基于HFC的遠程自動抄表系統(tǒng)構架

王奎英,李占平,余艷偉

（河南機電職業(yè)學院,河南 鄭州,451191）

0 引言

隨著網(wǎng)絡通信技術進步，水、電、燃氣表的傳統(tǒng)抄表方式受到挑戰(zhàn)，針對客戶“減員增效”需求提出綜合抄表系統(tǒng)解決方案，具有實時記錄三表使用狀況、違章使用警告、超限使用警示及與營銷系統(tǒng)接軌等功能，采用分級式管理、全自動化抄讀三表、自動數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)三表的在線抄讀、監(jiān)測與監(jiān)控，可通過WEB工作站瀏覽、查詢用水、用電、用氣的等數(shù)據(jù)信息。

1 抄表方式

一般地，自動抄表技術集成了電子技術、通信技術、計算機網(wǎng)絡技術以實現(xiàn)電表、水表、燃氣表等計量表集中自動數(shù)據(jù)抄讀，避免人工抄表中少抄、錯抄與漏抄現(xiàn)象，提高了抄表準確性、可靠性及工作效率。

三表集抄系統(tǒng)中通信方式主要有電力線載波、GPRS、微功率無線通信、現(xiàn)場總線等，其中電力線載波、現(xiàn)場總線屬于有線通信方式，GPRS、微功率無線通信屬于無線通信方式。

1.1 低壓電力線載波

電力線載波通信（power line carrier communication），將模擬信號或數(shù)字信號經(jīng)合適的調(diào)制方式調(diào)制到電力線載波頻段。其傳輸介質(zhì)是已經(jīng)存在的低壓電力線,是一種非常經(jīng)濟和便利的集抄方式，特點是：組網(wǎng)結構復雜、線路干擾噪聲強、阻抗變化大、信號衰減大，其缺點：配電變壓器對電力載波信號傳輸有阻隔作用、信號耦合方式對電力載波信號損失不同、電力線的輸入阻抗特性會隨負荷變化發(fā)生較大幅度改變、電力線存在固有的脈沖干擾、電力線對高頻載波信號造成高衰減。電力線載波抄表的詳細內(nèi)容請查閱參考文獻[1-2]。

1.2 GPRS

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務）是GSM的無線接入技術和Internet分組交換技術的結合，GPRS網(wǎng)絡是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡當中增加GGSN、SGSN和PCU來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端對端分組方式下進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[3]。

GPRS特點：1）適用于非周期性的突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務。2）上下行鏈路可不對稱，數(shù)據(jù)速率可變。3）靈活的資源管理方式（無線口資源被GSM語音和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務動態(tài)共享，信道分配靈活，MS與信道的多種映射關系；一個MS可同時進行多個數(shù)據(jù)會話）。4）編碼方案CS-1～CS-4，數(shù)據(jù)速率：9.05～171.2kbit/s。5）支持主要的接口定義包括Internet，X.25和SMS。6）和GSM基礎設施共享，網(wǎng)絡運營費用降低，按數(shù)據(jù)量收費。

1.3 微功率無線SOC通信

NRF24E1與NRF905都是Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，分別工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段和433/868/915MHz3個ISM頻道；CC1010是Chipcon公司的單片多頻段低功耗的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片，工作于300～915 MHz頻段，最小功率僅為0.2uA，并具有32 KB的Flash，可滿足大容量存儲的需要，但CC1010數(shù)據(jù)傳輸需進行曼徹斯特編碼且編程復雜，曼徹斯特編碼會降低數(shù)據(jù)傳輸效率，僅能達到標準速率的1/3。Nordic公司無線SOC芯片存儲空間較小(僅4KB)，但由于其采用先進的電源管理方式和快速的ShockBurst技術，且價格較CC1010具有一定優(yōu)勢，nRF9E5和nRF24E1各有優(yōu)點，前者具有較好覆蓋范圍，后者則擁有較高傳輸速率。

1.4 現(xiàn)場總線

IEC61158給出了現(xiàn)場總線定義：安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備、儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。

現(xiàn)有40多種現(xiàn)場總線，目前IEC61158公布的現(xiàn)場總線主要有LANWORKS, CANBUS, FF H1、ControlNet、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、WorldFIP、SwiftNet和 FF的高速以太網(wǎng)規(guī)范即HSE；其他有實力的控制網(wǎng)絡有工業(yè)以太網(wǎng)、藍牙無線，HART、Modbus、CC-Link、消費電子總線CEBus等，目前主流標準是FF、Profibus、CAN、LonWorks等，圍繞現(xiàn)場總線技術標準化，世界上各大廠商展開激烈競爭并形成了FF和Profibus兩大陣營。

