基于低壓電力線載波通信的儀器動態監控系統設計與實現

甘德國，熊天意

（西南電子設備研究所,四川成都，610036）

0 引言

信號源、頻譜儀、示波器及矢網等儀器作為電子設備類科研院所最常使用的電子測量儀器，具備單臺價值大、使用頻率高、位置分散等特點，雖然重要儀器每年在不斷增補，但始終難以滿足使用需求，為儀器管理和投資采購帶來了極大的挑戰。目前儀器管理主要存在使用狀態不明、位置信息不準等問題，導致儀器資源被長時間獨占、資源不能共享。為了降低儀器增量投入帶來的成本壓力，提高關鍵儀器的使用效率，需要對所有儀器使用狀態和位置進行動態監控，支撐儀器在忙閑不均時的動態調配使用。目前缺乏符合保密要求的、不采用無線傳輸信號的儀器管理手段，結合應用需求設計和實現對儀器使用狀態和位置信息實時動態監控具備重要的研究價值。

低壓電力線載波通信技術（Low Voltage Power Line Communication，LVPLC）是一種將低壓電力線（220V用戶線）作為傳播載體，把信息數據調制耦合到電力線上同電源同步傳輸，利用調制解調技術在接收端將信息解調的通信方式。[1-2]低壓電力線是一種非均勻分布的傳輸線，存在著噪聲干擾強、信號衰減大、阻抗變化明顯等影響著實際應用的問題。[3-5]隨著有關研究的深入和技術的發展，國內外已研制專用的載波通信芯片，并制定了相應的通信協議標準，該技術已在電網遠程抄表、能耗監測、路燈控制等方面得到了廣泛的應用，[6-9]成都天奧測控公司則重點圍繞著電力載波技術在涉密場所應用進行了分析，初步分析了實現流程和應用場景。[10]

結合儀器管理實際應用需求，本文設計并實現了一種基于電力載波通信技術的儀器動態監控系統，該系統具備以下優點：

（1）低成本：儀器使用分散并且隨測試任務不同而到處搬移，利用電力線可以減少終端網絡布線，解決“最后一公里”的網絡接入。

（2）保密性好：采用電力線進行信息傳播，傳輸距離可控，同時避免了無線發射，適應保密要求高的場所使用。

1 系統設計方案

儀器存在經常搬動位置的特點，為了能夠在儀器移動后也能監控其使用狀態和位置，只能在電源線上加裝檢測裝置，用于采集儀器用電的電壓和電流等數據，判斷儀器處于使用或關機狀態。利用低壓電力載波技術，電源線上的采集模塊將采集狀態信息調制為高頻載波信息通過電力線發送，同時在每個房間安裝一個集中器對電力載波信號進行解調，實現與采集模塊的數據通信，集中器接入內部局域網絡，實現數據傳輸和位置定位，儀器狀態采集與管理軟件采集所有集中器上報的信息，實現對所有儀器終端的使用狀態和位置的管理、統計和分析。系統總體設計如圖1所示。

圖1 儀器資源動態監控系統設計框圖

系統主要組成及功能包括：

（1）采集終端：在原有的儀器電源線中串入采集終端，可與儀器電源接口相互連接，用電檢測模塊主要負責對儀器使用中的電壓和電流數據進行采集，電力載波模塊將采集到的數據調制后通過電力載波的方式傳輸給集中器。

（2）集中器：通過電力線傳輸的方式與采集終端通信，接收儀器狀態采集終端采集到的儀器電壓電流數據并通過網絡向外部應用系統轉發，由于網絡交換機所處的位置確定，同時可以確定儀器所在的房間位置。

（3）儀器狀態采集與管理軟件：主要負責接收并解析集中器發送的儀器電壓電流數據，并判斷使用狀態（開機、關機），將處理好的數據進行存儲并與儀器資產管理信息進行關聯，開展儀器數據統計分析。

