淺談遠(yuǎn)程自動抄表技術(shù)在電力部門中的應(yīng)用

趙靜

（云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100）

1 寬帶電力線通信技術(shù)

電力線是用來傳輸50Hz電能的，不是專門為數(shù)據(jù)或者語音傳輸而設(shè)計(jì)的信道，將其作為通信介質(zhì)，情況十分復(fù)雜，具有線路阻抗小、變化大，信號衰減強(qiáng)、時變性大、干擾大，且存在多徑時延等缺點(diǎn)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新的調(diào)制方式，特別是OFDM 調(diào)制方式的出現(xiàn)能很好地解決這些問題。

因此電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(shù),近年來得到快速發(fā)展，許多地區(qū)也已實(shí)現(xiàn)利用電力線上網(wǎng)。而本設(shè)計(jì)就是在此項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般是電能表通過采集器、集中器和RS-485/RS-232總線連接，然后通過電話或電力線等有線網(wǎng)絡(luò)，或者無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦╇姽芾聿块T服務(wù)器。這種方案需要專門鋪設(shè)線路而且數(shù)據(jù)傳輸速率較低，并且要租用電信或移動公司的線路，花費(fèi)較高。而本設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的電子電表上嵌入TCP/IP協(xié)議棧，利用寬帶電力線作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男诺?，并通過以太網(wǎng)控制器，接入以太網(wǎng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這種設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)基于IP寬帶局域網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議，不需要鋪設(shè)專用的通信線路。

2)系統(tǒng)配置靈活，既可應(yīng)用于行業(yè)主管部門，也可應(yīng)用于小區(qū)管理。

3)利用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，便可以對各類電能表進(jìn)行組網(wǎng)通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 單片機(jī)和RTL8019AS接口電路

4)管理中心可設(shè)在Internet上任意位置，可實(shí)現(xiàn)多級管理。特別適合行業(yè)管理部門或大型物業(yè)管理公司。

5)遠(yuǎn)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)采用IP寬帶網(wǎng)，接人可選用寬帶局域網(wǎng)或電力線網(wǎng)絡(luò)。

6)系統(tǒng)容量大，數(shù)據(jù)高速安全。

7)可同時提供電力線上網(wǎng)服務(wù)。

3 嵌入式電表的硬件和軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電力系統(tǒng)對電能計(jì)量的要求，結(jié)合裝有寬帶電力線的智能小區(qū)的管理模式，設(shè)計(jì)了基于寬帶電力線通信的嵌入式電表。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 控制單元MCU

MCU作為智能嵌入式電表的核心部分，是實(shí)現(xiàn)自動抄表的關(guān)鍵所在。它主要擔(dān)負(fù)著對計(jì)量電路的數(shù)據(jù)處理和各種操作，如計(jì)算、存儲、顯示等，另外，還要根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議和TCP/IP協(xié)議將用戶電表的電量傳給上位機(jī)，以供管理人員統(tǒng)計(jì)、管理。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，MCU 選用C8051F02X。

美國Cygnal公司的C8051F02X系列單片機(jī)是集成在1塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)。該單片機(jī)具有32/64位數(shù)字I/O端口(引腳)、25 MIPS 高速流水線式8051單片機(jī)內(nèi)核、64 k系統(tǒng)可編程Flash存儲器、64 k地址的外部存儲器接口、4 352(4 096+256)B片內(nèi)RAM、各自獨(dú)立的 SPI、SMBUS/I 2C 和2個UART串行接口等。其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是，通過設(shè)置交叉開關(guān)寄存器控制片內(nèi)數(shù)字資源映射到外部I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用，選擇通用I/O端口和所需要的數(shù)字資源。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲

由于在日常生活中會出現(xiàn)停電現(xiàn)象，在停電其間電表不能正常工作，MCU里面很多的重要數(shù)據(jù)(如用戶的用電量)需要及時存儲，否則，停電之后再上電訪問MCU時，會出現(xiàn)偏差(與停電前不相符)，給管理上帶來極大的不便。所以在掉電檢測電路檢測到MCU的電源低于正常工作電壓時。在很短的時間內(nèi)，將MCU重要的數(shù)據(jù)存人外部數(shù)據(jù)存儲單元。

3.1.3 掉電檢測

掉電檢測電路，主要是檢測MCU的工作電壓是否處于正常范圍，一旦發(fā)現(xiàn)異常，便輸出信號提醒MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)處理。

3.1.4 以太網(wǎng)控制器RTL8019AS簡介

Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器是一款高度集成的通用以太網(wǎng)接口芯片 ，該單片機(jī)接口簡單、功能強(qiáng)。RTL8019AS的主要特性如下：