現(xiàn)場總線應用領域也不盡相同，其中FF、PROFIBUS-PA、HART、WorldFIP主要應用于過程控制；PROFIBUS-DP、INTERBUS主要針對制造業(yè)自動化；P-NET針對農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、食品加工業(yè)；LonWorks、PROFIBUS-DP普遍應用于樓宇自動化；CAN適用于汽車檢測、控制領域；SwiftNet主要針對航空航天檢測與控制。

綜合上述電力線載波抄表技術節(jié)省線路費用但電力線通信環(huán)境復雜且載波信號易受干擾，抄表穩(wěn)定性和可靠性低，電力線載波抄表未獲得廣泛使用；采用GPRS技術的自動抄表系統(tǒng)使用無線通信網(wǎng)絡，覆蓋范圍廣，能滿足農(nóng)村和城市集中抄表，但需要支付網(wǎng)絡接入費且GPRS系統(tǒng)硬件成本較高，另外GPRS網(wǎng)絡及微功率無線SOC信號不穩(wěn)定、低壓線路信號干擾抄表數(shù)據(jù)產(chǎn)生丟包、漏包、誤抄現(xiàn)象，無法保證100%的一次抄讀成功率。現(xiàn)場總線協(xié)議比較復雜，加上現(xiàn)場總線標準繁多且標準不統(tǒng)一，其布線系統(tǒng)成本高和安裝施工繁雜。

因而提出基于HFC網(wǎng)絡的遠程抄表系統(tǒng)，傳輸通道干凈、無雜波干擾，傳輸距離不受限制，數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生丟包的現(xiàn)象，加上HFC網(wǎng)絡都已經(jīng)接入到每個小區(qū)及用戶，且距離電表、水表及燃氣表箱較近，系統(tǒng)操作性很強，可實現(xiàn)100%的抄表成功率。

2 基于HFC的遠程自動抄表系統(tǒng)構架

2.1 HFC系統(tǒng)

HFC網(wǎng)絡是指光纖/同軸電纜混合（包括全同軸電纜）的有線電視接入網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡應符合GY/T 106-1999和GY/T180-2001的基本要求，可提供原CATV網(wǎng)提供的業(yè)務外，用多余的頻帶傳輸電話業(yè)務、高速數(shù)據(jù)業(yè)務和個人通信業(yè)務，也被稱作全業(yè)務網(wǎng)，其構架是光纖主干網(wǎng)加上同軸分配網(wǎng)。

光纖主干網(wǎng)拓撲主要有環(huán)形拓撲、星形拓撲、樹形拓撲。本系統(tǒng)采用星形結構，星形拓撲在目前光纖價格較低情況下，即可保持較低的投資成本，又有較高的可靠性，對今后數(shù)據(jù)傳輸及多業(yè)務功能帶來便利。同軸分配網(wǎng)中光節(jié)點至用戶的電纜分配網(wǎng)絡，應以雙星形為主，以保證信號傳輸質(zhì)量，提高系統(tǒng)可靠性，同時也有利于信號回傳和網(wǎng)絡升級改造。

HFC網(wǎng)絡主要特點是傳輸頻帶較寬、傳輸信號無限制，用戶覆蓋面廣HFC網(wǎng)絡非常經(jīng)濟，安裝、維護方便，支持寬帶業(yè)務HFC網(wǎng)支持現(xiàn)有和正在發(fā)展的窄帶及寬帶業(yè)務，可方便地將話音、高速數(shù)據(jù)及視頻信號經(jīng)調(diào)制后輸出，從而提供了簡單的、能直接演變過渡到未來FTTH（光纖到用戶）的方式，HFC網(wǎng)的建設可在原有基礎上改進，根據(jù)各類業(yè)務的需求逐漸將網(wǎng)絡升級。

HFC系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如下圖：

圖1 HFC有線電視數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構成Fig.1 HFC cable data transmission system configuration

2.2 基于HFC網(wǎng)絡傳輸?shù)倪h程抄表系統(tǒng)構架

一般地，住宅遠傳抄表系統(tǒng)主要有計算機處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集集中層和電能表]三層。在基于HFC網(wǎng)絡傳輸?shù)倪h程抄表系統(tǒng)（如圖2）中，將HFC智能管理終端設置在居民樓每個單元的表箱內(nèi)與表具通過RS485接口通信，同時將廣電網(wǎng)絡同軸線也引入表箱，HFC智能管理終端設備與小區(qū)HFC modem連接，將采集到的表具數(shù)據(jù)通過HFC網(wǎng)絡經(jīng)廣電機房利用光纖傳輸?shù)阶詠硭尽㈦娏尽⑷細夤緳C房主站。

