電力系統(tǒng)集中抄表系統(tǒng)用230M電臺通信功能的研究

摘 要：目前在電力集抄環(huán)境中，由于從采集器到集抄器之間的通信環(huán)境較差因此提出了一種無線通信產(chǎn)品—無線棒。一般居民樓每個(gè)門棟有一個(gè)采集器來搜集各電能表的數(shù)據(jù)，再通過無線棒傳送給基站，基站上安裝GPRS模塊，可以把匯總的數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)傳送給管理中心的計(jì)算機(jī)。無線棒是一個(gè)典型的一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信系統(tǒng)。本論文主要是針對無線棒系統(tǒng)的基站和采集器的通信功能和通信接口的研究。

關(guān)鍵詞：無線棒；通信功能；通信接口

中圖分類號：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 10-0000-01

一、應(yīng)用模型

無線棒和采集器之間通過應(yīng)用接口連接，接收采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其整理成適合空中接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過空中接口送到基站，基站則把該數(shù)據(jù)解碼還原成采集器的原始數(shù)據(jù)，并通過基站的應(yīng)用接口傳輸?shù)郊鳎髟俑鶕?jù)電力部門的規(guī)約將數(shù)據(jù)組織起來通過GPRS模塊發(fā)送出去。

二、基站和無線棒節(jié)點(diǎn)之間交換的數(shù)據(jù)類型

考慮到實(shí)際的應(yīng)用中，對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，因此在基站和無線棒節(jié)點(diǎn)之間以長度小于140字節(jié)的報(bào)文為基本數(shù)據(jù)單元。若出現(xiàn)超長數(shù)據(jù)，則由集抄器或采集器分解成多個(gè)基本報(bào)文。基站可以對所管轄的所有無線棒節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，廣播報(bào)文長度也不超過140字節(jié)。

三、基站容量

一個(gè)小區(qū)一般情況下，在地理中心/制高點(diǎn)設(shè)置一個(gè)基站，其信號覆蓋整個(gè)小區(qū)，最多管理240個(gè)節(jié)點(diǎn)。

用單個(gè)字節(jié)編址，留出廣播地址、維護(hù)終端地址等資源。

對于居民較多的小區(qū)，可以劃分成兩個(gè)甚至多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的地理中心或者制高點(diǎn)設(shè)置一個(gè)基站。

四、頻率資源和通信速率

使用電力部門專用的230Mhz的40個(gè)頻道，每個(gè)頻道帶寬25KHz，通信速率優(yōu)先考慮4800bps，如果障礙較大，則至少保證2400bps。（不等于效載荷的速率）

每個(gè)基站和其所管轄的節(jié)點(diǎn)都使用同一個(gè)頻道，基站可以發(fā)起頻道切換，指令所有節(jié)點(diǎn)在新的頻道上工作。每個(gè)基站附近的基站采用不同的頻道，同一個(gè)頻道要求至少間隔兩個(gè)小區(qū)再重復(fù)使用，盡可能降低同頻干擾。

五、編號方案

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電臺都分配一個(gè)唯一的ID碼，ID碼長度為四字節(jié)，出廠時(shí)就燒寫在電臺中，和電臺的條碼配合進(jìn)行管理。

基站電臺也有一個(gè)唯一的ID碼，長度為三個(gè)字節(jié)，出廠時(shí)燒寫在電臺中。

基站開機(jī)后定時(shí)的把自己的ID碼廣播出去，以便各節(jié)點(diǎn)可以識別。

節(jié)點(diǎn)電臺開機(jī)后即搜索附近是否有基站（通過接受含有基站ID碼的廣播信息），從眾多基站中選出信號條件最好的，申請接入該基站，一旦基站允許接入，就會(huì)給該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)臨時(shí)的ID碼，長度為一個(gè)字節(jié)，一般情況下節(jié)點(diǎn)用這個(gè)臨時(shí)ID標(biāo)識自己的身份。在傳輸報(bào)文時(shí)，需要在報(bào)文頭部包含四字節(jié)的ID碼。

六、小區(qū)接入管理

一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)傳輸成功率太低，則檢查附近的基站，選擇信號條件較好的其他基站申請接入，一旦成功，則退出當(dāng)前的基站。