1)符號EthernetII與IEEE 802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標(biāo)準(zhǔn)。

2)全雙工，收發(fā)可同時達(dá)到10 Mbit/s的速率。

3)內(nèi)置16 k的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求。

4)支持 UTP、AUI、BNC 自動檢測，還支持對10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動極性修正。

5)允許4個診斷LED引腳可編程輸出。

6)支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇。

7)支持Flash存儲器的讀寫。

3.2 接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)與RTL8019AS的接口電路如圖2所示。實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口采用UTP(無屏蔽雙絞線)RJ-45接口。

在圖2中，ICCS16B是RTL8019AS 16/8位工作方式的選擇腳，當(dāng)該腳為低電平時，工作在8位模式下；當(dāng)為高電平時，工作在16位模式下。因?yàn)镃8051F02X是8位單片機(jī)，所以ICCS16B通過下拉電阻接地。RTL8019AS的INTO接單片機(jī)的INTO腳。采用中斷工作方式由硬件地址連線可以計(jì)算當(dāng)P2口為 (0COXXH-0DFXXH)，就可選中RTL8019AS的I/O地址240H-25FH。

采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信，而RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器。所以網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。外接1個隔離LPT10。TPIN±為接收線，TPOUT±為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ一45接口的RX±、TX±端相連。

時鐘電路通過T1和T2接口、1個20 MHz晶振以及2個電容，實(shí)現(xiàn)全雙工方式。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式智能電表的功能軟件設(shè)計(jì)，主要包括以下一些程序模塊：對轉(zhuǎn)換電路輸出脈沖的采集、處理、顯示，完成和上位機(jī)的各種數(shù)據(jù)通信，如校對時鐘、上傳電量、定時抄讀、中繼上下表計(jì)等；可靠上電判斷；掉電檢測以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；時鐘調(diào)用。在復(fù)費(fèi)率的情況下，還有峰、平、谷時段的設(shè)置及判斷等。本文重點(diǎn)介紹一下和以太網(wǎng)連接的TCP/IP協(xié)議。

要想將電表接入到以太網(wǎng)中，必須通過軟件執(zhí)行TCP/IP協(xié)議棧。TCP/IP是一系列協(xié)議的總稱，是實(shí)現(xiàn)Internet通信的必不可少的部分，共包括十幾個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

在這里，要實(shí)現(xiàn)的是通過網(wǎng)絡(luò)讀取電表的讀數(shù)，由于操作簡單，不需要全部協(xié)議，只要執(zhí)行幾個必備的就可以了，如ICMP(因特網(wǎng)控制報文協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議)、IP(網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)。其中，IP 協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心協(xié)議，屬于IP層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源地址發(fā)送到目的地址，每一個分組中都含有一個目的IP地址，同時為了網(wǎng)絡(luò)間的連接，還要提供ARP，實(shí)現(xiàn)IP地址到主機(jī)MAC地址的映象。

現(xiàn)在適用于8051嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的公開源碼很多，可以很方便地移植到系統(tǒng)中，而且運(yùn)行穩(wěn)定。下面重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送過程。

(1)發(fā)送過程

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式封裝，同時需要設(shè)置以太網(wǎng)源地址和目的地址、協(xié)議類型，再按所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)段，之后啟動遠(yuǎn)程DMA，并通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，再啟動本地DMA，然后發(fā)出傳送命令，完成幀的發(fā)送。

(2)接收數(shù)據(jù)

當(dāng)RTL8019AS接收到1個以太網(wǎng)幀時，檢查這個幀的目的地址和CRC校驗(yàn)正確時，便啟動本地DMA，把數(shù)據(jù)讀入接收緩沖區(qū)，然后，通過中斷通知單片機(jī)，單片機(jī)通過遠(yuǎn)程DMA把RTL8019AS中的數(shù)據(jù)讀走。

4 寬帶電力接入端設(shè)計(jì)

電力Modem用于信號的調(diào)制解調(diào)及信號的傳送。電力線調(diào)制解調(diào)器主要是由電力線通信收發(fā)器、以太網(wǎng)物理層收發(fā)器、系統(tǒng)可編程單元、耦合電路和電源電路組成 ，如圖3所示。

本寬帶電力線接入端選用的是Intellon公司電力線通信收發(fā)芯片INT51xl。此芯片是一個高速率的MAC/PHY電力線收發(fā)器，利用它不需要鋪設(shè)任何新的線路，就可以在電力線上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

