智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中控制器及通信協(xié)議設(shè)計(jì)

王 雙 李 衛(wèi) 胡源奇 魏 勇 李俊剛

（1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000；2.云南省電力公司普洱供電局，云南 普洱 665000；3.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

智能用電作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其中的AMI是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)性的一步，對(duì)電表的功用和性能、信息采集及抄送方式等提出了新的要求[1-2]。目前，我國(guó)普遍采用抄表人員挨家挨戶手動(dòng)抄表采集數(shù)據(jù)，然后計(jì)量收費(fèi)的方式。電、氣、水、熱公司基本上各自為政，自成體系。這不僅造成巨大的人力財(cái)力浪費(fèi)，也給城市管網(wǎng)的建設(shè)、分析、規(guī)劃等都帶來(lái)很大的困難。盡管當(dāng)前也出現(xiàn)了一些低功耗的遠(yuǎn)程抄表技術(shù)，如山東大學(xué)陳博等設(shè)計(jì)了一種基于Si4432無(wú)線芯片和RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線抄表系統(tǒng)。采用無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)，選取分級(jí)路由協(xié)議并加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)抄表的無(wú)線收發(fā)任務(wù)。并通過(guò)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)傳送數(shù)據(jù)至主站，完成抄表任務(wù)[3]，華北水利水電大學(xué)張鴻博設(shè)計(jì)了一種基于GSM模塊的無(wú)線抄表終端[4]，也有文獻(xiàn)介紹了基于 CAN的用電計(jì)費(fèi)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及無(wú)線抄表系統(tǒng)的組建[5-6]。但歸納起來(lái)普遍存在以下缺點(diǎn)：①技術(shù)含量低，抄表分散。公司自己組建自己的網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)之間互通性差；②組網(wǎng)方式不統(tǒng)一。有些采用電力載波抄表，有些紅外抄表，有些采用RS-485抄表等；③通信協(xié)議不規(guī)范，信息的互通性差。不同公司之間通信協(xié)議混亂，無(wú)法實(shí)現(xiàn)四表的融合；④成本高。

本文在認(rèn)真研究以上系統(tǒng)的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了四網(wǎng)合一（電、水、氣、熱）的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這種組網(wǎng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)智能電網(wǎng)環(huán)境下智能電表互動(dòng)的需求及抄表的特殊性，本文給出了集中抄表器的設(shè)計(jì)方案和通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。此外，本系統(tǒng)還具有欠費(fèi)自動(dòng)停水、電、氣、熱，交費(fèi)后自動(dòng)恢復(fù)供水、電、熱、氣等功能。上位機(jī)可以通過(guò)不定時(shí)發(fā)送抄表指令，實(shí)現(xiàn)用戶信息的實(shí)時(shí)查詢，這種方法，可以查詢網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況和杜絕不法用戶偷（電、水、氣、熱）等不良行為。

1 智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用 GSM網(wǎng)和 ZIGBEE網(wǎng)雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上層采用GSM網(wǎng)絡(luò)（GSM網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)已經(jīng)建成運(yùn)行多年，技術(shù)成熟，通信穩(wěn)定，覆蓋率高，尤其是其SMS短信息服務(wù)，成本低廉，時(shí)效性強(qiáng)，利用GSM網(wǎng)和集中抄表器之間SMS數(shù)據(jù)傳輸，具有時(shí)效性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，成本低廉等特點(diǎn)）。底層采用ZIGBEE自組網(wǎng)技術(shù)有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)

管理中心計(jì)算機(jī)運(yùn)行抄表軟件通過(guò) GSM 網(wǎng)向集中抄表器發(fā)送抄表指令及其他命令，例如，發(fā)送遠(yuǎn)程抄表批處理命令，用戶欠費(fèi)自動(dòng)停水、電、氣、熱命令，繳費(fèi)自動(dòng)恢復(fù)供水、電、熱、氣等命令。除此之外，管理中心計(jì)算機(jī)還可以不定時(shí)的發(fā)送抄表指令，檢查用戶各表信息，防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障和杜絕不法用戶偷電、偷水、偷氣、偷熱等不良行為。GSM通信模塊采用西門(mén)子公司的TC35I。它具有接口簡(jiǎn)單（通過(guò)RS-232口和單片機(jī)相連）、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。

