面向自動抄表系統的智能消息語言

侯維巖 張方昌 潘瑩玉

(上海大學機電工程與自動化學院1，上海 200072;鄭州大學信息工程學院2，河南 鄭州 450001;河南省駐馬店供電公司3，河南 駐馬店 493000)

0 引言

自動抄表系統(automatic meter reading system，AMRS)是一種不需要抄表人員到達現場，利用特定的通信方式將用戶處的計量表所記錄的各種數據傳送到遠程主控站的計算機網絡中，并由軟件對數據進行統計、分析和計算的系統。

AMRS系統中的通信方式總體分為有線方式和無線方式兩類[1]。有線方式主要有電子載波方式、總線方式等，無線方式有GPRS等遠距離無線方式和WiFi、ZigBee等短距離通信方式。關于自動抄表傳輸方式的相關論文和文獻介紹已經較多，在此不再贅述。目前，自動抄表通信方式眾多，各廠家產品不具有互通性，因此，有必要定義一種統一的、可用于各種自動抄表系統的數據傳輸通信協議，以統一抄表系統中的數據傳輸格式和表具參數定義等。

本文介紹了用于自動抄表系統的智能消息語言(smart message language，SML)[2]。該語言于 2007 年通過了最終版本，并于2008年成為德國國家標準。智能消息語言是一種定義良好、易于表達、功能強大且易用于抄表網絡傳輸數據定義的消息語言，適用于電力抄表、水表和氣表等多種抄表方式。SML以現代通信技術為基礎，建立了一個協調一致的標準，結合現有的自動抄表系統，實現了一種在網絡中進行數據傳輸的通信方式，解決了在讀取自動抄表抄取數據或設置表具參數時沒有統一標準格式的問題。

1 抄表系統的組成及結構

自動化抄表系統由計量儀表、采集器、集中器、通信網絡和主站組成。集中器起到數據緩存和傳輸中繼的作用，它能夠接收主控站命令，依次抄收并儲存各采集器中的數據，然后，通過一定的傳輸介質將數據傳至主控站進行數據處理。通信網絡是抄表數據傳輸的媒介，是自動抄表的關鍵所在，它決定了抄表質量。數據傳輸通道由通信網絡和集中器組成。從集中器到主控站之間的通信規定為上行信道，從集中器到采集器之間的通信規定為下行信道[3]。在上行信道中，目前使用的信道主要有互聯網、電力網、無線通信網和GSM網等;下行信道主要有電力網、總線網和短距離無線網等。自動抄表系統涉及兩段通信網絡，每段網絡可以相同也可以完全不一樣，因此可以組合出各種不同的自動抄表系統。自動抄表系統原理框圖如圖1所示。

圖1 自動抄表系統原理框圖Fig.1 Principle of the automatic meter reading system

2 智能消息語言SML及結構

2.1 智能消息語言SML

智能消息語言SML實質上就是一個通信協議，用于獲取各種計量儀表設備的數據傳輸和參數。SML是由德國EnBW公司、E.ON能源公司和RWE公司等共同于2004年開始聯手制定的一個SyM2研究項目[2]，旨在定義一個有關電能計量儀表的通信協議(通信語言)。該項目于2006～2007年制定出了SML語言的相關規范和規格，并于2008年被批準為德國國家標準。隨后該機構按照標準的要求開發出了相關的電表及通信終端[4]。

SyM2的目標是建立一個從安裝、調試、維護數據到通信與數據處理各過程的具有技術和商業可行性的統一標準，從而減少整個抄表系統的內在通信誤差。從測量角度來講，能源計量表可以分為用于測量氣體、液體或者其他種類的計量表。SML系統概念示意圖如圖2所示。

圖2 SML系統概念示意圖Fig.2 Systematic concept of SML

智能消息語言SML協議為計量表和遠程抄表系統的數據傳輸提供服務。數據傳輸提供服務具備兩個傳統通信線路(PSTN、GSM)的優化結構，封裝后通過傳統的通信鏈路進行傳輸。

2.2 SML 語言結構

2.2.1 SML消息簇基本結構模型

在SML消息簇的基本結構中，SML定義了四種模式，分別是：①用于網絡傳輸終端之間的數據或文件結構;②SML Binary Encoding，以便于SML的二進制數據封裝編碼，該二進制編碼為SML-Layer提供編碼服務;③SML XML Encoding模式，該模式用于XML中的SML的編碼，以便于 SML語言的數據存儲;④SML Transport-Protocol模式，該模式用于串行的連接傳輸終端。

SML定義了從終端到終端的網絡傳輸方式，網絡傳輸方式覆蓋了從二進制代碼到串行傳輸的多種方式。通信模型采用客戶-服務器模式，傳輸鏈路可以是無狀態、可靠的通信線路。

SML-Datei消息簇是SML的基本組成單元，一個消息簇包含多個SML消息。消息簇是一種數據單位，也可以說是一個信息體形式，它由一定量的SML消息按照一定的規則組成。這種打包后的消息簇可以通過多種傳輸技術傳輸，在傳輸過程中所應用的傳輸技術與傳輸內容無關[5]。SML七層網絡示意圖如圖3所示。

