無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置設(shè)計(jì)

韓德利

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司安陽(yáng)縣供電公司，河南 安陽(yáng) 455000）

1 無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)概述

1.1 無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的組成

無(wú)線(xiàn)抄表技術(shù)作為一種新型的智能化抄表方式，已經(jīng)逐漸成為電力行業(yè)中的主流選擇之一。無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)處理單元（Data Processing Unit，DPU）以及通信模塊3 個(gè)部分，如圖1 所示。其中，傳感器是整個(gè)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)中最重要的組成部分，它負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場(chǎng)的電能消耗量并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的處理與存儲(chǔ)；通信模塊則是將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫(kù)中。無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)須安裝電纜線(xiàn)或者其他固定設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損地監(jiān)測(cè)和記錄電能消耗情況。同時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低抄表成本并提高抄表精度。因此，無(wú)線(xiàn)抄表技術(shù)已經(jīng)成為電力行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)[1,2]。

圖1 無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)組成

1.2 無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的工作原理

無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制中心模塊以及用戶(hù)端界面模塊組成，如圖2所示。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集用戶(hù)用電量數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)傳輸模塊則通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理；控制中心模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，能夠接收不同區(qū)域的用戶(hù)用電量數(shù)據(jù)并將其整合成一個(gè)整體數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)和分析工作；用戶(hù)端界面模塊是通過(guò)手機(jī)App 或網(wǎng)站來(lái)將所測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果提供給用戶(hù)，方便用戶(hù)及時(shí)查看自己的用電情況。無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)須人工巡查、能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握用戶(hù)用電狀況等[3]。

圖2 無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的工作原理

1.3 無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的特點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)可以對(duì)用戶(hù)用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，從而為電力公司提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，便于后期決策的制定。與傳統(tǒng)的手動(dòng)抄表相比，無(wú)線(xiàn)抄表具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。通過(guò)在用戶(hù)家中或企業(yè)安裝無(wú)線(xiàn)抄表終端，可以將電能消耗量實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器上并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。

（2）具有高精度和可靠性。由于無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，因此能夠準(zhǔn)確測(cè)量并記錄電能的消耗量。

（3）易于安裝和維護(hù)。與其他抄表方式相比，無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)無(wú)須人工干預(yù)即可完成安裝工作，且不需要定期巡檢和維修，大大降低了安裝成本。

（4）具有可擴(kuò)展性和靈活性。系統(tǒng)可以通過(guò)增加新的無(wú)線(xiàn)抄表終端來(lái)擴(kuò)大覆蓋范圍，也可以通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)提高系統(tǒng)的性能和功能。

2 無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)方案

硬件電路部分采用一種基于Wi-Fi 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置。該裝置旨在提高抄表過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸速率和信噪比，從而更高效地完成抄表工作。為了達(dá)到這一目的，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行全面設(shè)計(jì)與優(yōu)化。硬件總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 硬件總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及通信協(xié)議控制等內(nèi)容。其中，數(shù)據(jù)采集部分主要包括傳感器輸出端口、電源管理電路及存儲(chǔ)器讀寫(xiě)單元；數(shù)據(jù)處理部分則包括模擬/數(shù)字（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字濾波電路以及微處理器控制單元等；通信協(xié)議控制部分則是由用于與其他終端設(shè)備進(jìn)行通信的協(xié)議控制芯片組成。因此，需要選擇合適的器件來(lái)滿(mǎn)足各個(gè)功能模塊的不同要求：（1）數(shù)據(jù)采集部分可以選擇具有高采樣率和低噪聲性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）芯片；（2）數(shù)據(jù)處理部分可以選用高速、高效的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片作為核心邏輯電路；（3）通信協(xié)議控制部分可以選擇支持多種通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化芯片。同時(shí)，在器件的選擇中還需要考慮到各部件之間的連接方式和頻率等因素[4]。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)

為了提高接收信道的質(zhì)量和傳輸速率，需要設(shè)計(jì)一套高效可靠的無(wú)線(xiàn)通信模塊。無(wú)線(xiàn)通信模塊選擇以ZigBee 協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、高可靠性以及易于部署的特點(diǎn)。同時(shí)，還采用了以單片機(jī)為核心的芯片，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性[5]。無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)通信模塊主要包括以下幾個(gè)部分：（1）采用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，可以有效降低節(jié)點(diǎn)間的干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能；（2）選用SIGMADSP5400A 作為射頻（Radio Frequency，RF）前端模塊的主要器件，該器件具有較高的靈敏度和抗干擾能力，能夠滿(mǎn)足抄表終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集需求；（3）選擇STM32F407 作為微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）的主要器件，該芯片具有運(yùn)算速率高、輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口豐富及編程功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足抄表終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理的需求；（4）選用由低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）電壓調(diào)節(jié)器組成的電源管理單元，該器件具有較低的開(kāi)路電阻和較小的電流噪聲，能夠?yàn)檎麄€(gè)無(wú)線(xiàn)通信模塊提供穩(wěn)定的電源。

