用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李　飛，李春海，任　鵬，馬紅明，馮　波，許志平

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.石家莊科林電氣股份有限公司，石家莊 050001）

用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李飛1，李春海2，任鵬1，馬紅明1，馮波1，許志平2

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.石家莊科林電氣股份有限公司，石家莊 050001）

分析影響遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定性的因素，介紹造成采集終端頻繁上下線的原因，并從遠(yuǎn)程通信模塊軟、硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，確保了采集終端在線率，提高了遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定性。

用電信息采集；通信模塊；電源；芯片；電容

近年來用電信息采集系統(tǒng)在國(guó)家電網(wǎng)公司大力推動(dòng)下，正處于如火如荼的建設(shè)階段中。采集終端上線率是用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用考核的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，用電信息采集系統(tǒng)與采集終端遠(yuǎn)程通信最主要方式是通過遠(yuǎn)程無線通信模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。如果遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致終端頻繁上下線，嚴(yán)重影響用電信息采集系統(tǒng)在線率，從而直接影響用電信息采集系統(tǒng)正常使用［1］。

1　遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定性的影響因素

通過收集國(guó)網(wǎng)河北省電力公司系統(tǒng)各地市公司上報(bào)的此類問題，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)影響遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定性，造成采集終端頻繁上下線的原因有以下幾種。

a.通信模塊電源不穩(wěn)定。其原因是電路的功耗設(shè)計(jì)考慮不全、電源電路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)紋波的考慮欠缺，電平匹配性設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致遠(yuǎn)程通信模塊的通信不穩(wěn)定，從而發(fā)生頻繁上下線現(xiàn)象。

b.終端和通信模塊電磁干擾過大。其原因是硬件設(shè)計(jì)上對(duì)干擾防護(hù)不夠，導(dǎo)致在有異常干擾（如電壓諧波、電壓跳變、靜電干擾）的情況下，通信模塊容易出現(xiàn)故障，通信中斷，因而頻繁上下線［2］。

c.模塊掉電或發(fā)生故障時(shí)不能恢復(fù)通信。其原因是終端軟件對(duì)通信模塊的故障檢測(cè)、故障恢復(fù)和掉電處理機(jī)制不合理，導(dǎo)致終端在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定和頻繁上下線［3］。

2　遠(yuǎn)程通信模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

通過上述遠(yuǎn)程通信模塊穩(wěn)定性分析，從硬件、軟件2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，以提高采集終端遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定性。

2.1優(yōu)化通信模塊電源

通信模塊電源設(shè)計(jì)原理示意，見圖1。

為了保證通信模塊的穩(wěn)定性選用優(yōu)質(zhì)的電源芯片，在大電流的情況下應(yīng)保證電壓跌落很小，為此在通信模塊的電源管腳附近放置了大容量電容C7（容量為1000μF），增強(qiáng)了電源的瞬時(shí)輸出能力。因?yàn)殡娊怆娙菰陂L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)有容量降低現(xiàn)象，為了保證通信模塊的可靠，C7選用的是長(zhǎng)壽命，耐高溫電解電容。此外，還增加了大容量鉭電容C18（容量為470μF），目的是為了保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，即使電解電容失效，通信模塊的電源仍然能夠穩(wěn)定可靠。通過以上優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了模塊電路的功耗，基本消除電路的紋波效應(yīng)，保證了通信模塊的通信質(zhì)量。

圖1　通信模塊電源設(shè)計(jì)原理示意

2.2增強(qiáng)模塊電路的抗干擾性

在PCB布線時(shí)，將天線信號(hào)遠(yuǎn)離其他信號(hào)線，以防止通信模塊的天線信號(hào)，被電路板上其他信號(hào)干擾，如圖2所示。

圖2 PCB布線示意

圖2中，天線信號(hào)遠(yuǎn)離其他走線，兩端包地，并且預(yù)留了電容的封裝C4和C5，在干擾較大的情況可以焊接濾波電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

天線需要與射頻前端匹配，這種匹配主要是阻抗的匹配。為了防止通信模塊天線阻抗不匹配造成信號(hào)衰減，在PCB布線時(shí)，應(yīng)確保天線信號(hào)走線阻抗值滿足50Ω，為了修正PCB制板時(shí)工藝控制帶來的誤差，在天線信號(hào)走線上保留了電阻封裝，根據(jù)實(shí)際情況決定焊接相應(yīng)阻值的電阻R4和R5來匹配天線的阻抗，保證天線信號(hào)的完整性。匹配電路比較簡(jiǎn)單，一般采用T型或pi型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。就可以達(dá)到很好的匹配效果。所以需要在射頻前段預(yù)留T型或pi型網(wǎng)絡(luò)，通常采用pi型網(wǎng)絡(luò)濾波。通過以上設(shè)計(jì)修正，將大幅減小各種異常干擾的影響，保證模塊的通信質(zhì)量。