2 硬件設計方案

系統硬件由兩部分組成，包括采集終端和集中器。

（1）采集終端包括控制電路、電源轉換模塊、存儲模塊、時鐘同步電路、繼電器控制電路、電力載波調制解調電路、耦合電路、計量電路和過零檢測電路等。采集終端工作原理如圖2所示。

圖2 采集終端工作原理框圖

采集終端AC/DC轉換電路將220V電壓輸入轉換為電路需要的12V和3.3V電壓；耦合電路用于隔離強電，并確保較高的載波信號加載效率；過零檢測電路將工頻交流電的過零時刻以脈沖的方式告知載波芯片，為分時通信和相位判斷提供依據；計量電路用于采集儀器使用時的電壓電流數據，在離線狀態時時鐘同步電路提供系統時鐘，為數據打上時間標志后通過存儲器進行數據存儲，當與集中器正常進行通信連接時，則通過電力載波信號調制電路將離線存儲或實時采集數據進行調制放大后耦合加載到電力線進行傳輸上報。

（2）集中器主要包括控制電路、AC/DC電路、電力載波調制解調電路、耦合電路、過零檢測電路以及網絡接口電路，工作原理如圖3所示。

圖3 集中器工作原理框圖

集中器是整個載波通信的核心，是應用系統與終端連接的橋梁，集中器向下通過電力載波完成與采集終端的通信，向上通過網絡將信息傳送到儀器狀態采集與管理軟件服務器。

3 軟件設計方案

軟件設計圍繞著系統的管理以及統計分析應用，按照平臺層、服務層以及應用層進行分層設計，軟件架構如圖4所示，其中平臺層為集中器組網、數據采集、存儲以及分析計算提供基礎平臺，服務層為設備基礎管理、數據統計分析及可視化等提供模塊化組件服務，應用層面向系統管理提供人機交互界面，展示儀器終端的位置及使用狀態信息，并提供多維度的數據統計分析功能。軟件具備以下功能：

圖4 軟件架構圖

（1）對采集終端和集中器進行管理和配置，包括儀器類型、編號、部門、使用人等基礎信息。

（2）能夠配置儀器開關機的狀態參數，能夠根據通信連接情況生成位置拓撲圖。

（3）具備數據的統計分析功能，包括按照單臺設備統計每日使用時長和單天使用率；按照使用部門統計計算每類設備的數量、總體使用率，并對單臺儀器使用率進行排序；按照儀器種類統計計算每種儀器各部門的數量、總體使用率并對部門使用率進行排序；按照每天、每周、每月、每季度、每年或自定義的方式統計計算使用率并自動生成分析報告。

4 應用試驗結果

儀器動態監控系統分別在2個區域3個房間共布置了15套采集終端對信號源、頻譜儀和矢網等儀器進行了監控，其中房間1布置了5套采集終端和1個集中器，房間2部署了3套采集終端和1個集中器，房間3部署了7套終端和1個集中器，系統試驗部署方案如圖5所示。

圖5 系統試驗部署方案

系統部署后運行狀態穩定，根據各種儀器使用功耗區別設定了開關機判定閾值，采集通過采集終端檢測電流數據，當能夠與所在房間的集中器通信時，則判定儀器所在位置并在軟件位置拓撲圖界面中自動顯示，同時可解析上傳數據展示儀器實時的使用狀態，并且對大量積累的數據進行統計分析和結果展示，支持儀器管理人員精細化管理和調度。儀器位置及使用狀態信息如圖6和圖7所示。

圖6 儀器位置拓撲圖

圖7 儀器使用狀態信息

5 結束語

本文針對儀器管理中存在的“用沒用”和“在哪兒”兩個基本問題，基于電力載波通信技術設計了儀器動態監控系統，并進行了部署試驗，驗證了傳輸可靠性和監測的準確性，試驗結果表明，該系統能夠在不采用無線發射的條件下滿足對儀器管理的需求，特別適用于保密要求較高的場所，對后續推廣運用具有指導意義。