基于電力線載波通信的遠程自動抄表系統設計和實現

萬照坤

1 引言

電力線載波自動抄表系統融合了通信技術、網絡技術、計算機技術等現代科學技術以及先進的管理服務理念，由于采用雙工通信，具有數據采集、數據通信、數據存儲、數據處理、遠程監控、實時或定時完成系統計量表的抄、核、收、查、控等功能。通過將其應用于遠程自動抄表系統設計中，能夠實現抄表自動化，強化對用戶的用電信息、計量信息的實時采集和異常分析。因此，亟需對電力線載波通信信道在遠程自動抄表系統中的應用方式進行詳細探究。

2 電力線載波通信信道特性

電力載波通信技術是利用電力線作為信息傳輸媒介來進行信息傳輸。電力線是為傳輸50Hz交流電能而設計的，其傳輸特性難以直接滿足載波通信的要求，電力載波信道特性復雜，通信環境惡劣，主要特性如下。

2.1 噪聲干擾大

電力線所處的環境復雜，并在電力線上接有各種各樣的大功率用電用器，當這些大功率用電器工作時，會產生噪聲干擾信號，這些干擾信號會沿著電網傳播。研究表明：這些噪聲主要包括有色背景噪聲、窄帶干擾噪聲、突發性噪聲和周期脈沖噪聲等，會造成電壓電流的劇烈變化等特點，對電力線載波通信的質量影響最大，必須采取先進的技術手段加以克服。

2.2 信號衰減復雜

在電力線上接有各種大功率用電設備，用電設備的突然切入或斷開，除了產生突發性噪聲以外，對載波信號傳輸產生嚴重影響，使載波信號的衰減變得非常復雜。研究表明：電力線上的信號衰減不僅與距離的變化有關，還跟工頻電源的相位有關。

2.3 隨機性與時變性較強

電力線主要用于傳輸電能，直接面向用電用戶，電網的用電負載隨時都會發生變化，使信道的傳輸函數隨時間變化而變化，因此，電力載波通信信道是隨機變化的，具有較強的時變性。

3 電力線載波通信信道在遠程自動抄表系統中的應用方式

遠程自動抄表主要是通過現在的網絡技術，自動采集電表、水表等計量表的讀書。這個遠程系統主要包括了用戶基本用電信息的記錄的最底層、對用戶電能表存儲的數據進行采集、存儲和輸送的采集層、接收采集層信息并下達抄表命令的集中層和對系統各部分的控制與管理等最多功能的數據中心這個系統最高層。多種方式比較，選擇用電力線的通信媒體方案，就可以充分的利用現有的已經鋪設完好的電力線網，無須重新拉線，顯得最具竟爭力和應用前景。電力線載波通信，是將信息調制為高頻信號（一般為50～500kHz）并疊加在電力線路上進行通信的技術。其優勢是利用電力線作為通信信道，不必另外鋪設通信信道，大大節省投資，維護工作量少，可靈活實現“即插即用”。

