基于USB方式的采集終端4G遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計(jì)

郭 皎，巨漢基，崔文武 ，妙紅英，姜振宇

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，承德 067000）

截至2018年8月，國(guó)網(wǎng)公司累計(jì)安裝智能電能表4.45億只，采集覆蓋率達(dá)99.5%[1]。隨著各業(yè)務(wù)部門對(duì)采集數(shù)據(jù)需求的不斷增大，采集終端通信壓力也隨之增加。目前，僅冀北公司用電信息采集系統(tǒng)平均每月為營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備（資產(chǎn)）運(yùn)維精益管理系統(tǒng)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等11個(gè)系統(tǒng)/平臺(tái)提供共享數(shù)據(jù)8.6億余條。隨著電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)的大力推廣，采集終端與用電信息采集系統(tǒng)的信息交互逐漸采用4G網(wǎng)絡(luò)替換之前的2G網(wǎng)絡(luò)。然而，普通4G遠(yuǎn)程通信模塊與終端之間采用串口方式通信，串口通信最高波特率為115.2 kb/s[2]，而4G網(wǎng)絡(luò)通信速率可達(dá)到60 Mb/s[3]，約為串口通信速率的600倍，導(dǎo)致4G網(wǎng)絡(luò)通信的高速率未能充分利用，串口通信速率成為普通4G通信模塊的瓶頸。

為更好地支撐各專業(yè)的業(yè)務(wù)需求，充分發(fā)揮4G遠(yuǎn)程通信模塊的效能，提出了基于USB方式的采集終端4G遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計(jì)方案，即終端與4G遠(yuǎn)程通信模塊之間采用USB通信方式，USB的通信速率為480 Mb/s[4]，可大幅提升4G通信模塊數(shù)據(jù)傳輸性能。目前該模塊已在國(guó)網(wǎng)冀北公司推廣應(yīng)用。

1 基于USB方式的通信模塊數(shù)據(jù)傳輸方案

在用電信息采集傳輸過(guò)程中，采集終端將信息通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送至采集主站，其中采集終端與通信模塊間采用USB接口進(jìn)行連接，通信模塊與采集主站間采用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1所示。

圖1 采集信息傳輸流程Fig.1 Flow chart of acquisition information transfer

遠(yuǎn)程通信模塊以USB復(fù)合設(shè)備的方式虛擬出USB CDC-ECM網(wǎng)絡(luò)接口（以下簡(jiǎn)稱ECM網(wǎng)口，ECM以太網(wǎng)控制模型，Ethernet networking Control Mode）與串口，終端通過(guò)虛擬接口與主站進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信[5-7]。首先采集終端通過(guò)虛擬串口，使用AT命令向遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)起激活網(wǎng)絡(luò)連接的請(qǐng)求。遠(yuǎn)程通信模塊與網(wǎng)絡(luò)側(cè)成功建立數(shù)據(jù)連接的同時(shí)，自動(dòng)設(shè)置好ECM網(wǎng)口與網(wǎng)絡(luò)側(cè)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)連接建立成功后，終端以動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議DHCP（dynamic host configuration protocol）的方式，通過(guò) ECM 網(wǎng)絡(luò)接口從遠(yuǎn)程通信模塊獲取IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等信息。

2 通訊模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

在Q/GDW 1375.2—2013《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)型式規(guī)范 第2部分：集中器型式規(guī)范》[8]標(biāo)準(zhǔn)中，定義遠(yuǎn)程通信模塊接口采用2×15雙排插針作為連接件，接口管腳定義中規(guī)定10USB+，11USB-引腳作為USB接口。因此，在硬件上無(wú)需增加新接口，沿用原有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采集終端與4G遠(yuǎn)程通信模塊連接，采集終端作為主設(shè)備（USB Host），遠(yuǎn)程通信模塊作為從設(shè)備（USB Device）。

2.2 軟件部分

為保證4G遠(yuǎn)程通信模塊與采集終端的兼容性及互聯(lián)互通，使模塊與終端間實(shí)現(xiàn)即插即識(shí)別、即插即用，各遠(yuǎn)程通信模塊廠商應(yīng)遵循統(tǒng)一的通信模塊USB接口設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，制定《遠(yuǎn)程通信模塊USB接口規(guī)范》，具體對(duì)廠商ID與設(shè)備ID，USB虛擬接口的數(shù)量、順序和功能，擴(kuò)展AT命令集進(jìn)行規(guī)定。

1）通信模塊統(tǒng)一設(shè)置相同的“USB Vendor ID”（廠商 ID）和“USB Product ID”（設(shè)備 ID），見(jiàn)表 1。預(yù)置通用的USB串口驅(qū)動(dòng)和USB網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)。

表1 廠商ID與設(shè)備IDTab.1 Vendor ID and product ID

2）遠(yuǎn)程通信模塊以USB復(fù)合設(shè)備的方式連接至終端，按表2所示的順序及功能枚舉出相應(yīng)的4個(gè)子接口[9-10]。廠商可在規(guī)定的接口之后繼續(xù)擴(kuò)展其他接口。

