用電信息采集系統遠程通信模塊的優化設計

李　飛，李春海，任　鵬，馬紅明，馮　波，許志平

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.石家莊科林電氣股份有限公司，石家莊 050001）

用電信息采集系統遠程通信模塊的優化設計

李飛1，李春海2，任鵬1，馬紅明1，馮波1，許志平2

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.石家莊科林電氣股份有限公司，石家莊 050001）

分析影響遠程通信穩定性的因素，介紹造成采集終端頻繁上下線的原因，并從遠程通信模塊軟、硬件設計上進行優化，確保了采集終端在線率，提高了遠程通信穩定性。

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在國家電網公司大力推動下，正處于如火如荼的建設階段中。采集終端上線率是用電信息采集系統應用考核的一個重要指標。目前，用電信息采集系統與采集終端遠程通信最主要方式是通過遠程無線通信模塊進行實時通信。如果遠程通信模塊設計不當，會導致終端頻繁上下線，嚴重影響用電信息采集系統在線率，從而直接影響用電信息采集系統正常使用［1］。

1　遠程通信穩定性的影響因素

通過收集國網河北省電力公司系統各地市公司上報的此類問題，并進行現場測試，發現影響遠程通信穩定性，造成采集終端頻繁上下線的原因有以下幾種。

a.通信模塊電源不穩定。其原因是電路的功耗設計考慮不全、電源電路設計時對紋波的考慮欠缺，電平匹配性設計不夠合理，導致遠程通信模塊的通信不穩定，從而發生頻繁上下線現象。

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

c.模塊掉電或發生故障時不能恢復通信。其原因是終端軟件對通信模塊的故障檢測、故障恢復和掉電處理機制不合理，導致終端在現場運行不穩定和頻繁上下線［3］。

2　遠程通信模塊優化設計方案

通過上述遠程通信模塊穩定性分析，從硬件、軟件2個方面進行改進，以提高采集終端遠程通信穩定性。

2.1優化通信模塊電源

通信模塊電源設計原理示意，見圖1。

為了保證通信模塊的穩定性選用優質的電源芯片，在大電流的情況下應保證電壓跌落很小，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），增強了電源的瞬時輸出能力。因為電解電容在長時間運行后會有容量降低現象，為了保證通信模塊的可靠，C7選用的是長壽命，耐高溫電解電容。此外，還增加了大容量鉭電容C18（容量為470μF），目的是為了保證長時間運行后，即使電解電容失效，通信模塊的電源仍然能夠穩定可靠。通過以上優化設計，降低了模塊電路的功耗，基本消除電路的紋波效應，保證了通信模塊的通信質量。

圖1　通信模塊電源設計原理示意

2.2增強模塊電路的抗干擾性

在PCB布線時，將天線信號遠離其他信號線，以防止通信模塊的天線信號，被電路板上其他信號干擾，如圖2所示。

圖2 PCB布線示意

圖2中，天線信號遠離其他走線，兩端包地，并且預留了電容的封裝C4和C5，在干擾較大的情況可以焊接濾波電容對信號進行濾波。

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衰減，在PCB布線時，應確保天線信號走線阻抗值滿足50Ω，為了修正PCB制板時工藝控制帶來的誤差，在天線信號走線上保留了電阻封裝，根據實際情況決定焊接相應阻值的電阻R4和R5來匹配天線的阻抗，保證天線信號的完整性。匹配電路比較簡單，一般采用T型或pi型網絡進行匹配。就可以達到很好的匹配效果。所以需要在射頻前段預留T型或pi型網絡，通常采用pi型網絡濾波。通過以上設計修正，將大幅減小各種異常干擾的影響，保證模塊的通信質量。

2.3優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致通信模塊將AT指令當做數據發送，需要確定接收通信模塊返回值的最佳時間。這樣不僅可以保證通信模塊不會錯誤的將AT指令當做數據發送，也不會因為超時等待時間太長而導致軟件效率降低［4］。

為了避免請求發送數據長度和實際發送數據長度不一致的情況，在軟件處理過程中首先組織要發送數據幀，然后計算需要發送數據幀的長度，將計算得到的長度作為向通信模塊發送的查詢指令AT$MYNETWRITE=＜SocketID＞，＜data _len＞的data_len，這樣可以保證發送的數據長度和請求的數據長度保持一致。

為了避免通信模塊接收數據時因緩存中存在數據造成無法接收后續數據，需要確認只要通信模塊緩存中有接收數據，無論發送讀取數據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據。在此基礎上，可在軟件中優化接收流程，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，開始接收數據時，首先查詢等待手機模塊是否有主動上報數據，有則直接讀取緩沖區數據，如果沒有，直接發送AT指令，發送接收數據的AT指令后，主控芯片直接從通信模塊讀取數據，因為此時不知道

通信模塊中是否有數據以及數據有多長，為了保證將通信模塊緩存中的數據全部讀取，此時讀取的長度為通信模塊緩存可以存儲的最大數據長度。在讀取的數據中存在接受指令AT$MYNETREAD=＜SocketID＞，＜data_len＞的返回值，根據此返回值來判斷主控芯片讀取到的數據中是否存在有效數據，如果無有效數據，將數據丟棄，完成此次接收過程，如果存在有效數據，根據返回值中的數據長度提取主控芯片讀取到的有效數據。這種方式就避免了通信模塊緩存中數據不能完全讀取造成的接收問題。針對現場主動上報方式主站需要確認而主站在上報報文時又不給確認，造成終端由于得不到正確確認而頻繁上下線，從程序上判斷是否需要主站確認的參數，然后再判斷主動上報的報文是否給確認信息來判定是否重連模塊，來保證終端在線率［5］。

3　結論

在遠程通信模塊硬件設計上，通過對元器件的選型、PCB布線方面進行了合理的安排，保證了電源側和通信側的電路穩定性，并通過實驗手段論證了該方案性能上的提升。在軟件程序上，對終端與通信模塊交互流程進行了處理，優化了通信模塊掉地和故障的處理機制，制定了更加合理的數據交互流程，避免了通信交互程序的漏洞。通過軟、硬件上的優化設計，可提高遠程通信終端通信穩定性。基于此軟硬件方案設計的遠程通信模塊，經過幾個試點的現場驗證，均未發生掉線現象，進而保證用電信息采集系統數據的完整性，為其用電信息數據的高級應用提供了可靠數據來源。

［1］ 任工昌，王黨席，郭 軍，等.基于GPRS的遠程抄表系統集中器設計與研究［J］.機械設計與制造，2009（11）：83-85.

［2］ 王向陽.基于GPRS的集中器設計［J］.沈陽大學學報，2008，20（2）：25-28.

［3］ 許學慧，薛 琳，黃鶴松.基于GPRS技術的無線自動抄表系統的設計［J］.中國住宅設施，2006（1）：59-61.

［4］ 邵 源，鐘 炬，周昭茂.關于低壓用戶集中抄表系統綜述［J］.電力系統自動化，1999，23（17）：42-44.

［5］ 張云龍.基于GPRS的遠程自動抄表系統的研究［J］.網絡安全技術與應用，2010（6）：59-61.

本文責任編輯：齊勝濤

Optimization Design of Remote Communication Module of Electric Information Acquisition System

Li Fei1，Li Chunhai2，Ren Peng1，Ma Hongming1，Feng 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檢測研究等工作。