基于CDMA的電力遠程抄表物聯網應用

羅 俊，周 峰

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 物聯網架構

物聯網 （Internet of things，IOT）[1]是將所有物品通過RFID（射頻識別）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網把新一代信息通信技術充分運用在各行各業之中，具體地說，就是把傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合。在此基礎上，人類可以更加精細和動態的方式管理生產和生活，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。

物聯網系統架構主要包括3個層面：感知層、網絡層以及應用層，如圖1所示。感知層是傳統電信網絡架構中所沒有的，主要用于識別物體、采集信息，由各類感知設備組成，主要包括RFID、傳感器網絡、無線傳感器網絡、視頻采集等各行各業的傳感采集設備。傳送層主要用于信息傳遞，包括接入單元以及接入網絡兩部分。接入單元有行業物聯網網關、家庭物聯網網關、離散的M2M終端、共享式網關等。接入網絡包括有線（寬帶、PSTN）、無線（2G/3G、Wi-Fi、WiMAX等）。網絡層要根據感知延伸層的業務特征，優化網絡特性，更好地支持物-物與物-人通信。

應用層最終面向各類應用，實現信息的處理、協同、共享、決策。從服務主體出發，物聯網應用分為：行業專用服務、行業公眾服務、公眾服務。從應用場景看，包含工業、農業、電力、醫療、交通物流、家居、個人服務等人們可以預見的各種場景。應用層涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發現等多種技術。

2 基于CDMA 3G網絡的電力遠程抄表物聯網

電力抄表是現代電力系統中的一個重要環節，傳統的電力抄表多是通過人工定時到現場抄取數據，不僅會耗費大量的人力資源，而且在數據的時實性、準確性上都存在著許多不足之處。將現代的電力傳感測量技術與信息通信技術、計算機技術等結合在一起的遠程電力抄表物聯網系統，能夠為電力管理部門提供及時、準確、直觀的電量使用數據和統計狀況，加強了電力管理部門對電量使用的監控和管理能力。CDMA技術的出現和物聯網技術的應用深入，為遠程的數據傳輸提供了新的有效途徑。

目前在電力抄表領域也出現了一些基于GPRS等無線技術的電力遠程抄表應用，解決了部分地區的電力用戶抄表需求[2]。但隨著我國經濟的飛速發展和電力企業信息化加速，電力遠程抄表系統的覆蓋用戶規模需求呈現出快速增長的趨勢；同時，隨著電力企業對用戶的“分時計費”策略的深入推進，電力企業對抄表信息的數據量要求更大，對系統的管理功能也有了更高的要求。另外，由于抄表數據信息具有一定的隱私性和安全性要求，電力企業和用戶對抄表系統在數據的保密和安全方面的要求也進一步提高。傳統的GPRS電力遠程抄表等方案已經逐漸不適應遠程抄表應用發展的需要，電力企業對更加高效的電力遠程抄表物聯網解決方案的需求十分迫切。

CDMA無線通信網絡具備系統容量大、傳輸速率高、保密性好、功耗低等優勢，非常適合電力等行業的物聯網應用[3]。目前，中國電信股份有限公司（以下簡稱中國電信）構建了覆蓋廣泛的CDMA制式3G網絡，已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡，特別是Ev-Do的高速無線數據業務具備很強的行業競爭優勢。基于CDMA 3G網絡構建電力遠程抄表物聯網解決方案，可為電力系統提供簡單、高效、安全的通信傳輸手段，非常適合電力部門用來將民用和工業電表采集的電力數據實時傳遞到地、市、省級的集中監控中心，以實現對用電信息的統一監控和分布式管理。

2.1 系統架構和原理

基于CDMA 3G網絡的電力遠程抄表物聯網系統主要包括3個基本組成部分：電力數據采集設備（感知層）、電信傳輸網絡（網絡層）、電力抄表數據中心平臺（應用平臺層），其組網架構如圖2所示。