2.3 表具的要求

水表應符合GB/T778.1的要求，電能表應符合GB/T17215的要求，燃氣表應符合GB/T6968的要求。

2.3.1 直讀遠傳水表

直讀遠傳燃氣表水表采用直接讀取表具中機械計數(shù)器字輪位置的方法抄表，其抄表電路只需在抄表時短暫地通電即可，輸出為RS485接口，通信速率在4800bps、9600bps可選；傳輸距離≤1200m；工作方式為間歇式，待機電流≤8mA，工作電流≤30mA；工作環(huán)境在-10℃～55℃、RH≤93%。

2.3.2 直讀遠傳電表

單相電能表采用單相電能計量芯片作為電量采樣，采用微控制器實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的處理及顯示，具有抄表和繼電器拉合閘控制功能，可設置12位表號，并具有電能測試脈沖輸出功能，應具有計量準確、功耗低、使用壽命長、抗過載能力強、抗干擾性能好。

目前電子式電能表可配置RS485、RS232、紅外、GPRS/CDMA/PSTN/以太網(wǎng)/光纖等模塊，實現(xiàn)與電能表、掌上抄表機和主站的數(shù)據(jù)通訊，支持國內(nèi)外主流電表規(guī)約。

2.3.3 直讀遠傳燃氣表

常見直讀遠傳燃氣表可分為光電式、攝像式和計數(shù)式，有兩個優(yōu)點：1）表具數(shù)據(jù)即表盤上非脈沖數(shù)據(jù)。2）低功耗：僅讀取數(shù)據(jù)時上電。應具有停止用氣后休眠功能及過流量關閥功能。

另外水、電、氣表需要注意是表具與終端相連接時需要加隔離器件，避免相互干擾，同時起到保護作用。

2.4 智能管理終端

1）信息采集終端

信息采集終端有表具、抄表采集器、抄表集中器等，對用戶用水、電、氣信息進行實時采集和監(jiān)控，其功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、終端管理、檔案管理、遙控、自動抄表、費控管理、使用情況統(tǒng)計分析、異常使用情況分析、電能質(zhì)量統(tǒng)計分析、運行維護管理、權限設置和密碼管理等。

2）智能交互終端

自動抄表系統(tǒng)自動采集水、電、氣表數(shù)據(jù)，能進行用電分時段計價，監(jiān)測用電負荷，監(jiān)視異常用電、預防故障和及時復電等功能；能完成水表、燃氣表數(shù)據(jù)讀取、用水情況監(jiān)控、故障報警等；也可實現(xiàn)電力通信網(wǎng)、無線移動通信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)“四網(wǎng)合一”，可提供影視點播、信息公告、物業(yè)管理等增值服務。

2.5 CATV Modem

Cable Modem（上圖2中CM）的功能與普通Modem基本一致，不同之處是在CATV的某個頻帶內(nèi)進行調(diào)制解調(diào)，其應符合YD/T1076標準。

Cable Modem技術有兩個標準體系：1）IEEE802.14，該體系以ATM為核心。2）MCNS(多媒體線纜網(wǎng)絡系統(tǒng)有限公司)的DOCSIS(電纜業(yè)務上的數(shù)據(jù)接口規(guī)范)，該體系以IP為核心。目前DOCSIS標準占主導地位，主流CM設備都符合DOCSIS規(guī)范，其工作原理為：1）每個CM都有一個MAC地址；2）CM接收器能調(diào)諧到任何一個下行信道接收數(shù)據(jù)；3）CM能在任何一個上行信道上發(fā)送數(shù)據(jù)；4）CM發(fā)送數(shù)據(jù)前要向CMTS申請帶寬；5）上行幀為小時隙流格式；6）下行幀格式為MPEG-2，其中可以封裝ATM信元或可變長分組。