表2 子接口定義Tab.2 Subinterface definition

3）為保證USB網(wǎng)口通信功能的實(shí)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)命令集基礎(chǔ)上擴(kuò)展4項(xiàng)AT命令，包括：

①$MYUSBNETACT激活/去激活網(wǎng)絡(luò)連接 用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接和斷開(kāi)，以及網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)查詢。

②$MYUSBNETURC主動(dòng)上報(bào)開(kāi)關(guān) 用于控制遠(yuǎn)程通信模塊在USB通信方式下的主動(dòng)上報(bào)。

③$MYURCUSBACT網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)主動(dòng)上報(bào) 用于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)變化的上報(bào)。遠(yuǎn)程通信模塊應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)發(fā)生變化后1 min內(nèi)上報(bào)。

④$MYUSBNETADDR配置USB網(wǎng)絡(luò)地址 用于設(shè)置遠(yuǎn)程通信模塊給終端分配IP地址的所屬網(wǎng)段，當(dāng)遠(yuǎn)程通信模塊給終端分配IP地址與網(wǎng)絡(luò)側(cè)分配給遠(yuǎn)程通信模塊的IP地址不一致時(shí)，使用該命令。

3 通信速率檢測(cè)

3.1 檢測(cè)方案

為檢測(cè)遠(yuǎn)程通信模塊USB接口是否符合規(guī)范，判斷改進(jìn)后模塊通信速率是否提升，根據(jù)遠(yuǎn)程通信模塊與采集終端通信方式的改變，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程通信模塊檢測(cè)工裝，并制定了《遠(yuǎn)程通信模塊USB接口檢測(cè)規(guī)范》。

搭建檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。下位機(jī)為檢測(cè)工裝，具備與串口模塊和USB模塊信息交互功能，可以監(jiān)測(cè)通信時(shí)間及成功率。工裝沿用終端殼體與硬件電路，內(nèi)置軟件替換為專用檢測(cè)程序，可對(duì)待測(cè)模塊進(jìn)行上電、USB接口識(shí)別、AT命令下發(fā)、撥號(hào)上網(wǎng)等操作。上位機(jī)模擬主站與終端通過(guò)維護(hù)串口與檢測(cè)工裝進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信模塊的功能檢測(cè)和通信速率測(cè)試。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of detection system structure

通信速率的檢測(cè)內(nèi)容分為2部分：對(duì)遠(yuǎn)程通訊模塊與終端的通信速率進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)對(duì)終端下發(fā)AT指令對(duì)安裝模塊后終端的通信速率進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

基于以上檢測(cè)內(nèi)容，對(duì)廠家A的2種通信模塊進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，每次測(cè)試均對(duì)被試樣品同時(shí)收發(fā)相同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的通信內(nèi)容，并設(shè)置相同通信次數(shù)。基于串口方式和基于USB方式的遠(yuǎn)程通信模塊，進(jìn)行通信速率對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3；分別應(yīng)用2種通信模塊進(jìn)行終端通信速率對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果以及試驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)象分析，發(fā)現(xiàn)：

表3 遠(yuǎn)程通信模塊的通信速率Tab.3 Communication rate of long-distance communication modules

表4 終端的通信速率Tab.4 Communication rate of terminals

1）對(duì)于遠(yuǎn)程通信模塊，當(dāng)通信字節(jié)總長(zhǎng)度為98000 B，累計(jì)通信1000次時(shí)，USB通信方式的速率相比串口通信方式提升至1.6倍；當(dāng)通信字節(jié)總長(zhǎng)度為1974000 B，累計(jì)通信1000次時(shí)，通信速率提升至5.2倍。

2）對(duì)于應(yīng)用模塊的終端，當(dāng)通信字節(jié)總長(zhǎng)度為98000 B，累計(jì)通信1000次時(shí)，USB通信方式相比串口通信方式速率提升至7.5倍；當(dāng)通信字節(jié)總長(zhǎng)度為1974000 B，累計(jì)通信1000次時(shí)，通信速率提升至5.3倍。

3）通信速率的提升倍數(shù)不是固定值，它與發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度呈正相關(guān)，會(huì)隨數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的增加而增大，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)量較大時(shí)USB方式的通信模塊優(yōu)勢(shì)更加凸顯。

4）4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好壞，會(huì)使不在同一時(shí)間測(cè)試得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

提出了采集終端4G遠(yuǎn)程通信模塊數(shù)據(jù)傳輸性能提升方案。基于USB虛擬接口技術(shù)，在不改變終端原有硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了采用USB方式的4G遠(yuǎn)程通信模塊；制定了《遠(yuǎn)程通信模塊USB接口規(guī)范》，保證了模塊與終端的兼容性與互聯(lián)互通；結(jié)合設(shè)計(jì)原理，研究了通信模塊接口功能及通信速率檢測(cè)方法，并搭建檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)廠家A的2種通信模塊進(jìn)行通信速率比對(duì)測(cè)試進(jìn)行通信性能驗(yàn)證。目前該模塊已應(yīng)用于國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公2016年第3批采集終端中，涉及7個(gè)終端廠家，覆蓋5個(gè)地市，應(yīng)用效果顯著。該成果有助于提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，同時(shí)為用電信息采集業(yè)務(wù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)通信功能支撐。