電力物聯(lián)網(wǎng)分布式通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐振江，薛斌斌，高文俊

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 102299）

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，新型通信技術(shù)已經(jīng)在智能電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。通信網(wǎng)關(guān)的主要功能是用于協(xié)議轉(zhuǎn)換，其在發(fā)電站、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中所起到的作用越來越突出[2]。由于各網(wǎng)關(guān)通信接口的日益增多，其對通信設(shè)備的配置效率也提出了更高的要求。

當(dāng)前使用的基于系統(tǒng)層次模型的通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)主要由裝置層、接入層和主站層組成。裝置層中配置各種通信設(shè)備，接入層負(fù)責(zé)連接設(shè)備終端，主站層作為通信中心。使用該系統(tǒng)雖然能夠獲取遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)，但過分依賴計(jì)算機(jī)控制，導(dǎo)致系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的惡劣環(huán)境下難以獲取有效的通信信息；基于協(xié)議模型的通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)主要由下層通信協(xié)議和上層應(yīng)用協(xié)議組成，各個(gè)層次間協(xié)議既能獨(dú)立工作，又能協(xié)調(diào)工作。然而，該系統(tǒng)應(yīng)用的協(xié)議是自定義的，在偏遠(yuǎn)地區(qū)的惡劣環(huán)境下同樣難以獲取有效通信信息。針對上述問題，設(shè)計(jì)了電力物聯(lián)網(wǎng)分布式通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通信設(shè)備模擬配置系統(tǒng)是在完成有效通信的基礎(chǔ)上，通過調(diào)度員發(fā)出的各種指令完成信息傳遞[3-5]。將不同的供電方式和饋線自動(dòng)化系統(tǒng)匹配，可以提供實(shí)時(shí)定位檢測、隔離和恢復(fù)功能[6-8]。在此基礎(chǔ)上，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整負(fù)荷和電容的輸入[9]，有效地保證了電能質(zhì)量。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1 中，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由傳感器、開關(guān)、繼電器、DA 轉(zhuǎn)換器、LCD 液晶顯示屏等組成。硬件部分充分利用高級(jí)語言，在多任務(wù)操作系統(tǒng)上執(zhí)行通信任務(wù)，為通信設(shè)備仿真配置提供分布式電源板和通信接口，并通過48 英寸液晶顯示屏完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示[10-11]。

1.1 通信接口

高效的通信協(xié)議是保證通信可靠性的必要條件。在分布式通信系統(tǒng)中，單片機(jī)具有唯一標(biāo)識(shí)碼[12]。在開始通信后，單片機(jī)通過接聽PC 機(jī)電話判斷其是否擁有識(shí)別號(hào)。如果有的話，發(fā)出呼叫應(yīng)答信號(hào)，否則不予應(yīng)答。當(dāng)上位機(jī)接收到信號(hào)后，再向主機(jī)發(fā)送通信指令。利用識(shí)別號(hào)可以判斷主機(jī)是否發(fā)出了指令。上位機(jī)將命令碼發(fā)送到下位機(jī)。

為了防止數(shù)據(jù)傳輸被干擾，命令發(fā)出后將顯示停止標(biāo)志[13-14]。利用單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)的奇偶性進(jìn)行檢驗(yàn)，然后將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中。如果不能確認(rèn)，則顯示發(fā)送錯(cuò)誤，此時(shí)單片機(jī)會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)。

1.2 ST7538電力載波芯片

電力線載波通信具有方便快捷、解調(diào)糾錯(cuò)和維護(hù)費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)[15]。當(dāng)前，ST7538 型調(diào)節(jié)芯片是用24 位可編程寄存器來實(shí)現(xiàn)的，其可以增強(qiáng)載頻。ST7538 電力載波芯片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ST7538電力載波芯片

ST7538 電力載波芯片具有功能強(qiáng)大、核心發(fā)送和接收等功能。利用串行通信可實(shí)現(xiàn)ST7538 電力載波芯片與微處理器、單片機(jī)、變壓器等的連接，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和信息安全的控制[16]。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)之前，需合理設(shè)置ST7538 的控制寄存器參數(shù)，以此來滿足控制寄存器的配置需求。在配置控制寄存器后，可以通過讀取其端口數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)其工作狀態(tài)，從而判斷配置是否合理。

1.3 傳感器

傳感器是以AT82RM7500 單片機(jī)為核心的，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 中，微處理器通過外圍硬件串口和數(shù)據(jù)庫的配置方式來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和控制，從而快速提升系統(tǒng)性能[17]。微處理器中設(shè)有100 M以太網(wǎng)接口，能夠滿足遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)男枰＞W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸單元組成，處理后的數(shù)據(jù)通過不同單位之間分工協(xié)作的方式，傳送給各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖3 AT82RM7500微處理器

1.4 繼電器

繼電器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 繼電器結(jié)構(gòu)

當(dāng)繼電器工作時(shí)，線圈內(nèi)部和外部均產(chǎn)生電壓，由此形成電磁效應(yīng)。依據(jù)電磁效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)閉合，從而有效控制電路的啟動(dòng)與停止。

1.5 LCD液晶顯示屏

LCD 液晶顯示屏能利用統(tǒng)一的程序處理外圍存儲(chǔ)器中的具體數(shù)據(jù)。LCD 液晶顯示屏結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 中，通過LCD 模塊對接收到的信號(hào)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出LCD 固有模式的信號(hào)。LCD 液晶顯示屏結(jié)構(gòu)中的芯片能提供二級(jí)緩存，并顯示主顯示器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。一級(jí)數(shù)據(jù)則通過內(nèi)置LCD顯示。

