融合物聯傳感的HPLC和藍牙雙模通信系統

吳 斌，胡勇虎，趙文建

（浙江正泰儀器儀表有限責任公司，浙江 杭州 350001）

0 引 言

電力線載波通信（Power Line Carrier,PLC）利用現有的低壓電力線作為信號傳輸介質，網隨電通，結構靈活[1-3]。但低壓電力線路通信環境干擾較大，窄帶載波易受電網阻抗變化、噪聲、諧波等影響，導致通信不可靠。同時載波信號難以跨空開、變壓器或跨相傳輸，且工作在較高的頻率，一般在2～12 MHz，但電力線信道隨著頻率的升高信號衰減很大，因此載波通信距離嚴重受限。為解決這些問題，近年來，國內外結合無線通信優點，在用電信息采集系統中構成高速電力線載波（High-speed Power Line Broadband Carrier,HPLC）和無線通信雙模解決方案，增加通信信號覆蓋范圍，保證監測系統基本功能，實現對低壓配電臺區的有效管理[4]。目前的雙模通信方案主要有兩種：一是載波和無線信道具備同步接收和發送的能力[5-6]，即載波信道接收數據時，無線信道同時接收數據，根據通信模塊的負載能力，可以選擇分時發送還是同時發送，考慮到信道碰撞和信息重疊問題，須設計時隙管理和調度方案等[7]。利用雙信道同時收發信息，有效提高了通信穩定性和系統的魯棒性，但通信和組網效率仍然較低，無法滿足雙向互動等服務的需求。另一種是根據運行狀態和任務需求自動切換適應的通信通道[8-9]，因此需要在全網內形成統一的動態路由表項，以兼容不同的設備類型和通信協議。

隨著物聯網技術在配電網和用電網中的深化應用，用電信息采集系統中安裝了越來越多的傳感器設備，然而現有的用電信息采集系統功能單一，難以接入不同類型傳感器設備，無法對設備溫度、照明情況、用電浪費等情況實現全面多維的監測。藍牙技術功耗低，協議統一，基于藍牙的設備可直接與智能手機互聯互通[10]。藍牙網狀協議規范，藍牙Mesh彌補了藍牙技術在大量設備的遠距離組網場景的應用缺陷，成為物聯網中一種重要的數據傳輸方式[11]。

為此，本文提出融合物聯傳感的HPLC和藍牙雙模通信系統，以載波通信組網為主、藍牙連接為輔，根據節點通信狀態和環境計算節點路由選擇度，自動選擇最佳通信方式。同時提出藍牙側業務切換和負荷平衡管理方案，優先保證低功耗藍牙中繼連接響應，同時兼顧藍牙Mesh傳感網業務，實現融合物聯傳感的多維度信息采集。

1 HPLC和藍牙雙模通信系統架構

雙模通信系統以臺區融合終端的本地通信單元為主節點，稱為中央協調器（Central Coordinator,CCO），具有組網控制、網絡維護管理和數據集抄等功能。從節點，也稱為站點（Station,STA），主要包括采集器和電表上的雙模通信模塊。如果從節點為智能表計，可安裝雙模通信模塊直接與CCO通信；傳統485表可以加裝采集器與CCO通信。臺區融合終端的CCO匯聚節點數據，再通過4G網絡上傳到電力系統主站。系統架構如圖1所示。

圖1 雙模通信系統框架

STA優先以HPLC方式申請入網，若存在載波不通信或信號不佳時，可以通過藍牙無線通信方式橋接到鄰居節點，保證與CCO的通信穩定性。采集器可通過藍牙無線通信采集具有藍牙功能的電表、水表、燃氣表等表計和藍牙傳感器數據信息。傳感器節點間通過藍牙Mesh網絡的自組網，將傳感數據上報給中心節點（采集器或中繼節點），再通過HPLC通道轉發到臺區融合終端，該終端作為邊緣代理，處理感知數據，減小云端主站存儲和計算壓力。此外，管理用戶可通過手機APP掃描采集器或電表上的二維碼，升級維護相關表計和傳感器設備。

