一種基于廣電傳輸網絡的Wi-Fi電力數據采集的方法和設計

唐強

（福建新大陸通信科技股份有限公司 福建省福州市 350015）

1 引言

本研究的背景城市是某省的省會城市，該城市多山嶺，樓宇建筑十分密集，存在不少移動通信網絡信號的覆蓋盲區，而位于住宅樓地下層的配電機房更是信號盲區的重災區。

經調研，目前常規電力通信技術，包括GPRS、4G、NB-IoT窄帶物聯網技術，LoRa 無線技術等，在該城市的電力數據采集方案實施中均存在覆蓋盲點問題，在信號盲點內若采用這些技術采集處于地下層配電機房中的計量終端（集中器、負荷管理終端以及配電變壓器監測終端）設備的電力數據，將無法通過通信網絡回傳至電網計量主站系統，現多數配電房僅能通過人工數據采集的方式來克服。

而該城市的廣電傳輸網絡具有覆蓋廣和資源豐富的優點，其光纜網絡信號遍及各小區、樓宇、地下層，因此，可充分利用廣電現有的豐富網絡資源，采用無線Wi-Fi 通信+廣電傳輸網絡的方式回傳所采集的計量終端電力數據，達成電力計量終端數據回傳電網計量主站系統，解決電力數據無法回傳的技術盲區。

在考慮系統方法前，需設法解決以下3 個技術問題。首先需找到合適的采集設備供電源。配電機房內的高壓線路及固有線路難以為采集設備供電，需在配電箱內或者現有計量終端設備中尋找能夠引用的電源來適配數據采集模塊。其次需重點考慮到采集模塊功耗及溫升。計量終端設備所處的環境通常為封閉不通風的配電箱，數據采集模塊如長期工作于此環境下，尤其需要采取必要的軟硬件溫控措施，防止模塊過熱及可能引發的損傷計量終端設備的問題。最后需確保系統的穩定性和安全性。電力數據采集系統的核心的即是電力采集數據的穩定性及安全性，系統需保持長期穩定的工作狀態。

2 整體系統架構介紹

整體系統架構如圖1 所示。

2.1 廣電傳輸網絡部分

通過廣電傳輸網絡IP 城域網、GPON 的FTTH/B 網絡或HFC+PON 網絡平臺作ONU 引接網絡信號源至需要采集數據的配電房，并在每個配電房的外配置一個Wi-Fi 電力無線路由器（路由器安裝外置天線）[3]。

2.2 計量終端與采集模塊以及分支路由器傳輸部分

新制無線Wi-Fi 采集模塊（模具選用計量終端電網規約中規定的同規格配件）可直接替換電力計量終端原配置的GPRS/4G 通信模塊，通過網絡線將Wi-Fi 采集模塊以太網數據輸入接口與計量終端設備以太網通信口連接，并設置計量終端設備工作于以太網數據輸出模式下，無線Wi-Fi 采集模塊將以太網口中所采集到的電力計量數據通過Wi-Fi 無線信道發送到電力分支路由器。

3 Wi-Fi采集模塊和電力分支路由器的硬件設計部分

Wi-Fi 采集模塊和電力分支路由器的整體硬件結構，主要包含核心模塊（CPU、RAM、FLASH）、電源供電電路、以太網接口電路、雙路天線電路、LED 指示。

圖1：基于廣電傳輸網絡的Wi-Fi 電力數據采集系統架構示意圖

圖2：Wi-Fi 采集模塊和分支路由器的系統整體軟件設計結構

3.1 核心模塊

結合對穩定性，傳輸性能，尤其是工作溫度及功耗等參數的要求，經過分析對比，選用聯發科MT7628 芯片作為AP/路由器的主芯片，其主頻可達到580 MHz，芯片采用MIPS 24KEc 的架構，具 有64 KB 的iCache 和32KB 的D-Cache，體 積 僅 為40 mm×25 mm×3.0 mm，并已整合了2T2R Wi-Fi 收發器，物理層數據速率可以達到300 Mb/s。在協議方面，支持新一代2T2R 802.11n 標準，并兼容支持傳統802.11b/g 和HT802.11n 模式，外圍搭載著128MB內存及8MB 閃存[4]。

3.2 雙路天線電路

雙路天線設計，分別為一路外置IPEX 接口的天線和一路內置的板載天線，分別連接CPU 的SPI-CLK 接口和SPI_CS1 接口，可有效提升射頻效能，并且提升抗干擾能力。

3.3 以太網接口電路

由網絡變壓器和外置電阻阻抗匹配電路構成，其主要作用為網絡信號提供信號耦合、阻抗匹配、干擾抑制。Wi-Fi 采集模塊的以太網口主要作用是連接計量終端設備，獲取電力原始數據，分支路由的以太網口作用是設置成WAN 口，連接廣電ONU 傳輸網絡。

3.4 電源供電路設計

電力計量終端原為GPRS/4G 通信模塊預留的供電電壓為5 V，可采用將無線Wi-Fi 采集模塊內置于計量終端設備內的方式由計量終端設備為其供電，通過排針連接。將引入的5 V 電壓經MP1470 DC-DC 供電芯片，經DC 芯片SW 腳輸出方波，再由取樣電路調整占空比使之穩定的輸出3.3 V 電壓。此轉化后的3.3 V 電壓作為Wi-Fi 采集模塊的供電源，既解決了采集設備供電源獲取的問題，也不影響配電箱中的其他設備和線路[5]。