圖5 LCD液晶顯示屏結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 通信周期確定

如果在一個(gè)通信周期內(nèi)至少存在一條通信信息，并且在長時(shí)間傳輸周期內(nèi)沒有成功傳輸通信信號(hào)，那么則認(rèn)為該通信系統(tǒng)是非活動(dòng)性系統(tǒng)，此時(shí)通信空閑周期T應(yīng)大于信號(hào)傳輸最長周期。

計(jì)算最短傳輸周期，其公式為：

式中，表示通信節(jié)點(diǎn)周期；Tr表示空閑狀態(tài)下的理想通信周期；g表示通信信息的數(shù)量。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)分布式通信數(shù)據(jù)防篡改設(shè)計(jì)

當(dāng)通信用戶首次訪問系統(tǒng)時(shí)，在登錄頁面輸入用戶名和密碼，按照如下公式進(jìn)行加密處理：

式中，pubs 表示通信服務(wù)器認(rèn)證的公共密鑰；rpubs{}表示通信設(shè)備防篡改信息的加密處理內(nèi)容；ID表示通信地址；ts表示時(shí)間戳；wj表示登錄密碼。

物聯(lián)網(wǎng)分布式通信數(shù)據(jù)防篡改流程如圖6 所示。為了避免數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)影響通信效果，需對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。如果密鑰正確，表示數(shù)據(jù)未被篡改；如果密鑰錯(cuò)誤，則表示數(shù)據(jù)已被篡改。

圖6 通信數(shù)據(jù)防篡改流程

2.3 通信流程設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)通信流程時(shí)，應(yīng)考慮高效率運(yùn)行的問題。在強(qiáng)實(shí)時(shí)狀態(tài)下，使控制對象的動(dòng)作狀態(tài)和響應(yīng)處于優(yōu)先關(guān)閉狀態(tài)，從而使得通信設(shè)備及其他輔助操作所需的CPU 時(shí)間最少。按照單片機(jī)通信處理的要求，可分為三個(gè)階段：

階段1：接收中斷處理程序。接收中斷處理程序主要用于PC 機(jī)發(fā)送或接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，為減少中斷占用的時(shí)間，該程序不會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，而是在收到指定字符數(shù)或者某個(gè)時(shí)間段內(nèi)沒有后續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)，接收緩沖區(qū)處理數(shù)據(jù)通信的信號(hào)，并請求處理器進(jìn)行處理。

階段2：發(fā)送中斷處理程序。發(fā)送中斷處理程序負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC 機(jī)。在執(zhí)行通信任務(wù)時(shí)，發(fā)送中斷處理程序僅將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)緩沖區(qū)，并按允許的方式發(fā)送中斷，在發(fā)送中斷后開始工作，然后從緩沖區(qū)逐個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)到PC 機(jī)。在完成對指定數(shù)據(jù)的發(fā)送之后，發(fā)送中斷處理程序?qū)㈥P(guān)閉發(fā)送中斷處理程序。如果發(fā)送緩沖區(qū)為空，則其將被通信處理程序重新打開。

階段3：通信處理程序。為了避免通信過程中出現(xiàn)的CPU 過分占用內(nèi)存的問題，需在處理過程中根據(jù)主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)串，將其標(biāo)記為“打開”狀態(tài)，否則為“閉合”狀態(tài)。這種方式能夠有效避免占用大量等待時(shí)間，從而降低CPU 的占用率。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電力物聯(lián)網(wǎng)分布式通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)的合理性，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)。

利用虛擬化服務(wù)模式搭建X86 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，分析基于系統(tǒng)層次模型通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)1）、基于協(xié)議模型的通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)（傳統(tǒng)系統(tǒng)2）和該文設(shè)計(jì)的電力物聯(lián)網(wǎng)分布式通信設(shè)備仿真配置系統(tǒng)（該文系統(tǒng)）的通信信息和通信周期。

針對通信信息正確性這一指標(biāo)，分別使用三種系統(tǒng)對1 h 內(nèi)的外界攻擊方式下的信息篡改情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同系統(tǒng)下的信息篡改結(jié)果分析

由表1 可知，使用該文系統(tǒng)能夠有效防止信息被篡改，而應(yīng)用兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)難以保障通信鏈路安全，導(dǎo)致信息易被篡改。

在此基礎(chǔ)上，分別使用三種系統(tǒng)對通信周期設(shè)定情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 三種系統(tǒng)通信周期對比分析

由圖7 可知，使用傳統(tǒng)系統(tǒng)1 后，在接收中斷時(shí)，通信周期與理想情況下相差25 ms；使用傳統(tǒng)系統(tǒng)2后，在接收中斷時(shí)，通信周期與理想情況下相差最大，為37 ms；而使用該文系統(tǒng)與理想周期較為接近，充分證明了該文系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

該文系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)中采用了ST7538 芯片，其是一種性能良好的窄帶電力線調(diào)制解調(diào)器芯片，具有載波監(jiān)聽功能，可以實(shí)現(xiàn)多頻選擇性通信，防止攻擊和非法入侵，保證電力物聯(lián)網(wǎng)分布式通信的高效率和安全穩(wěn)定。

盡管該文系統(tǒng)功能齊全、性能優(yōu)良，但在軟硬件設(shè)計(jì)方面還存在一定的不足，需要不斷改進(jìn)和完善。從協(xié)議的角度來看，在今后的研究中，可以使用分簇算法來減少路由開銷，在節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。