若某個(gè)基站因故障停止工作，則其管理的多個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)相繼尋找臨近基站，請求接入。

若某個(gè)小區(qū)覆蓋面積大，或節(jié)點(diǎn)密度大，網(wǎng)絡(luò)接近飽和，則可在適當(dāng)位置增加一個(gè)基站，部分節(jié)點(diǎn)就會(huì)加入這個(gè)新的基站，從而分擔(dān)業(yè)務(wù)量。為此需要規(guī)定：基站定期廣播飽和度信息（已經(jīng)接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)），節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)飽和度超過一定門限后，搜索附近基站，綜合其信號強(qiáng)度、飽和度，按照某個(gè)概率接入附近的小區(qū)。

七、傳輸時(shí)延

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)有待發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文，就會(huì)在一個(gè)特定的時(shí)隙向基站發(fā)出申請，若基站有空閑時(shí)隙，則分配給該節(jié)點(diǎn)，其就可把報(bào)文傳送出去。

大約每秒都會(huì)有一個(gè)時(shí)隙用于節(jié)點(diǎn)提出申請，若多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)提出申請則發(fā)生沖突，節(jié)點(diǎn)延時(shí)一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，再次提出申請，若連續(xù)三次申請失敗，則本次發(fā)送失敗，采集器要等待機(jī)會(huì)再次嘗試發(fā)送該報(bào)文。這個(gè)過程需要多長時(shí)間要看協(xié)議設(shè)計(jì)的情況。

若申請成功，則節(jié)點(diǎn)得到一些時(shí)隙用于傳送報(bào)文，140字節(jié)的報(bào)文加上編碼開銷，大約需要0.5S傳送完，由于劃分時(shí)隙的原因，可能需要在兩個(gè)復(fù)幀中傳輸，因此最長可能需要2S，如果超過2S還未成功，則本次發(fā)送失敗，采集器要等待機(jī)會(huì)再次嘗試發(fā)送這個(gè)報(bào)文。

為了確保較高的成功率，基站要定期的廣播業(yè)務(wù)密度信息（當(dāng)前業(yè)務(wù)時(shí)隙的繁忙程度），各節(jié)點(diǎn)要避開業(yè)務(wù)高峰期傳送數(shù)據(jù)。由于節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是在管理中心發(fā)出抄表指令之后產(chǎn)生的，因此管理中心的軟件應(yīng)當(dāng)避免在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)集中向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送抄表指令。

八、應(yīng)用接口

應(yīng)用接口要提供給采集器或者集抄器，擬采用UART，為方便安裝，需要通過RS485連接到采集器或者集抄器上。

在這個(gè)UART上，提供一套AT命令，以便采集器、集抄器來調(diào)用無線通信的功能。這樣，使用無線棒就如同使用GSM模塊一樣簡單。

無線棒一次處理一條命令，最多臨時(shí)存儲(chǔ)140字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)文，如果發(fā)送失敗則丟棄該報(bào)文，采集器、集抄器需要重新通過AT命令發(fā)送這個(gè)報(bào)文。因此無線棒本身不具備存儲(chǔ)功能。

對于基站來說，也只預(yù)備一定的臨時(shí)存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)空間內(nèi)一旦有未處理的報(bào)文，則盡快處理掉。由于要管理2百多個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID碼，因此要維護(hù)一個(gè)ID碼—臨時(shí)ID碼表，這個(gè)表格的數(shù)據(jù)有1.2K左右，需要一個(gè)存儲(chǔ)空間，考慮到這個(gè)數(shù)據(jù)更新速度比較緩慢，因此可采用一個(gè)2KB的EEPROM芯片來存儲(chǔ)。

九、結(jié)束語

以上是對無線抄表系統(tǒng)功能方面和接口部分的考慮和研究，按照上述應(yīng)用模型，在無線棒上至少包含兩個(gè)協(xié)議，一個(gè)是無線信道的空中接口協(xié)議，另一個(gè)是面向抄表終端/負(fù)控終端的協(xié)議（DCE-DTE協(xié)議）。并且對各個(gè)接口協(xié)議的功能需要做合理的劃分，這樣才能使產(chǎn)品有較好的性價(jià)比。

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