集中抄表器通過(guò)ZIGBEE無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)和用戶信息采集器相連。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用挪威Nordic公司的無(wú)線通信芯片nRF401，它具有價(jià)格低廉，組網(wǎng)容易，通信頻段無(wú)需申請(qǐng)，通信距離在開(kāi)闊地段可達(dá)1500m，一個(gè)小區(qū)僅需2到 3個(gè)集中抄表器就可以完全滿足一個(gè)小區(qū)的抄表需求。集中抄表器接收到批處理抄表命令后，通過(guò)ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向用戶信息采集器發(fā)送抄表指令，用戶信息采集器將用戶四表信息通過(guò)ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向集中抄表器發(fā)送用戶信息。集中抄表器將接收到的信息保存后，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到管理中心計(jì)算機(jī)；如果集中抄表器收到管理中心計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的用戶欠費(fèi)信息，則將用戶欠費(fèi)命令發(fā)送到用戶信息采集器，用戶信息采集器將接收到的命令進(jìn)行分析，并根據(jù)相應(yīng)的指令做出相應(yīng)的動(dòng)作。

用戶信息采集器主要完成一下功能：①負(fù)責(zé)記錄用戶的用電、用水、用氣、用熱等信息；②接收集中抄表器發(fā)來(lái)的抄表及用戶欠費(fèi)等命令信息并做出相應(yīng)的處理。例如，如果收到抄表命令則將用戶的四表信息自動(dòng)發(fā)送到集中抄表器；如果收到用戶欠費(fèi)命令則將分析欠費(fèi)命令并做出相應(yīng)的欠費(fèi)處理；如果接收到用戶費(fèi)用已交清的命令則自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。由此可見(jiàn)，用戶信息采集器的可靠性尤為關(guān)鍵，為提高可靠性，本系統(tǒng)采用了外接MAX813看門(mén)狗來(lái)監(jiān)控程序，采用AT24C04來(lái)及時(shí)保存四表的信息。

2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)不但要能夠保證完成信息的采集，而且要保證數(shù)據(jù)的可靠性。所以通信過(guò)程的可靠性和有效性是整個(gè)抄表系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo)，關(guān)系到系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行。有文獻(xiàn)進(jìn)行了握手式通信協(xié)議在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[7]，為了保證抄表系統(tǒng)建立可靠的鏈路，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出呼叫，應(yīng)答，再通信的串口通信方案，其通信的可靠性在很大的程度上得到了提高。

通信系統(tǒng)電氣接口設(shè)計(jì)：通信速率為9600bit/s。采用異步串行方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位奇偶校驗(yàn)位。

2.1 通信鏈路

為了防止幀地址受到干擾發(fā)生錯(cuò)誤碼，采用冗余碼，即在每一次通信中，集中抄表器發(fā)送3組呼叫命令，呼叫命令由1個(gè)字的地址碼與一個(gè)字的結(jié)束碼組成，通信報(bào)文幀格式定義見(jiàn)表1。

表1 智能抄表器呼叫命令

若在 60ms的時(shí)間間隔內(nèi)接收到用戶信息采集器的應(yīng)答碼，則繼續(xù)發(fā)送呼叫命令，收到2次以上響應(yīng)說(shuō)明此次通信鏈路建立。如果未收到集中抄表器的響應(yīng)，則表示通信未成功，為了防止死鎖，則繼續(xù)呼叫下一個(gè)用戶信息采集器的地址。

通信的可靠性是整個(gè)抄表系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo)，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否平穩(wěn)運(yùn)行，這種 3取 2的驗(yàn)證方法有效地提高了通信的可靠性，但同時(shí)它也會(huì)在一定程度上降低通信效率，為了彌補(bǔ)這種損失，本系統(tǒng)對(duì)用戶信息采集器和集中抄表器之間的通信協(xié)議分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，這種短幀格式的數(shù)據(jù)有效提高了通信效率。

用戶信息采集器采用串口中斷的接收方式，如果收到集中抄表器發(fā)送的某組呼叫命令，首先進(jìn)行判斷，對(duì)接收到的地址采用3取2多數(shù)表決法，以確定是否是呼叫本信息采集器的地址，如果是就向集中抄表器發(fā)送本機(jī)地址的命令，然后等待集中抄表器發(fā)送下一步的操作命令。通信報(bào)文幀格式定義見(jiàn)表2。