4 基于電力線載波通信的遠程自動抄表系統設計應用實例

4.1 系統組成及工作原理

本住宅小區遠程抄表系統由用戶抄表控制器、交流220V電力線、通信轉換器、CAN通信總線、CAN總線接口卡和小區管理計算機等組成，其系統總體結構框圖如圖1所示。

4.2 系統硬件設計

4.2.1 用戶抄表控制器硬件設計

用戶抄表控制器由微處理器、數據輸入接口電路、看門狗及數據存儲電路和電力載波通信接口電路等組成，其結構框圖如圖2所示。其中，微處理器采用了目前應用廣泛、功耗低、性價比高，且具有8K字節可在線重復編程的FlASh只讀程序存儲器、256字節RAM、32位I/O口線、3個16位定時/計數器和兼容標準MCS-51指令系統的ATMEl公司生產的寬工作電壓、高性能CMOS8位單片機AT89C52。數據輸入接口電路采用了光電隔離輸入和分時采集數據的措施，提高了系統的抗干擾性和可靠性。看門狗及數據存儲電路采用了可編程控制集成電路X5045.該集成電路具有上電復位、電壓監控、看門狗定時器和串行EEpROM四種功能，且存儲容量為512×8位，用于存儲單片機的重要數據。電力載波通信接口電路采用了ST公司生產的ST7538芯片作為信號調制解調芯片，該芯片是一款半雙工、同步/異步、FSK調制解調器，它專為家庭和工業領域電力線網絡通信而設計，具有功能強、集成度高、抗干擾性好等多種特點，已在電力載波通信中得到了廣泛的應用。它使用單電源供電，具有看門狗、輸出電流電壓控制、時鐘輸出、起始檢測和超時機制等功能。它有8種載波頻率可供選擇，在同一時刻只能選擇一種載波頻率使用。通過串行口與微處理器交換數據，在使用TXD、RXD、ClR/T交換數據時，由REG－DATA和RXDX來管理數據的傳輸，其工作模式有四種：數據接收、數據發送、寫控制寄存器和讀控制寄存器等，其電力載波通信接口電路如圖3所示。

本用戶抄表控制器工作過程為：AT89C52微處理器分時循環接收從數據輸入端口輸入的各表數據，并將該數據與其上一次接收的數據進行比較，若二者相等則不發送數據，若二者不等則發送數據.發送數據時，ST7538通過其RAI端對交流220V電力線上是否有載波通信信號進行檢測，若有，則繼續保持監測，若無，則微處理器就控制ST7538將表傳來的數據加于載波上，經功率放大、濾波后，再經高頻變壓器T將數據通過電力線上傳至本用戶所在樓的通信轉換器。

4.2.2 通信轉換器硬件設計

通信轉換器由微處理器、電力載波通信接口電路、看門狗及數據存儲電路和CAN總線通信接口電路等組成。其中，微處理器也采用了ATMEl公司生產的寬工作電壓、高性能CMOS8位單片機AT89C52.電力載波通信接口電路和看門狗及數據存儲電路與前述用戶抄表控制器的相似。CAN總線通信接口電路采用了CAN控制器SJA1000和CAN總線驅動器82C250.SJA1000是phIlIpS公司生產的支持CAN2.0B協議的CAN控制器，它的引腳和電氣參數與其早期產品pCA82C200完全兼容、支持11位和29位標識碼、通信速率高達1MBpS、可與多種微處理器接口、適應溫度范圍大。82C250是物理總線和CAN總線控制器之間的接口，其可提供對總線的差動發送和接收功能，具有與ISO11898標準完全兼容、高速率、過熱保護、低電流待機、未上電節點不會干擾總線等特性，其CAN總線接口電路如圖4所示。

圖4 CAN總線通信接口電路

4.2.3 CAN總線接口卡硬件設計

CAN總線接口卡由微處理器、CAN總線通信接口電路、RS232通信接口電路等組成，微處理器也采用8位單片機AT89C52.CAN總線通信接口電路與前述的相同。RS232通信接口電路采用了美信公司專為計算機的RS232標準串口設計的接口電路芯片MAX232，它使用單電源＋5V供電，含有2路發送和接收器，可實現TTl/COMS電平與RS232電平的轉換，能耗低。RS232通信接口電路較常見。

4.3 軟件設計

系統軟件由用戶抄表控制器程序、通信轉換器程序、CAN總線接口卡程序和小區管理計算機程序等組成。這里僅對用戶抄表控制器程序設計進行一下介紹，抄表控制器上電后，首先對其進行初始化，然后接收各計量表的數據并暫存，接著監測電力載波通信線是否空閑，若空閑就發送數據，否則，繼續監測，直至數據發送完畢。數據發送完成后，延時30s再繼續進行下一個循環的數據接收和發送。相鄰的兩個數據接收和發送循環間之所以延時30s，是考慮到該抄表系統對數據的采集實時性要求不是太高。具體的程序流程圖如圖5所示。

圖5 用戶抄表控制器程序流程圖

5 結語

綜上所述，本文主要結合實例，對電力線載波通信信道在遠程自動抄表系統中的應用方式進行了詳細探究，經使用證明，其數據傳輸可靠，運行穩定、安全，能夠有效克服電力載波通信距離短的不足的缺陷，同時安裝、使用方式便捷，值得推廣和應用。

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