2.3優(yōu)化掉電處理和故障處理流程

為了避免由于集中器軟件處理問題導(dǎo)致通信模塊將AT指令當(dāng)做數(shù)據(jù)發(fā)送，需要確定接收通信模塊返回值的最佳時(shí)間。這樣不僅可以保證通信模塊不會(huì)錯(cuò)誤的將AT指令當(dāng)做數(shù)據(jù)發(fā)送，也不會(huì)因?yàn)槌瑫r(shí)等待時(shí)間太長(zhǎng)而導(dǎo)致軟件效率降低［4］。

為了避免請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不一致的情況，在軟件處理過程中首先組織要發(fā)送數(shù)據(jù)幀，然后計(jì)算需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，將計(jì)算得到的長(zhǎng)度作為向通信模塊發(fā)送的查詢指令A(yù)T$MYNETWRITE=＜SocketID＞，＜data _len＞的data_len，這樣可以保證發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和請(qǐng)求的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度保持一致。

為了避免通信模塊接收數(shù)據(jù)時(shí)因緩存中存在數(shù)據(jù)造成無法接收后續(xù)數(shù)據(jù)，需要確認(rèn)只要通信模塊緩存中有接收數(shù)據(jù)，無論發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令后通信模塊是否有返回值，都可以直接從通信模塊中讀取到接收數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，可在軟件中優(yōu)化接收流程，具體流程示意見圖3。

圖3　通信模塊軟件流程示意

由圖3可以看出，開始接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先查詢等待手機(jī)模塊是否有主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，有則直接讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，如果沒有，直接發(fā)送AT指令，發(fā)送接收數(shù)據(jù)的AT指令后，主控芯片直接從通信模塊讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)榇藭r(shí)不知道

通信模塊中是否有數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)有多長(zhǎng)，為了保證將通信模塊緩存中的數(shù)據(jù)全部讀取，此時(shí)讀取的長(zhǎng)度為通信模塊緩存可以存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。在讀取的數(shù)據(jù)中存在接受指令A(yù)T$MYNETREAD=＜SocketID＞，＜data_len＞的返回值，根據(jù)此返回值來判斷主控芯片讀取到的數(shù)據(jù)中是否存在有效數(shù)據(jù)，如果無有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)丟棄，完成此次接收過程，如果存在有效數(shù)據(jù)，根據(jù)返回值中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度提取主控芯片讀取到的有效數(shù)據(jù)。這種方式就避免了通信模塊緩存中數(shù)據(jù)不能完全讀取造成的接收問題。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主動(dòng)上報(bào)方式主站需要確認(rèn)而主站在上報(bào)報(bào)文時(shí)又不給確認(rèn)，造成終端由于得不到正確確認(rèn)而頻繁上下線，從程序上判斷是否需要主站確認(rèn)的參數(shù)，然后再判斷主動(dòng)上報(bào)的報(bào)文是否給確認(rèn)信息來判定是否重連模塊，來保證終端在線率［5］。

3　結(jié)論

在遠(yuǎn)程通信模塊硬件設(shè)計(jì)上，通過對(duì)元器件的選型、PCB布線方面進(jìn)行了合理的安排，保證了電源側(cè)和通信側(cè)的電路穩(wěn)定性，并通過實(shí)驗(yàn)手段論證了該方案性能上的提升。在軟件程序上，對(duì)終端與通信模塊交互流程進(jìn)行了處理，優(yōu)化了通信模塊掉地和故障的處理機(jī)制，制定了更加合理的數(shù)據(jù)交互流程，避免了通信交互程序的漏洞。通過軟、硬件上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高遠(yuǎn)程通信終端通信穩(wěn)定性。基于此軟硬件方案設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信模塊，經(jīng)過幾個(gè)試點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，均未發(fā)生掉線現(xiàn)象，進(jìn)而保證用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性，為其用電信息數(shù)據(jù)的高級(jí)應(yīng)用提供了可靠數(shù)據(jù)來源。

［1］ 任工昌，王黨席，郭 軍，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（11）：83-85.

［2］ 王向陽.基于GPRS的集中器設(shè)計(jì)［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（2）：25-28.

［3］ 許學(xué)慧，薛 琳，黃鶴松.基于GPRS技術(shù)的無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)住宅設(shè)施，2006（1）：59-61.

［4］ 邵 源，鐘 炬，周昭茂.關(guān)于低壓用戶集中抄表系統(tǒng)綜述［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（17）：42-44.

［5］ 張?jiān)讫?基于GPRS的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）：59-61.

本文責(zé)任編輯：齊勝濤

Optimization Design of Remote Communication Module of Electric Information Acquisition System

Li Fei1，Li Chunhai2，Ren Peng1，Ma Hongming1，F(xiàn)eng Bo1，Xu Zhiping1
（1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute，ShiJiaZuang 050021，China；2.Shijiazhuang Kelin Electric Co.，Ltd.Shijiazhuang 050001，China）

This paper analyzes factors affecting the stability of the remote communication，introduces acquisition terminals frequently offline，and from the remote communication module，the design of hardware and software optimization，to ensure that the acquisition terminal online rate，improve the stability of remote communication.

power information collection；communication module；power supply；chip；capacitance

TM76；TP274.2

B

1001-9898（2016）02-0011-02

2015-11-05

李 飛（1982-），男，工程師，主要從事采集終端技術(shù)檢測(cè)研究等工作。