智能遠程抄表系統集中控制器及通信協議設計

王 雙 李 衛 胡源奇 魏 勇 李俊剛

（1.許昌職業技術學院，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的重要組成部分，其中的AMI是實現智能電網技術的基礎性的一步，對電表的功用和性能、信息采集及抄送方式等提出了新的要求[1-2]。目前，我國普遍采用抄表人員挨家挨戶手動抄表采集數據，然后計量收費的方式。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力浪費，也給城市管網的建設、分析、規劃等都帶來很大的困難。盡管當前也出現了一些低功耗的遠程抄表技術，如山東大學陳博等設計了一種基于Si4432無線芯片和RS-485通信標準的無線抄表系統。采用無線 Mesh網絡，選取分級路由協議并加以改進，實現了自動抄表的無線收發任務。并通過通用分組無線業務(GPRS)技術傳送數據至主站，完成抄表任務[3]，華北水利水電大學張鴻博設計了一種基于GSM模塊的無線抄表終端[4]，也有文獻介紹了基于 CAN的用電計費自動化系統的設計與實現及無線抄表系統的組建[5-6]。但歸納起來普遍存在以下缺點：①技術含量低，抄表分散。公司自己組建自己的網，網絡之間互通性差；②組網方式不統一。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通信協議不規范，信息的互通性差。不同公司之間通信協議混亂，無法實現四表的融合；④成本高。

本文在認真研究以上系統的缺點基礎上，提出了四網合一（電、水、氣、熱）的組網結構。這種組網方式具有結構簡單、可靠性高、成本低廉等優點。針對智能電網環境下智能電表互動的需求及抄表的特殊性，本文給出了集中抄表器的設計方案和通信協議的實現方法。此外，本系統還具有欠費自動停水、電、氣、熱，交費后自動恢復供水、電、熱、氣等功能。上位機可以通過不定時發送抄表指令，實現用戶信息的實時查詢，這種方法，可以查詢網絡的運行狀況和杜絕不法用戶偷（電、水、氣、熱）等不良行為。

1 智能抄表系統架構

本系統采用 GSM網和 ZIGBEE網雙層網絡結構，上層采用GSM網絡（GSM網絡在我國已經建成運行多年，技術成熟，通信穩定，覆蓋率高，尤其是其SMS短信息服務，成本低廉，時效性強，利用GSM網和集中抄表器之間SMS數據傳輸，具有時效性強，網絡覆蓋范圍大，成本低廉等特點）。底層采用ZIGBEE自組網技術有效降低系統的運行和維護成本。具體結構如圖1所示。

圖1 智能抄表系統架構

管理中心計算機運行抄表軟件通過 GSM 網向集中抄表器發送抄表指令及其他命令，例如，發送遠程抄表批處理命令，用戶欠費自動停水、電、氣、熱命令，繳費自動恢復供水、電、熱、氣等命令。除此之外，管理中心計算機還可以不定時的發送抄表指令，檢查用戶各表信息，防止出現網絡故障和杜絕不法用戶偷電、偷水、偷氣、偷熱等不良行為。GSM通信模塊采用西門子公司的TC35I。它具有接口簡單（通過RS-232口和單片機相連）、可靠性高、成本低等特點。

集中抄表器通過ZIGBEE無線自組網技術和用戶信息采集器相連。無線網絡使用挪威Nordic公司的無線通信芯片nRF401，它具有價格低廉，組網容易，通信頻段無需申請，通信距離在開闊地段可達1500m，一個小區僅需2到 3個集中抄表器就可以完全滿足一個小區的抄表需求。集中抄表器接收到批處理抄表命令后，通過ZIGBEE無線網絡向用戶信息采集器發送抄表指令，用戶信息采集器將用戶四表信息通過ZIGBEE無線網絡向集中抄表器發送用戶信息。集中抄表器將接收到的信息保存后，通過GSM網絡發送到管理中心計算機；如果集中抄表器收到管理中心計算機發來的用戶欠費信息，則將用戶欠費命令發送到用戶信息采集器，用戶信息采集器將接收到的命令進行分析，并根據相應的指令做出相應的動作。

用戶信息采集器主要完成一下功能：①負責記錄用戶的用電、用水、用氣、用熱等信息；②接收集中抄表器發來的抄表及用戶欠費等命令信息并做出相應的處理。例如，如果收到抄表命令則將用戶的四表信息自動發送到集中抄表器；如果收到用戶欠費命令則將分析欠費命令并做出相應的欠費處理；如果接收到用戶費用已交清的命令則自動恢復到正常狀態。由此可見，用戶信息采集器的可靠性尤為關鍵，為提高可靠性，本系統采用了外接MAX813看門狗來監控程序，采用AT24C04來及時保存四表的信息。

2 通信協議設計

遠程抄表系統不但要能夠保證完成信息的采集，而且要保證數據的可靠性。所以通信過程的可靠性和有效性是整個抄表系統的重要質量指標，關系到系統能否可靠運行。有文獻進行了握手式通信協議在遠程抄表系統中的應用研究[7]，為了保證抄表系統建立可靠的鏈路，經過反復實驗，設計出呼叫，應答，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。