感知層部分由電力數據采集設備組成。目前居民使用的電表主要由普通電表和智能電表組成。老小區多使用普通電表，針對普通電表可在每棟樓宇里設置一個樓宇采集器，各家各戶的普通電表通過RS485總線連接到樓宇集中器，將采集的電力數據發送到樓宇采集器。通過樓宇采集器可實現對用戶現場電表數據的匯集，每臺樓宇采集器最多可接入32臺普通電表。每臺樓宇采集器可通過免費計量頻段（470～510 MHz，覆蓋范圍為 1～2 km）采用無線方式，也可通過電力線載波（power line carrier，PLC）方式將樓宇集中器的電力數據上傳至小區集中器。由于PLC方式在抄表的穩定性和準確性上存在不足，因此目前多采用免費計量頻段的無線方式進行傳輸。而針對采用智能電表的新建小區，各家各戶的智能電表可采用免費計量頻段的無線方式將用電數據傳輸到小區集中器。小區集中器包含CDMA通信模塊，使用中國電信物聯網統一的UIM卡進行注冊、管理和鑒權，可將各樓宇集中器匯集上來的用戶用電數據通過CDMA網絡發送到電力公司抄表數據中心。小區集中器的數目可根據小區住戶規模進行調整和設定，一般設置比例為1臺小區集中器對應200戶左右住戶。對工業大用戶電表而言，可將電表連接CDMA通信模塊直接與CDMA網絡通信來傳輸電力數據。

網絡層部分由中國電信覆蓋廣泛的cdma2000 1x/Ev-Do網絡組成，電力公司抄表數據中心服務器配置固定的IP地址，小區集中器依靠CDMA基于IP的數據分組通信網絡完成與電力公司抄表數據中心的通信功能。小區集中器先通過CDMA通信模塊將電力抄表數據傳輸到CDMA 網絡的 PDSN（packet data serving node）服務器，然后PDSN服務器將數據傳輸至抄表數據中心，整個數據傳輸過程通過透明傳輸完成。PDSN服務器與抄表數據中心的數據通信可通過公網使用VPN進行連接，這種方式成本較低、安全性高，且速度和服務質量都有所保障。

應用平臺層部分則由電力公司抄表數據中心組成。數據中心服務器接收到CDMA網絡傳輸來的數據進行認證后，可通過系統軟件平臺進行計費、校驗、存儲、分析、管理等，并可對異常情況進行告警，同時對用戶的電力使用情況進行實時監控，以保證電力公司的合法利益。

2.2 數據傳輸模式

該系統可根據電力用戶的不同需要，如定時上報樓宇月用電總數據、查詢某戶單月用電數據、實時異常/報警數據等，提供不同的數據傳輸模式，包括永久在線、定時傳輸、短信觸發等模式。

·永久在線模式：小區集中器的CDMA通信模塊開機后便自動連接cdma2000 1x/Ev-Do網絡，根據抄表數據中心配置的IP地址自動連接數據中心，并通過發送心跳幀以保持和維護通信鏈路的連接。當網絡發生異常時，CDMA通信模塊會在故障恢復后自動重新建立鏈路。該模式能實時對抄表數據中心進行數據接收和發送，設備響應時間快，但因長時間占用CDMA通信網絡資源，且產生了多余的無效數據量，增加了運營成本。

·定時傳輸模式：抄表數據中心可設定小區集中器CDMA模塊的數據接收和發送時間。小區集中器在指定的時間接收數據中心發送的指令，并在指定時間上報電力數據，當數據收發過程完畢，自動斷線，并在下一個時間喚醒。該模式節省網絡通信資源，成本較低，適合日常電力數據的上報等。

·短信觸發模式：小區集中器在無數據通信要求時間段斷開CDMA通信鏈路。電力數據中心在需要收集或發送數據時，可通過短信對小區集中器的CDMA通信模塊進行喚醒，并進行數據發送與接收。當數據收發完畢，自動斷線。該模式適合日常、告警、異常等電力數據的上報等。