2.3 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊主要負(fù)責(zé)與用戶(hù)進(jìn)行通信和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的操作和管理。因此，人機(jī)交互模塊需要具備一定的數(shù)據(jù)傳輸能力。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性，可以采用串行接口或USB 接口來(lái)連接終端設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此外，可以考慮使用藍(lán)牙或者Wi-Fi 等無(wú)線(xiàn)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，提高終端設(shè)備的用戶(hù)體驗(yàn)和便利性。人機(jī)交互模塊可以通過(guò)采用觸摸屏、語(yǔ)音識(shí)別和手勢(shì)等多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與設(shè)備之間信息的智能化交互。同時(shí)，為了方便用戶(hù)的操作，也可以通過(guò)設(shè)置一些快捷鍵來(lái)簡(jiǎn)化操作流程。為了防止系統(tǒng)被惡意攻擊，可以采用加密算法來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，保障系統(tǒng)的安全性。

3 無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置通過(guò)將抄表器與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和管理的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要對(duì)抄表終端設(shè)備進(jìn)行一定的軟件開(kāi)發(fā)工作，設(shè)計(jì)出一套完整的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化每個(gè)模塊的功能和接口需求。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 軟件總體結(jié)構(gòu)

軟件體系主要包括通信模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊以及控制模塊。其中，通信模塊負(fù)責(zé)與其他設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換；采集模塊用于接收抄表儀的數(shù)據(jù)并對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理；存儲(chǔ)模塊用于數(shù)據(jù)的保存和備份；顯示模塊用于提供用戶(hù)界面，方便用戶(hù)及時(shí)查看和修改數(shù)據(jù)；控制模塊則是整個(gè)系統(tǒng)的核心，能夠協(xié)調(diào)各模塊的工作并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，還需要綜合考慮安全性、可靠性以及成本等方面的其他問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 軟件抗干擾措施

在無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備中，由于其所處的環(huán)境復(fù)雜多變，經(jīng)常會(huì)受到外界電磁波的影響。因此，為了保證系統(tǒng)的正常工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，需要采取一些有效的抗干擾措施。首先，可以采用頻譜管理技術(shù)來(lái)控制系統(tǒng)內(nèi)的頻帶使用范圍，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊的通信進(jìn)行頻帶劃分，從而避免不同模塊之間產(chǎn)生相互干擾。同時(shí)，還可以利用濾波器或調(diào)制解調(diào)器等手段進(jìn)一步降低干擾源對(duì)系統(tǒng)的影響。其次，可以通過(guò)優(yōu)化算法或增加冗余性來(lái)提高系統(tǒng)整體的抗干擾能力。例如，可以在接收端加載重疊碼技術(shù)來(lái)減小誤碼率，在發(fā)送端采用重復(fù)編碼技術(shù)來(lái)降低信道失效的概率等。與此同時(shí)，也可以在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置一定的防干擾機(jī)制，如屏蔽電路、隔離器件等。針對(duì)不同的干擾來(lái)源和場(chǎng)景需求，可以選擇合適的抗干擾方法來(lái)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。最后，還需要注意軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，注意代碼規(guī)范化程度、錯(cuò)誤處理方式及程序運(yùn)行速度等問(wèn)題，這樣才能夠有效防止程序中的潛在漏洞被攻擊者利用，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行概述，列舉了在信號(hào)增強(qiáng)裝置設(shè)計(jì)中需要充分考慮的各種因素，包括環(huán)境條件、傳感器類(lèi)型以及采集頻率等。為提高無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備的信號(hào)增強(qiáng)效果，采用硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及軟件抗干擾措施等多種技術(shù)手段進(jìn)行綜合優(yōu)化處理。通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置硬件及軟件的設(shè)計(jì)，為無(wú)線(xiàn)抄表終端設(shè)備信號(hào)增強(qiáng)裝置的發(fā)展提供了相關(guān)的理論支持，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。