INT51xl可以在惡劣的電力線通信環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)速率為14 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，同時能夠根據(jù)信道上的信噪比(SNR)選擇可用頻率，以抵制頻率選擇性深度衰減、噪聲和多徑衰落。在低SNR的信道中，不使用導(dǎo)頻就可以實(shí)現(xiàn)同步。

在INT51xl中，MAC采用具有避免沖突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)方案，并具有優(yōu)先權(quán)設(shè)置和自動重復(fù)請求(ARQ)、通過報文封裝支持Ethernet報文可靠傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。在保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)的前提下，為多媒體有效載荷(包括聲音、數(shù)據(jù)、音頻和視頻)提供必需的帶寬。

INT51x是采用Intellon公司的專利技術(shù)PowerPacket實(shí)現(xiàn)的，是與HomePlug1.0協(xié)議完全兼容的一款集成了電力線通信媒介訪問控制(MAC)層、物理(PHY)層和模擬前端(AFE)的電力線通信收發(fā)芯片。

它提供了USB1.1和以太網(wǎng)接口2種接口，內(nèi)部還集成了媒體支持接口MII和普通串行接口GP-SI。為了實(shí)現(xiàn)外部MAC控制器的互聯(lián)，還提供了管理數(shù)據(jù)接口MDI和較為簡單的串行外圍接口SPI兩種選擇，以協(xié)助MII和GPSI接口的管理控制。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用以太網(wǎng)接口(INT51xl通過管腳D2、D3來選擇接口方式)，并需要芯片核心工作電壓1.5 V和I/O工作電壓3.3 V兩種工作電壓。

圖3 電力線接入端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)接口電路包括以太網(wǎng)控制芯片、隔離變壓器、RJ一45接口3部分。接收以太網(wǎng)上傳來的數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)控制芯片采用Micrel公司的KS8721B，它是一種高性能、高度集成的10/100 M自適應(yīng)收發(fā)器，外加1個MII接口，完全兼容INT51xl的MII接口。

系統(tǒng)可編程單元選用串行EEPROM AT93C46，其中1塊用于存儲和保存MAC層地址和用戶默認(rèn)的密鑰。通過高速同步串行通信接口SPI和INT51xl相連，完成高速數(shù)據(jù)通信。耦合電路起的作用，包括與電網(wǎng)的安全隔離以及從電力線提取高頻電力線通信信號到INT51x的模擬前端，或?qū)NT51x的模擬前端的高頻電力線通信信號注入電力線上。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

抄表軟件運(yùn)行于Windows系統(tǒng)，使用VC++編寫，通過ODBC接口與Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)連接。抄表系統(tǒng)管理中心服務(wù)器與以太網(wǎng)的通信程序，主要功能包括：

(1)遠(yuǎn)程抄取并存儲整個系統(tǒng)各個基表內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)時計(jì)算出應(yīng)交納的費(fèi)用，便于用戶隨時查詢。

(3)可以進(jìn)行實(shí)時的用電分析及實(shí)時監(jiān)控。用戶數(shù)據(jù)管理功能，包括對每個數(shù)據(jù)項(xiàng)的修改、查詢，用戶的增添、刪除、排序等，以及著重顯示拖欠費(fèi)用的用戶，以供提醒。

6 抄表系統(tǒng)的可靠性分析

由于抄表系統(tǒng)屬于計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信量不大，因此在所有的通信指標(biāo)里，可靠性排在首位。而我們知道，寬帶電力線通信主要是用來提供接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的，它的實(shí)時性、高帶寬和高可靠性都超出抄表系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)。

寬帶電力線通信同時也是彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力線載波或者其他總線通信可靠性能差缺陷的最佳選擇。因?yàn)閺挠布蛙浖?個方面采取了一定措施，盡量減少線路故障等外在因素帶來的影響。如前面硬件電路里加上數(shù)據(jù)存儲單元，以備在線路斷了的情況下，可以把重要的數(shù)據(jù)存儲起來；在軟件網(wǎng)絡(luò)安全上，設(shè)計(jì)了加密算法，對每個設(shè)備設(shè)置密碼，同時對所發(fā)送的數(shù)據(jù)采取加密措施，保證了數(shù)據(jù)通信安全可靠。

7 結(jié)束語

相信隨著寬帶電力線通信的發(fā)展，以及智能化小區(qū)的建設(shè)，以太網(wǎng)抄表方式將會有更光明的前景。

[1]魏柳欽，曹國朗，孫蕊.遠(yuǎn)程自動抄表技術(shù)及應(yīng)用.[J].加入WTO和中國科技與可持續(xù)發(fā)展——挑戰(zhàn)與機(jī)遇、責(zé)任和對策（上冊）.2002.09.05.