2.3 系統優勢

基于CDMA 3G網絡的電力遠程抄表物聯網系統相比其他遠程抄表系統而言，具備如下特點。

·數據傳輸速率高：CDMA 3G網絡傳輸速率理論上可達3.1 Mbit/s，目前實際數據傳輸速率平均在600 kbit/s左右，完全滿足本系統對數據傳輸速率（>10 kbit/s）的要求，對于“分時計費”等策略下的高數據速率要求也完全能滿足。

·實時性強、數據延時小：CDMA系統具有實時在線特性，且傳輸速率高，系統設備響應速度快，能很好地滿足系統對數據采集的實時性和突發性要求，對“分時計費”等大數據量需求也能良好支持。同時由于CDMA通信模塊處理時間短，CDMA網絡延時低，也能滿足定時傳輸、短信觸發等數據傳輸模式下的延時在系統要求范圍內。

·系統覆蓋范圍廣、建設成本低：CDMA 3G網絡覆蓋范圍廣，可實現全國絕大部分區域對電力遠程抄表的控制和管理。而且由于采用CDMA無線公網平臺，前期投資少，后期升級維護成本低。

·安全性高：由于整個通信過程采用了CDMA和VPN等技術，保密性強，能有效保護電力數據隱私。

·通信費用低：采用包月流量套餐計費方式，運營成本低。

3 系統性能

下面以上海浦東某小區為例，對基于CDMA 3G網絡的電力遠程抄表物聯網進行系統性能分析。該小區約有1 300戶住戶，設置了5～6個CDMA小區集中器。每個集中器通常情況在每月20～25日期間上傳1次，每次上傳的電力抄表數據量為20～30 MB。若采用“分時計費”等策略，預計每次需上傳的流量數增加70%左右。

（1）實時數據傳輸功能測試

測試系統實時數據傳輸功能發現，從小區CDMA集中器發送抄表數據開始，到抄表數據中心開始接收數據，所對應的通信系統延時一般小于2 s。而數據流量的傳輸數據率一般在600 kbit/s左右，對應最大數據傳輸延時為50 s左右。相比其他無線抄表系統而言，具備明顯的高速率和低延時優勢。

（2）短信觸發功能測試

從測試系統提供的短信觸發傳輸功能發現，從抄表數據中心發起短信開始到CDMA小區集中器喚醒后開始發送數據，大約經歷30 s時間。

（3）通信費用分析

針對不同規模的小區流量需求提供不同的包月流量套餐，建議可為每個CDMA小區集中器提供10～15元/月套餐，包月流量為80～120 MB。該套餐能滿足該小區目前的電力遠程抄表需求，并基本能滿足對未來“分時計費”等策略的流量需求。

4 結束語

中國電信深入探索物聯網在電力行業應用的需求，將傳感器感知技術、短距離電力傳輸技術與中國電信cdma2000 1x/Ev-Do無線傳輸技術結合，構建了高效的基于CDMA 3G網絡的電力遠程抄表物聯網，很好地解決了遠程電力抄表領域的需求，同時很好地支持了未來電力行業的“分時計費”等策略的應用。在下一步的探索中，還可以將智能數據分析處理平臺引入到電力遠程抄表數據平臺，同時引入“錯峰用電”、“電力調度分配”等未來電力系統的信息化戰略，更加科學有效地管理和控制單位或個人的電力使用情況，力助電力系統的信息化管理水平的提升。

1 張春紅.物聯網技術與應用.北京：人民郵電出版社，2011

2 侯思祖，王亞微.GPRS技術在電力抄表領域的研究與應用.低壓電器，2008(8)

3 栗玉霞，徐建政，劉愛兵.GPRS技術在自動抄表系統中的應用.電力自動化設備，2003(12)

4 竇中兆，雷湘.CDMA無線通信原理.北京：清華大學出版社,2004