表2 用戶信息采集器應(yīng)答命令collector

2.2 集中抄表器通信幀格式

集中抄表器接收到來(lái)自用戶信息采集器的應(yīng)答命令后，對(duì)接收到的地址采用3取2多數(shù)表決法，確定是哪個(gè)用戶信息采集器地址，然后發(fā)送相應(yīng)的操作命令和數(shù)據(jù)。操作命令由2個(gè)相同的操作碼字節(jié)、操作數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼和結(jié)束碼組成。通信報(bào)文幀格式定義見(jiàn)表3。

表3 集中抄表器操作命令

地址碼：用戶信息采集器的地址編號(hào)；

操作碼：管理中心計(jì)算機(jī)發(fā)送給集中抄表器的命令字（用戶欠費(fèi)停水信息；用戶交費(fèi)恢復(fù)供水信息；要求發(fā)送用戶四表信息等）；

校驗(yàn)碼：C0H；

結(jié)束碼：E0E0H

2.3 用戶信息采集器通信幀格式

用戶信息采集器收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令后，響應(yīng)集中抄表器的命令，向集中抄表器發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如下。地址碼用于集中抄表器判斷數(shù)據(jù)的來(lái)源，以方便存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶信息采集器向集中抄表器發(fā)送的通信報(bào)文幀格式定義見(jiàn)表4。

表4 用戶信息采集器上行數(shù)據(jù)

地址碼：用戶信息采集器的地址編號(hào)；

命令碼：抄表命令，用戶欠費(fèi)命令和用戶已交清費(fèi)用命令；

數(shù)據(jù)：用戶用水，用電，用氣，用熱信息；

校驗(yàn)碼：C0H；

結(jié)束碼：E0E0H

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 集中抄表器程序設(shè)計(jì)

集中抄表器與用戶信息采集器之間的通信采用主從式通信，集中抄表器向用戶信息采集器發(fā)送各種命令信息。例如，發(fā)送抄表指令、用戶欠費(fèi)，用戶已交清費(fèi)用等信息。它與用戶信息采集器之間的通信程序設(shè)計(jì)流程圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 集中抄表器軟件流程圖

集中抄表器接收到管理中心計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令后向用戶信息采集器發(fā)送握手信息，三次握手不成功則呼叫下一個(gè)用戶信息采集器，如果握手成功，則向用戶信息采集器發(fā)送操作命令字，校驗(yàn)碼，結(jié)束碼，等待用戶信息采集器的發(fā)回的信息；用戶信息采集器成功接收命令后向集中抄表器發(fā)送本機(jī)地址，接收命令碼及相關(guān)操作對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；如果信息正確則由集中抄表器存儲(chǔ)用戶信息，不正確則繼續(xù)重復(fù)前面過(guò)程。

3.2 用戶信息采集器程序設(shè)計(jì)

用戶信息采集器分析接收到的命令并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，等處理完后向集中抄表器發(fā)送本機(jī)地址，接收到的命令字，相應(yīng)的數(shù)據(jù)，校驗(yàn)碼和結(jié)束碼。集中抄表器將接收到的地址碼，命令碼，校驗(yàn)碼和結(jié)束碼進(jìn)行分析，如果正確則保存采集到的數(shù)據(jù)，如果錯(cuò)誤則重復(fù)前面過(guò)程，詳細(xì)過(guò)程如圖3所示。

圖3 用戶信息采集器軟件流程圖

4 應(yīng)用情況

本文所介紹的智能抄表系統(tǒng)為國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院示范工程建設(shè)擬采用技術(shù)方案。該示范工程建設(shè)集成了當(dāng)今智能電網(wǎng)建設(shè)在智能配用電領(lǐng)域的最新技術(shù)成果[8]，本系統(tǒng)作為工程中智能用電實(shí)施方案的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)智能電表、智能家居的通信、控制、計(jì)費(fèi)及能效管理。

本文所介紹的技術(shù)方案同樣可擴(kuò)展應(yīng)用到智能電網(wǎng)一次設(shè)備狀態(tài)系統(tǒng)傳感層網(wǎng)絡(luò)的通信組網(wǎng)。

5 結(jié)論

這種雙層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模式提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本；這種反復(fù)握手的通信協(xié)議雖看似繁瑣但卻大大提高了通信過(guò)程中數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)踐表明，抄表數(shù)據(jù)大都是短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理起來(lái)較快，在9600bit/s波特率下完成通信所需要的時(shí)間是完全滿足要求的。

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