1.1 雙模通信模塊硬件方案

HPLC和藍牙雙模通信模塊硬件原理如圖2所示，主要由載波模塊、驅動模塊和內置天線的藍牙模塊等組成。寬帶載波通信部分主要由4個部分組成：（1）載波芯片：要求支持多載波正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）；（2）線路驅動器：放大發送的模擬信號；（3）帶通濾波器：對接收到的模擬信號進行濾波；（4）耦合變壓器：用于雙向模擬信號與電力線之間的耦合。

圖2 雙模通信模塊硬件原理

HPLC和藍牙雙模通信模塊以載波芯片為主控單元，通過UART方式與藍牙模塊通信，同時支持DL/T645協議、DL/T698協議與采集器或臺區融合終端通信，實現電表抄讀和費控等功能。過零檢測電路可以防止由于負載和阻抗不連續、諧波污染等原因引起的載波信號衰減，同時有效抵抗電網的浪涌電壓和浪涌電流[12]。為匹配不同類型的載波芯片，CCO采用六路過零檢測，單相電表通信模塊采用一路過零檢測，三相電表通信模塊采用三路過零檢測。

1.2 雙模通信模塊軟件方案

雙模通信協議棧設計以易維護、層次簡潔和便于定位故障為主要目標，其結構如圖3所示。

圖3 雙模通信協議棧結構

軟件體系是基于操作系統對各硬件設備的管理和調度建立的。應用層主要負責CCO與STA之間業務數據交互，完成節點注冊和事件上報統計等業務任務。網絡層向上負責通信網絡的組網和維護，對應用層報文進行匯聚和分發；向下負責路由管理，根據網絡狀態擇優與載波或藍牙MAC層數據交換，并計算路由選擇度，實現路由動態管理。MAC層采用沖突避免的載波偵聽多址接入和時分多址接入控制機制與物理層進行數據交換，分為載波MAC層和藍牙MAC層。HPLC的PHY層主要實現寬帶載波信號的調制并耦合到電力線媒介上，接收電力線媒介的寬帶載波信號，解調為數據報文并交予MAC子層處理。藍牙PHY層定義了藍牙工作頻率、輸出功率限制、調制方式、信道編碼和信道切換方法等，完成藍牙點對點連接傳輸和藍牙Mesh網絡覆蓋[10]。

2 雙模通信系統組網

2.1 HPLC側入網管理

系統中節點首先以HPLC載波方式申請加入網絡，入網后通信節點會定時廣播已入網的相關信息，主要數據信息見表1所列。

表1 入網節點廣播信息

負荷率Wt的表達式為：

式中：n為數據包數量；packet為數據包大小；B為信道帶寬。收到信息的節點采用一階滯后濾波方法統計鄰居節點的RSSI，如式（2）所示：

式中：RSSIold為歷史統計信號強度平均數；RSSInew為當前周期的信號強度值；α為濾波系數。

通信成功率C為當前節點周期內與CCO成功通信次數和周期內與CCO通信總次數的比值，同樣采用一階滯后濾波方法統計，如公式（3）所示：

式中：Cold為歷史統計通信成功率平均數；Cnew為當前周期的通信成功率。

節點優先選擇載波方式入網，當不能通過載波方式入網，或者載波信號中斷時，切換為藍牙橋接的方式入網。選擇中繼節點的主要目標是，在能搜索到的已入網的鄰居節點中，選擇CCO層級最低、通信成功率最高、當前負荷率最低且信號強度最強的節點作為最優父節點申請入網，使得請求節點與CCO通信成功率最大。基于此，提出最小路由選擇度計算公式，融合負荷率、信號強度和通信成功率計算請求節點對多個鄰居節點的路由選擇度Q，如公式（4）所示：

路由選擇度最小值即為最優父節點，優先發起鏈接請求，當存在多個Q最小值時，選擇層級數最小的鄰居節點為中繼節點；層級相同時，優先選擇負荷率Wt較小的節點。HPLC側節點入網管理步驟如下：

步驟1：節點首先以載波方式申請加入網絡，入網后通信節點會定時廣播已入網的相關信息。

步驟2：若節點搜索HPLC入網時間達到閾值但還未入網時，該節點開始搜尋周圍已經加入HPLC網絡節點的藍牙信號，根據鄰居表信息計算最小路由選擇度確定最優父節點，發起鏈接請求。

步驟3：通過藍牙入網的通信節點繼續監控周圍藍牙節點的定時廣播信息，并統計通過藍牙中繼的節點的通信成功率和業務量，以動態維護鏈路；同時節點實時監控HPLC通道的網絡信標。

