基于HFC的遠程自動抄表系統構架

王奎英,李占平,余艷偉

（河南機電職業學院,河南 鄭州,451191）

0 引言

隨著網絡通信技術進步，水、電、燃氣表的傳統抄表方式受到挑戰，針對客戶“減員增效”需求提出綜合抄表系統解決方案，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接軌等功能，采用分級式管理、全自動化抄讀三表、自動數據分析，實現三表的在線抄讀、監測與監控，可通過WEB工作站瀏覽、查詢用水、用電、用氣的等數據信息。

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、計算機網絡技術以實現電表、水表、燃氣表等計量表集中自動數據抄讀，避免人工抄表中少抄、錯抄與漏抄現象，提高了抄表準確性、可靠性及工作效率。

三表集抄系統中通信方式主要有電力線載波、GPRS、微功率無線通信、現場總線等，其中電力線載波、現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），將模擬信號或數字信號經合適的調制方式調制到電力線載波頻段。其傳輸介質是已經存在的低壓電力線,是一種非常經濟和便利的集抄方式，特點是：組網結構復雜、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，通用分組無線業務）是GSM的無線接入技術和Internet分組交換技術的結合，GPRS網絡是在現有的GSM網絡當中增加GGSN、SGSN和PCU來實現的，使得用戶能夠在端對端分組方式下進行數據的發送和接收[3]。

GPRS特點：1）適用于非周期性的突發數據業務。2）上下行鏈路可不對稱，數據速率可變。3）靈活的資源管理方式（無線口資源被GSM語音和GPRS數據業務動態共享，信道分配靈活，MS與信道的多種映射關系；一個MS可同時進行多個數據會話）。4）編碼方案CS-1～CS-4，數據速率：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，網絡運營費用降低，按數據量收費。

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級無線射頻收發芯片，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數據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據傳輸效率，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具有一定優勢，nRF9E5和nRF24E1各有優點，前者具有較好覆蓋范圍，后者則擁有較高傳輸速率。

1.4 現場總線

IEC61158給出了現場總線定義：安裝在生產過程區域的現場設備、儀表與控制室內的自動控制裝置、系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。

現有40多種現場總線，目前IEC61158公布的現場總線主要有LANWORKS, CANBUS, FF H1、ControlNet、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、WorldFIP、SwiftNet和 FF的高速以太網規范即HSE；其他有實力的控制網絡有工業以太網、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主要針對制造業自動化；P-NET針對農業、養殖業、食品加工業；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省線路費用但電力線通信環境復雜且載波信號易受干擾，抄表穩定性和可靠性低，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使用無線通信網絡，覆蓋范圍廣，能滿足農村和城市集中抄表，但需要支付網絡接入費且GPRS系統硬件成本較高，另外GPRS網絡及微功率無線SOC信號不穩定、低壓線路信號干擾抄表數據產生丟包、漏包、誤抄現象，無法保證100%的一次抄讀成功率。現場總線協議比較復雜，加上現場總線標準繁多且標準不統一，其布線系統成本高和安裝施工繁雜。

因而提出基于HFC網絡的遠程抄表系統，傳輸通道干凈、無雜波干擾，傳輸距離不受限制，數據不會產生丟包的現象，加上HFC網絡都已經接入到每個小區及用戶，且距離電表、水表及燃氣表箱較近，系統操作性很強，可實現100%的抄表成功率。

2 基于HFC的遠程自動抄表系統構架

2.1 HFC系統

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

光纖主干網拓撲主要有環形拓撲、星形拓撲、樹形拓撲。本系統采用星形結構，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，對今后數據傳輸及多業務功能帶來便利。同軸分配網中光節點至用戶的電纜分配網絡，應以雙星形為主，以保證信號傳輸質量，提高系統可靠性，同時也有利于信號回傳和網絡升級改造。

HFC網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網絡非常經濟，安裝、維護方便，支持寬帶業務HFC網支持現有和正在發展的窄帶及寬帶業務，可方便地將話音、高速數據及視頻信號經調制后輸出，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網的建設可在原有基礎上改進，根據各類業務的需求逐漸將網絡升級。