2.6 主站

主站系統(tǒng)組成：WEB服務器，數(shù)據(jù)中心，帳務中心，數(shù)據(jù)庫，短信中心等。

1）WEB服務器：供用戶通過WEB工作站管理和瀏覽抄表信息等。

2）帳務中心：負責相應系統(tǒng)帳務結算。

3）短信中心：提供漏報短信提醒及短信通知功能。

4）數(shù)據(jù)庫：提供數(shù)據(jù)存儲功能，可用的SQL Server 2000。

數(shù)據(jù)中心具體功能為：

1）三表管理：設置三表原始參數(shù)、地址、費率及工作狀態(tài)；

2）小區(qū)管理：設置小區(qū)有關參數(shù)；

3）用戶管理：管理和控制每戶用量及結算方式等；

4）工作日志：系統(tǒng)工作情況保留、查詢；

5）權限管理：管理操作人員及權限；

6）定時抄表：進行系統(tǒng)表具定時抄表，抄表次數(shù)及時間設定并保留最近一次抄表數(shù)據(jù)；

7）實時抄表：實時抄取任一表具工作狀態(tài)及當前數(shù)據(jù)；

8）自動校時：定時抄表時自動校正系統(tǒng)內(nèi)裝置的時間；

9）費用管理：費用統(tǒng)計、查詢、備份、報表、收費單生成；動態(tài)計算成本，為企業(yè)ERP系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；

10）斷線檢測：信號線接觸不良或斷線時，系統(tǒng)自動顯示、報警；

11）防磁功能：外界磁性物質(zhì)靠近表具影響系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)自動顯示報警。

12）數(shù)據(jù)存儲：系統(tǒng)或某設備斷電時，數(shù)據(jù)長期保留；

13）用戶查詢：按編號、地址、姓名、電話等信息查詢用戶資料；

14）報表生成：根據(jù)用戶要求自動生成和打印各種報表；

15）歷史數(shù)據(jù)查詢：通過歷史數(shù)據(jù)庫進行分類查詢和組合查詢；

16）移動抄表：配合特定手持終端能實現(xiàn)移動抄表；

17）遠程控制：支持利用HFC網(wǎng)絡遠程控制儀表狀態(tài)。

2.7 HFC網(wǎng)絡遠程抄表主要突出特點

1）無需重鋪網(wǎng)絡，避免重復投資。現(xiàn)有居民樓都已鋪設CATV/HFC網(wǎng)絡，網(wǎng)絡接入口與電表箱距離，網(wǎng)絡搭建成本成倍降低。

2）采用廣電CATV網(wǎng)絡的屏幕字符疊加顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于廣電CATV閉路電視系統(tǒng)信息群發(fā)技術，經(jīng)過智能終端模塊控制加上自來水、電力公司、燃氣公司營銷系統(tǒng)的客戶唯一標識，可確保催繳費信息準確的送達需充值客戶而不影響其他客戶；可通過機頂盒遙控器方式進行電視在線繳費，真正解決“抄表-送單-收費-催費”全過程自動化；通過廣電OSD信息發(fā)布使取消人工送單成為可能，廣播群發(fā)用水、用電、用氣等信息都可顯示于電視機屏幕。

圖2 基于HFC網(wǎng)絡自動抄表拓撲結構Fig.2 automatic meter reading based HFC network topology

3）廣域傳遞電網(wǎng)最新信息至客戶電視機，引導用戶節(jié)能用電手段，形成全民參與科學用電，緩解目前供電系統(tǒng)的峰谷差較大，用電高峰時電力非常緊張的局面。

4）基于HFC網(wǎng)絡一次抄表成功率、準確率100%、抄表響應時間≤2s；遠停遠送≤10s、設備在線率100%、遠控失誤率0%。

3 結論與展望

基于HFC網(wǎng)絡的遠程抄表系統(tǒng)提高了家居表具的一次抄讀成功率，提高抄表了的效率，也把抄表系統(tǒng)做成了一個友好的交互系統(tǒng),可在此基礎上完善成SCADA系統(tǒng)，開發(fā)基于HFC網(wǎng)絡的用水、用電、用氣GIS系統(tǒng)，也可單獨開發(fā)應用于自來水、電力公司、燃氣公司抄表系統(tǒng)。

[1]DL/T 546-201,電力線載波通信運行管理規(guī)程[S].

[2]GB/T 19882.211自動抄表系統(tǒng)第211部分：低壓電力線載波抄表系統(tǒng) 系統(tǒng)要求[S]

[3]文志成、張偉.GPRS 網(wǎng)絡技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.6.

[4]GY/T 200.1-2004.HFC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)技術規(guī)范 第1部分:總體要求[S]

[5]蔡子亮,趙忠彪,高榮.一種新型遠程抄表系統(tǒng)的集中抄表器設計及通信協(xié)議研究[J].繼電器,2007,35(7):46-48.

[6]GB/T 19882.1-2005自動抄表系統(tǒng) 第1部分:總則[S]

[7]JG/T 162-2009 住宅遠傳抄表系統(tǒng)[S]