步驟4：當接收到穩定的HPLC通道的網絡信標時，優先切換到HPLC方式入網，重新更新網絡路由，整體入網流程如圖4所示。

圖4 初始化入網流程

2.2 藍牙側業務切換和負荷平衡管理

本文系統藍牙側業務包括藍牙Mesh傳感網和低功耗藍牙BLE點對點中繼連接。常態為藍牙Mesh傳感網絡，在系統的傳感層中的節點實時監測網內數據信息，通過Mesh組網鏈路上傳給主站。當接收到HPLC側通道發來的中繼連接請求時，切換為低功耗藍牙BLE協議工作模式，建立點對點鏈路連接，作為中繼節點轉發數據，此時藍牙的通信數據承載能力與HPLC相似，適合長數據包業務的傳輸。雙模通信網絡拓撲如圖5所示。

2.2.1 藍牙Mesh傳感網

藍牙默認工作在BLE Mesh模式下，節點間通過Mesh組網向中心節點發送采集數據，報文格式如圖6所示。

圖6 BLE Mesh傳感數據幀

表6中命令碼用于不同的幀數據字段解析，包含的信息標識類型有：獲取信息類（獲取地址、設備類型和鄰居表信息等）、BLE數據傳輸類（發送、接收和確認數據）、645數據轉發類（HPLC與藍牙雙向轉發645數據，藍牙或HPLC應答結果）、控制類（請求BLE中繼連接，向藍牙HPLC請求節點信息，請求藍牙電表列表，藍牙回復掃描到的電表信息，復位，設置鄰居表過濾）、上報結果類（藍牙向HPLC上報連接結果和藍牙鄰居列表等）和請求轉發命令（請求橋接另一個主機，HPLC請求轉發數據到手機，手機請求數據轉發到模塊，HPLC觸發藍牙升級，藍牙請求升級包，HPLC向藍牙發送升級包等）。

傳感數據類型包括開關類、級別類（功率值、照明亮度、風速值、水量值、溫度值等）、傳感類（PM2.5、溫濕度狀態、噪音、異常報警等）、模式類（空調制冷和制熱等、風扇搖擺方式等、洗衣機洗滌方式等）。傳感數據隨傳感類型改變而改變。

2.2.2 藍牙側節點業務負荷平衡管理方案

為兼顧藍牙側兩種業務的切換和高效運行，提出了藍牙側的節點業務負荷平衡管理方案。首先，每個通信節點會按周期統計藍牙側業務負荷率，包括中繼業務通信負荷率Wr、Mesh網絡業務通信負荷率Wm和總負荷率Wt。在Mesh傳感網切換為點對點中繼連接業務過程中，若收到中繼業務請求的節點的總負荷率Wt超過閾值，則直接將負荷率數據回復給請求節點，由請求節點判斷是繼續請求該節點還是更換其他節點。被選定的中繼節點一定時間內連續收到兩次中繼請求，則立即開啟中繼業務模式。

進行中繼業務時，當通信總負荷率Wt達到上限閾值，請求節點根據式（4）計算最小路由選擇度，開啟第二條中繼通路，并在兩通道間分攤傳輸數據量。當收到兩個中繼通信節點的總負荷率Wt1和Wt2都低于下限時，并且兩路通信的中繼通信業務負荷率總值不超過一路通信中繼節點的正常總負荷率，即Wr1+Wr2<（Wt1orWt2），請求節點中斷通信成功率較低的鏈路，被釋放的節點切換回Mesh傳感網業務模式。

如果網絡中不存在第二條中繼鏈路，請求節點回復無新鏈接路徑消息給中繼節點，該中繼節點優先保證中繼業務響應，降低Mesh傳感網通信業務處理頻次，當Mesh網絡業務通信負荷率Wm被迫降到0時觸發負荷率告警信息發送給請求節點和CCO，此時需要增加中繼節點等。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗組網測試

以杭州市一園區為試點，實驗臺區共安裝300只STA、1只CCO，設備分布情況見表2所列。

表2 試點園區STA設備分布

CCO安裝在11樓表架#1。為測試HPLC跨相、跨空開傳輸效果，相鄰樓層的STA接入不同相線，在同一表架上，單相表分別接入A、B、C三相。測試周期為30天，每10 min一次抄表，抄讀數據項個數為3，發送時間間隔為100 ms，并進行開啟、關閉藍牙橋接功能重復性組網測試。