3.5 LED指示

指示無線Wi-Fi 模塊和和電力分支路由器的工作狀態，3 個指示燈由CPU 的GPIO11 腳、GPIO44 腳、GPIO43 腳輸出口控制分別指示運行、連接、網絡連接的工作狀態。

4 Wi-Fi采集模塊和電力分支路由器的軟件設計部分

Wi-Fi 無線采集模塊和分支路由器的軟件系統基于Linux 的Openwrt 系統，Linux 操作系統的網絡性能和穩定性較適用于需要長期使用的工作環境，軟件模塊在主體功能上分為廣電與電網專網IP 設置模塊，智能功耗控制模塊，軟件看門狗監控報文模塊，路由與AP 間的自動握手模塊等，系統整體軟件設計結構如圖2 所示。

4.1 廣電與電網專網IP設置模塊

IP 專網軟件模塊有兩種設置方式。一種為Web 常規設置模式，輸入IP 地址192.168.157.1，以管理員身份登入路由系統設置界面，將電網公司分配到的各分區計量終端的IP 地址參數設置到路由器中的網絡選項中。例如，進入系統設置，設置本機路由IP 地址為10.128.11.66，網關為10.128.0.1，域名我1.1.1.1，子網掩碼為255.255.128.0。另一種為指令方式設置（隱藏Web 界面，一般工作人員無法訪問及修改專網IP 設置）。PC 端連接上路由器，通過指令cat /etc/config/network 進入路由設置，使用命令行Asancfgwanip 10.128.11.66 10.128.0.1 1.1.1.1 255.255.128.0（設置IP 地址、網關、域名以及子網掩碼）。

4.2 智能功耗控制模塊

充分利用MT7628 芯片內部的大容量二級緩存和內存，執行控制指令，提升運行效率，減少工作時間。控制無線Wi-Fi 模塊無線通信及射頻輸出功率，犧牲一部分傳輸距離，從而減少在發送數據時的功耗。結合數據傳輸實際需求與電力數據心跳時間，使無線Wi-Fi 模塊并非連續工作在全速狀態下，并適當減少傳輸帶寬，從而降低綜合能耗。

4.3 軟件看門狗監控報文模塊

內核看門狗模塊可以通過/dev/watchdog 命令，建立設備與用戶空間程序間的通信。在用戶空間程序一旦對看門狗初始化，即打開/dev/watchdog 設備，便會在系統內核中啟動計時器，軟件看門狗模塊實時檢測無線Wi-Fi 采集模塊以及主路由器之間的電力報文數據，如在所設置時間段內，無法檢測并獲取到電力報文數據，系統的核心進程能夠在看門狗作用下進行重啟，使系統核心模塊在發生軟件系統異常或者設備異常的情況下可重新工作。

4.4 路由與AP自動握手模塊

該模塊預先設置Wi-Fi 采集模塊與電力分支路由器的SSID 前幾位和密碼內容，當采集模塊開始工作后，將自動搜尋周圍環境中是否有路由器與預設的自動握手路由的SSID 前幾位相匹配，如發現有SSID前幾位一致的，則按預置的Wi-Fi密碼嘗試與路由器連接，密碼匹配后即可成功連接，無須其他軟件進行設置及連接操作。

5 Wi-Fi采集模塊和電力分支路由器設備的測試方法及結果分析

5.1 功耗及高低溫測試

Wi-Fi 采集模塊和電力分支路由器模擬電力數據上傳數據至模擬電力服務器，連續工作于高低溫箱內（環境溫度為高溫55 ℃，低溫-10 ℃），進行為期各一周的高低溫測試，采集模塊及分支路由器均無出現異常情況。

功耗測試：無數據時實測電流為96 mA，電力數據上傳時為168 mA，Wi-Fi 模塊整體功耗可控制在0.6 W 以下，符合設計要求。

5.2 吞吐量及丟包率測試

吞吐量測試：使用IxChariot 工具進行吞吐量測試，設置腳本文件，單向雙進程，吞吐量由Wi-Fi 模塊的LAN 口上傳數據至路由器WAN 口。測試時間同步為電力數據心跳時間（每輪測試時間為3 min），測試結果：在信號衰減20 dB 的條件下，吞吐量可達到80 Mb/s，因實際電力數據量并不大，可符合設計要求。

丟包率測試：使用Ping Tester 工具進行丟包率測試，PC 端打開Ping Tester 工具，PC 端添加路由器端自動獲取到的IP 地址，并設置發包的間隔，發送緩存區大小32 bytes。測試結果：發送3 000次數據，實際丟包率可控制在2%以下。

6 結論

基于廣電傳輸網絡，通過Wi-Fi 電力無線路由+Wi-Fi 電力采集模塊對配電房內計量終端的電力數據進行采集的方案，在廣電傳輸網絡資源豐富的城市地區，不僅可以有效解決移動通信信號無法覆蓋的配電房的電力數據遠程采集的問題，提升電網公司的智能電力終端上線率，且配電房內的寬帶網絡可為后續電網技術創新及數據業務豐富打下基礎。

與此同時，該技術方案助當地廣電躋身成為電網公司除三大移動運營商外的數據網絡服務商，開拓了“集客業務”的新形態，實現了全新的營收模式。