通信系統電氣接口設計：通信速率為9600bit/s。采用異步串行方式，1位起始位，8位數據位，1位停止位，1位奇偶校驗位。

2.1 通信鏈路

為了防止幀地址受到干擾發生錯誤碼，采用冗余碼，即在每一次通信中，集中抄表器發送3組呼叫命令，呼叫命令由1個字的地址碼與一個字的結束碼組成，通信報文幀格式定義見表1。

表1 智能抄表器呼叫命令

若在 60ms的時間間隔內接收到用戶信息采集器的應答碼，則繼續發送呼叫命令，收到2次以上響應說明此次通信鏈路建立。如果未收到集中抄表器的響應，則表示通信未成功，為了防止死鎖，則繼續呼叫下一個用戶信息采集器的地址。

通信的可靠性是整個抄表系統的重要質量指標，它關系到整個系統能否平穩運行，這種 3取 2的驗證方法有效地提高了通信的可靠性，但同時它也會在一定程度上降低通信效率，為了彌補這種損失，本系統對用戶信息采集器和集中抄表器之間的通信協議分別進行了設計，這種短幀格式的數據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送的某組呼叫命令，首先進行判斷，對接收到的地址采用3取2多數表決法，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送本機地址的命令，然后等待集中抄表器發送下一步的操作命令。通信報文幀格式定義見表2。

表2 用戶信息采集器應答命令collector

2.2 集中抄表器通信幀格式

集中抄表器接收到來自用戶信息采集器的應答命令后，對接收到的地址采用3取2多數表決法，確定是哪個用戶信息采集器地址，然后發送相應的操作命令和數據。操作命令由2個相同的操作碼字節、操作數據、校驗碼和結束碼組成。通信報文幀格式定義見表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；

操作碼：管理中心計算機發送給集中抄表器的命令字（用戶欠費停水信息；用戶交費恢復供水信息；要求發送用戶四表信息等）；

校驗碼：C0H；

結束碼：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發來的命令后，響應集中抄表器的命令，向集中抄表器發送相應的數據，數據格式如下。地址碼用于集中抄表器判斷數據的來源，以方便存入相應的數據庫。用戶信息采集器向集中抄表器發送的通信報文幀格式定義見表4。

表4 用戶信息采集器上行數據

地址碼：用戶信息采集器的地址編號；

命令碼：抄表命令，用戶欠費命令和用戶已交清費用命令；

數據：用戶用水，用電，用氣，用熱信息；

校驗碼：C0H；

結束碼：E0E0H

3 程序設計

3.1 集中抄表器程序設計

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送各種命令信息。例如，發送抄表指令、用戶欠費，用戶已交清費用等信息。它與用戶信息采集器之間的通信程序設計流程圖設計如圖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算機發來的命令后向用戶信息采集器發送握手信息，三次握手不成功則呼叫下一個用戶信息采集器，如果握手成功，則向用戶信息采集器發送操作命令字，校驗碼，結束碼，等待用戶信息采集器的發回的信息；用戶信息采集器成功接收命令后向集中抄表器發送本機地址，接收命令碼及相關操作對應的數據；如果信息正確則由集中抄表器存儲用戶信息，不正確則繼續重復前面過程。

3.2 用戶信息采集器程序設計

用戶信息采集器分析接收到的命令并對其進行相應的處理，等處理完后向集中抄表器發送本機地址，接收到的命令字，相應的數據，校驗碼和結束碼。集中抄表器將接收到的地址碼，命令碼，校驗碼和結束碼進行分析，如果正確則保存采集到的數據，如果錯誤則重復前面過程，詳細過程如圖3所示。

圖3 用戶信息采集器軟件流程圖

4 應用情況

本文所介紹的智能抄表系統為國網智能電網研究院示范工程建設擬采用技術方案。該示范工程建設集成了當今智能電網建設在智能配用電領域的最新技術成果[8]，本系統作為工程中智能用電實施方案的重要組成部分，實現了園區智能電表、智能家居的通信、控制、計費及能效管理。

本文所介紹的技術方案同樣可擴展應用到智能電網一次設備狀態系統傳感層網絡的通信組網。

5 結論

這種雙層網絡的結構模式提高了系統的可靠性，降低了系統的運行和維護成本；這種反復握手的通信協議雖看似繁瑣但卻大大提高了通信過程中數據的可靠性。實踐表明，抄表數據大都是短幀結構，數據處理起來較快，在9600bit/s波特率下完成通信所需要的時間是完全滿足要求的。

[1] 陳俊,鄧桂平, 戴曉華.基于無線傳感網絡的智能電網抄表系統研究[J].電測與儀表,2010(8).

[2] 石彪,林孝康,張盛.綠色傳感網中智能抄表系統設計[J].電測與儀表,2011(8).

[3] 陳博,徐建政,劉霄.新型微功率無線抄表系統[J].電力自動化設備,2011(5).

[4] 張鴻博,張洋,趙慧光,杜曉勇.基于 GSM 模塊的無線抄表終端設計[J].華北水利水電學院學報,2010,31(4).

[5] 黃文浪.基于 CAN的用電計費自動化系統的設計與實現[J].計算機與現代化,2010(10).

[6] 李海燕.無線抄表系統的構建[J].科技創新導報,2010(24).

[7] 趙忠彪,張元敏,高榮.握手式通信協議在遠程抄表系統中的應用研究[J].繼電器,2008,36(8).

[8] 國網智能電網研究院建設工程可行性研究報告[Z].北京建筑設計研究院,2011.4.