實驗一：為測試純載波組網模式下系統通信情況，將5個表架放在同一房間內，各表架經過濾波插座接入電源，市電供電和載波信道完全隔離。其周期性業務性能測試平均數據見表3所列。

表3 隔離各表架載波信號測試結果

純載波模式下，僅有與CCO同處于表架#1上的43只STA入網，配電房和其他房間的表計無法入網，未入網表計的事件上報信息自動被入網節點濾除，因此CCO無法接收到未入網STA的停復電事件。開啟藍牙通信功能后，在混合組網模式下，1 h內11樓層的設備可以全部入網，包括11樓配電房中表計和鄰樓層的表計；2 h內6～27樓層配電房內表計可全部入網。混合組網模式下最大可以通過12級的路由使得各樓層配電房內表計全部入網；在HPLC不通時，通過藍牙通信匹配最優路由，減少級數，同時提高入網成功率。

雙模模塊停電后首先根據TEI置位自己的位圖，然后廣播上報，同時通過HPLC和藍牙兩個通道上報停電事件，突破原有HPLC逐級轉發的路由級數限制，通過藍牙通道更加快速地匯集轉發信息。復電事件在組網完成后進行單播上報，周邊未停電的節點將收到的停復電事件，結合本節點的停復電信息，再生成新的位圖停復電事件，繼續向主節點轉發，主節點收到之后再根據TEI對比相應的位圖即可獲知節點停復電狀態。

實驗二：為驗證在雙模通信系統用電系統中的性能，將5個表架分置不同房間（250只STA，1只CCO），直接供電，其余STA仍安裝在各樓層配電房中，其周期性業務性能測試平均數據見表4所列。

表4 未完全隔離各表架載波信號測試結果

從上述測試數據可以看出，雙模系統10 min內組網成功率比單一HPLC方式提升了30%，這是因為一個節點通過藍牙入網后，附近的節點可以通過藍牙橋接快速入網，混合組網模式入網率隨時間變化呈指數式增長。60 min后，純載波模式下配電房中的表計仍難以入網，雙模組網方式入網率提高了5%，停電上報成功率比HPLC提升了4%；復電上報成功率比HPLC提升了3%，并能保證復電事件100%上報。停電事件會立即打包上報，復電需等表計重新入網后再分散上報，因此上報時間較長且與組網時間相關。HPLC組網方式具有定位故障的優勢，融合藍牙技術后，使得范圍界定更加準確且效率更高。除單一HPLC模式配電房中未入網表計外，雙模組網級數比單一HPLC方式平均減少了1級。綜上，雙模系統的整體性能比單HPLC組網方式提升顯著。

3.2 現場試點案例測試效果

本文方法設計的HPLC和藍牙雙模通信系統方案已經在內蒙古自治區應用，臺區安裝1只CCO、348只STA，其中包括單相電能表雙模模塊340只，三相電能表雙模模塊3只，雙模采集器5只。現場設置有1 min、5 min曲線數據輪詢上報；同時日常采集電表日凍結、分支運行狀態、傳感信號等數據。選取2022年4月7日～4月16日的觀測數據統計結果如圖7所示。在測試統計期間實驗設備全部入網且穩定運行，抄表成功率100%，日凍結成功率100%，1 min、5 min曲線采集成功率大于99%。

圖7 現場測試采集成功率10日統計結果

4 結 語

針對載波通信受限、無線通信存在盲點的問題，本文提出了融合物聯傳感的HPLC和藍牙雙模組網通信系統。首先充分利用HPLC和藍牙Mesh組網的通信優點，結合環境狀態計算路由選擇度進而選擇最佳路由；之后設計藍牙側業務切換和負荷平衡管理方案，通過藍牙Mesh組網接入傳感器設備可豐富用電信息采集系統的功能。實驗室和現場測試結果表明，雙模通信方式提高了節點間連通率和事件上報效率，同時提升了網絡的穩定性和魯棒性。未來將繼續完善以臺區融合終端為中心的邊緣網絡，建立傳感和能耗智能識別模型，使用機器學習和大數據分析和預測運行異常、能耗異常、網絡負荷等情況，并進行路由維護或預警。