由于傳輸距離較遠(yuǎn)，環(huán)境復(fù)雜，采用專線通信成本太大，工程復(fù)雜，信道易遭破壞，因此系統(tǒng)選擇GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信。其優(yōu)點(diǎn)是無需另外布