HFC系統網絡結構如下圖：

圖1 HFC有線電視數據傳輸系統構成Fig.1 HFC cable data transmission system configuration

2.2 基于HFC網絡傳輸的遠程抄表系統構架

一般地，住宅遠傳抄表系統主要有計算機處理系統、數據采集集中層和電能表]三層。在基于HFC網絡傳輸的遠程抄表系統（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與表具通過RS485接口通信，同時將廣電網絡同軸線也引入表箱，HFC智能管理終端設備與小區HFC modem連接，將采集到的表具數據通過HFC網絡經廣電機房利用光纖傳輸到自來水公司、電力公司、燃氣公司機房主站。

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，采用微控制器實現電量數據的處理及顯示，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/光纖等模塊，實現與電能表、掌上抄表機和主站的數據通訊，支持國內外主流電表規約。

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、攝像式和計數式，有兩個優點：1）表具數據即表盤上非脈沖數據。2）低功耗：僅讀取數據時上電。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控，其功能主要有數據采集、數據管理、終端管理、檔案管理、遙控、自動抄表、費控管理、使用情況統計分析、異常使用情況分析、電能質量統計分析、運行維護管理、權限設置和密碼管理等。

2）智能交互終端

自動抄表系統自動采集水、電、氣表數據，能進行用電分時段計價，監測用電負荷，監視異常用電、預防故障和及時復電等功能；能完成水表、燃氣表數據讀取、用水情況監控、故障報警等；也可實現電力通信網、無線移動通信網、有線電視網、互聯網“四網合一”，可提供影視點播、信息公告、物業管理等增值服務。

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的某個頻帶內進行調制解調，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(多媒體線纜網絡系統有限公司)的DOCSIS(電纜業務上的數據接口規范)，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接收器能調諧到任何一個下行信道接收數據；3）CM能在任何一個上行信道上發送數據；4）CM發送數據前要向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

主站系統組成：WEB服務器，數據中心，帳務中心，數據庫，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）數據庫：提供數據存儲功能，可用的SQL Server 2000。

數據中心具體功能為：

1）三表管理：設置三表原始參數、地址、費率及工作狀態；

2）小區管理：設置小區有關參數；

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：進行系統表具定時抄表，抄表次數及時間設定并保留最近一次抄表數據；

7）實時抄表：實時抄取任一表具工作狀態及當前數據；

8）自動校時：定時抄表時自動校正系統內裝置的時間；

9）費用管理：費用統計、查詢、備份、報表、收費單生成；動態計算成本，為企業ERP系統提供數據支撐；

10）斷線檢測：信號線接觸不良或斷線時，系統自動顯示、報警；

11）防磁功能：外界磁性物質靠近表具影響系統工作時，系統自動顯示報警。

12）數據存儲：系統或某設備斷電時，數據長期保留；

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：根據用戶要求自動生成和打印各種報表；

15）歷史數據查詢：通過歷史數據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移動抄表；

17）遠程控制：支持利用HFC網絡遠程控制儀表狀態。

2.7 HFC網絡遠程抄表主要突出特點

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

2）采用廣電CATV網絡的屏幕字符疊加顯示系統。該系統基于廣電CATV閉路電視系統信息群發技術，經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信息發布使取消人工送單成為可能，廣播群發用水、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）廣域傳遞電網最新信息至客戶電視機，引導用戶節能用電手段，形成全民參與科學用電，緩解目前供電系統的峰谷差較大，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網絡的遠程抄表系統提高了家居表具的一次抄讀成功率，提高抄表了的效率，也把抄表系統做成了一個友好的交互系統,可在此基礎上完善成SCADA系統，開發基于HFC網絡的用水、用電、用氣GIS系統，也可單獨開發應用于自來水、電力公司、燃氣公司抄表系統。

[1]DL/T 546-201,電力線載波通信運行管理規程[S].

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

[3]文志成、張偉.GPRS 網絡技術[M].北京:電子工業出版社,2005.6.

[4]GY/T 200.1-2004.HFC網絡數據傳輸系統技術規范 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的集中抄表器設計及通信協議研究[J].繼電器,2007,35(7):46-48.

[6]GB/T 19882.1-2005自動抄表系統 第1部分:總則[S]

[7]JG/T 162-2009 住宅遠傳抄表系統[S]