圖3 SML七層網絡示意圖Fig.3 Schematic of the SML seven-layer network

消息簇分為任務消息簇、應答消息簇和復合消息簇三種。任務消息簇含有任務請求Requests，以“SML_Open.Res”開始，結束于“SML_Close.Res”幀;應答消息簇含有答復信息Responses，在通過廣播方式傳播時，任務消息簇和應答消息簇不使用消息簇框架;復合消息簇是由任務消息簇和應答消息簇結合而成的一種消息簇[6]。在傳輸過程中，由于消息簇含有多個SML消息，所以在組合時如果數據較大，也可以對消息簇進行切分。

SML消息簇定義了豐富的識別語句，便于數據的分類和傳輸。識別語句是成對出現的，當需要發出任務請求時，需要以“SML_PublicOpen.Req”開頭，以“SML_PublicClose.Req”結束;而ServerID為請求地址。當服務器方收到請求信息后，會以“SML_PublicOpen.Res”開頭，以“SML_PublicClose.Res”結束。

SML消息簇也定義了獲取參數GetProcParameter和設置參數SetProcParameter，以此來設置或者獲取Modem參數、協議參數以及軟件模塊的負荷等。參數列表“GetList”用于獲取參數列表，在回復獲取參數消息時可以加上“actGatewayTime”，即附上實時的時間戳信息。通過以上定義，用戶可以很方便地利用消息簇進行數據通信。

2.2.2 SML 消息簇的基本結構

SML消息簇的數據結構定義如下：

以上程序中，transaction Id為消息的序號，任務發送方以唯一的方式建立此ID號，消息應答方復制該ID并對請求進行回答;Group No對消息進行分組。由于一個SML消息簇含有多個SML消息，因此，有些消息被分組，如接收了三個Group No為4的消息，當接收了Group No為7時，證明Group No為4的消息已經被全部接收。對消息進行分組傳輸可使同一組中的消息無序、并行處理;Abort On Error定義了設備遇到錯誤的情況下的處理方式，錯誤檢驗機制為CRC16，采用DIN EN 62056-46作為CRC16計算。

讀取數據的實例如表1所示。

表1 讀取數據的實例Tab.1 Practical example of reading data

3 SML的二進制編碼及通信實例

3.1 SML二進制編碼

SML使用傳統的Type-Length-Value結構的二進制編碼，其優點是數據容量小。SML定義了多種數據類型，如八位二進制數、整數數據類型、無符號數數據類型和布爾數類型。為了節省字節，傳統的Type-Length-Value僅僅使用了Type和Length結構，即規定為一個字節的Type-Length-Field。Type-Length-Field確定了字節的高比特位，如需要用二進制編碼傳送一個布爾數時，則在開頭的字節中編碼為“0100”。

3.2 通信實例分析

SML消息通過可靠連接或非可靠連接進行數據傳輸，所以連接方式是多樣的。一個基于WiFi的抄表系統總體結構如圖4所示。

圖4 系統總體結構圖Fig.4 General structure of system

系統主要由終端智能表采集、無線中繼、接入點(無線AP)和控制中心等構成，通信協議采用SML智能語言。

WiFi通信模塊采集用戶電表的信息，并將其處理后通過WiFi無線通信方式(如距離較遠通過無線中繼)發送給AP接入點，AP接入點將收集到的數據通過有線網絡傳送至控制中心。在該系統中有兩種通信網絡：小區局域網中采用的是基于WiFi的無線網絡;小區外的網絡采用有線 Internet網絡[7－8]。

在正常使用模式下，AP首先向各個WiFi模塊發出獲取數據的廣播信號，WiFi通信模塊在收到廣播信號后回復ACK;WiFi通信模塊收集到數據后向無線AP請求發送數據。

利用SML進行編碼，實現一次傳輸流程的過程如下所示。

以上SML示例編碼描述了一次完整的數據傳輸過程，包括數據塊開始的描述、數據傳輸描述、ACK請求回復或者拒絕收取數據塊。

4 結束語

本文從自動抄表系統的背景和需求這兩個方面介紹了智能消息語言(協議)SML。SML是用于規范抄表網絡傳輸中消息的傳輸標準，解決了在讀取抄表數據或者設置參數中沒有統一數據結構及編碼形式的問題。SML已經于2008年成為德國國家標準并得到廣泛應用，已有約35萬臺計量儀表使用了SML標準。該語言非常值得借鑒，且對于研究制定我國的標準有很大的參考價值。

[1]譚志強，黃懿.自動抄表技術的發展[J].電測與儀表，2009(1)：1－5.

[2]Neuhaus T，Wisy M.The system concept[EB/OL].[2008 －11 －12].http：∥www.sym2.org/eng/syskonz_eng.html.

[3]王月志，劉伯剛.自動抄表系統[J].電測與儀表，2004(9)：48 －51.

[4]Neuhaus T.Die KM des Sym2[EB/OL].[2009 －05 －05].http：∥www.sym2.org/docs/03_Das_SyM2_KM-Neuhaus.pdf.

[5]Emsycon G，Wisy M.Smart message language version 1.03[EB/OL].[2008 －11 －12].http：∥www.sym2.org/docs/SML_081112_103.pdf.

[6]Emsycon G.Wisy M.Smart message language version 1.02.[EB/OL].[2008－01 －19].http：∥www.t－l－z.org/docs/SML_080711_102_eng.pdf.

[7]張方昌，劉曉丹，侯維巖，等.一種基于Wi-Fi的計量抄表系統的設計和實現[J].自動化與儀表，2010，25(6)：18 －21.

[8]郭丹，李俊芳.ZigBee無線網絡技術在抄表系統中的應用[J].自動化儀表，2009，30(4)：20－23.