基于雙模通信模塊的用電信息采集系統(tǒng)設計

萬 強，安立平，黃小恬，李建超

（國網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司，河北石家莊050000）

1 引言

隨著智能電網(wǎng)建設的發(fā)展，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了更高要求，用電信息采集系統(tǒng)作為其中重要組成部分，安全、可靠通信，提高抄表成功率是急需解決的問題[1]。目前用電信息采集系統(tǒng)中的通信主要為電力線通信和無線通信兩種[2]。電力線通信具有不需要另外布線，易施工維護，不易被損壞，可靠性高的特點，但電力線通信存在噪聲干擾多樣且阻抗不可預測以及信號衰減嚴重的問題[3－4]。微功率無線通信同樣有不需要布線、易施工維護的特點，但微功率無線通信容易受環(huán)境因素的影響，穿透力差、在遇到有高樓等復雜的環(huán)境下信號衰嚴重[5]。因此使用其中一種通信方式進行用電信息采集不能確保采集的準確率。

為解決兩種用電信息采集通信方式的不足，確保用電信息系統(tǒng)采集的準確率，融合兩種通信技術，開發(fā)和研究具有電力線和無線通信的雙模通信模塊具有重要意義。文獻[6]提出了智能電表雙通道抄表方案，雖然抄表的成功率較高，但是該方案每次都是雙通道進行發(fā)送，浪費了信道資源。文獻[7]提出了一種光纖通信、電力線通信、Zigbee傳輸方式的電力三網(wǎng)融合的用電信息系統(tǒng)采集方案，但是沒有具體的設計以及實現(xiàn)方法。文獻[8]依據(jù)RSSI提出了階梯算法的雙模異構通信的方案設計，該方案能有效地選擇通信模式，保留了兩種通信方式的優(yōu)點，但是該方案沒有給出具體的硬件設計以及測試結果，并且該方案的RSSI需要提前知道，缺乏一定的靈活性。

接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）是能夠反應通信質量的一個重要指標，通信時依據(jù)RSSI選擇通信方式能提高通信的成功率。因此，本文將研究基于RSSI的信道選擇算法，以STM32F107為處理器完成雙模通信模塊的設計，最后對設計完成的雙模通信模塊在實際環(huán)境中進行了測試與分析。

2 雙模通信用電信息采集系統(tǒng)設計

具有雙模通信功能的用電信息采集系統(tǒng)結構如圖1所示。采集器和集中器由具有雙模通信功能的模塊構成，通信方式既能選擇電力線傳輸又能選擇無線傳輸。采集器將接收到的電能表的用電量等信息通過無線通信或者電力線通信發(fā)送給集中器，最后集中器匯總信息并通過GPRS或者以太網(wǎng)發(fā)送給管理中心。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)結構圖

采集器與集中器之間可以進行3種方式的通信。當檢測到只有無線能成功通信時，選擇無線通信方式；當檢測到只有電力線能成功通信時，選擇電力線通信方式；當兩種方式都能成功通信時，比較兩種通信的接收信號強度，選擇信號較好的一方進行通信。通過這種雙模的通信方式能提高通信的成功率，集中器能準確無誤得接收到信息。

3 雙模通信模塊的軟硬件設計

3.1 雙模通信模塊的硬件設計

雙模通信模塊的硬件設計主要由3種模塊組成處理器模塊、電力線通信模塊以及無線通信模塊。選擇STM32F107作為處理器模塊，實現(xiàn)對電力線通信模塊和無線通信模塊的控制。硬件總體結構如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

（1）處理器模塊STM32F107

STM32F107處理器是基于ARM Cortex－M3內核的，Cortex－M3內核具有廉價、功耗小和高性能的特點，能滿足設計需求。STM32F107集成了豐富的外圍接口，具有數(shù)模轉換模塊、三個SPI端口、兩個I2C接口，和五路USART接口。與同級別的ARM模塊相比，STM32F107處理速率更快、性能更優(yōu)越，且在處理性能相同的情況下，STM32功耗可以減少75%。因此STM32F107在外圍接口、處理性能、功耗等方便都有很大的優(yōu)勢[9]。設計中使用串口中斷方式進行用電信息的采集，使用STM32F107中的3個串口，串口1和CC2530模塊通信，串口3和BWP31模塊通信，串口2進行用電信息的采集。

（2）無線通信模塊選擇及控制

無線模塊選用Zigbee芯片CC2530。CC2530無線射頻單片機既支持IEEE802.15.4協(xié)議，又兼容8051內核；CC2530有豐富的外設接口，具有USART、SPI、A/D數(shù)模轉換等接口以及精確的數(shù)字信號強度接收指示，同時具有低功耗的特點。

CC2530 將 P0＿2，P0＿3 配置為外設功能，P0＿2為 RX，P0＿3為 TX，UART0采用串行通信接口，將CC2530 的 RX、TX、VCC、GND 分別與處理器模塊STM32F107 的 UART1—TX、UART1—RX、VCC、GND連接，實現(xiàn)無線通信模塊和處理器模塊之間的通信，處理器和無線模塊的串口通信波特率都設為9600bps。

（3）電力線通信模塊選擇及控制

電力線載波模塊選擇BWP31模塊，主要由耦合電路、濾波電路、放大電路、調制解調電路組成[10]。BWP31模塊采用BPSK調制數(shù)字通信。調制解調芯片使用的是BL6810，BL6810芯片具有如下特點，具有多頻點、多速率的特點，最高速率5.48kbps，內嵌增強型8051 MCU核；能精確指示信號強度以及線上噪聲強度等重要信息。

BWP31模塊與處理器STM32F107之間的通信方式為異步通信，電力線通信模塊和處理器模塊的硬件連線為BWP31的RX、TX、5V、GND分別和 STM32F107 的 UART3—TX、UART3—RX、5V、GND連接，實現(xiàn)兩模塊之間的串口通信。

3.2 雙模通信模塊的軟件設計

雙模通信模塊用在用電信息采集的采集器和集中器中，采集器為源節(jié)點S，集中器為目的節(jié)點D。S通過處理器STM32F107的串口2進行數(shù)據(jù)的采集且先將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，等待D發(fā)送測試的命令，S通過接收分析D的命令，進行數(shù)據(jù)處理，最后選擇合適的通信方式將采集的信息發(fā)送到D，從而完成通信。雙模通信模塊的總體設計流程圖如圖3所示。

圖3 軟件總體設計流程圖

雙模通信模塊主要依據(jù)RSSI選擇通信方式，通信的周期由與D發(fā)送信道測試幀的周期一樣，D每發(fā)送一次信道測試幀，則S向D傳送一次數(shù)據(jù)。雙模通信選擇流程圖如圖4所示。系統(tǒng)初始化主要包括對處理器STM32F107中需要用到的3個串口、定時器以及串口波特率等進行初始化設置。將串口1和串口3的中斷標識符設置為flag1＝0、flag3＝0，兩個串口波特率設為9600 bps；初始化完成后，D會每5s發(fā)送一個信道測試幀到S，為了確保別的信息被誤以為是信道測試幀，本設計中信道測試幀選擇傳輸5個字節(jié)。S的無線通信模塊接收到信道測試幀時則flag1為1，S的電力線通信模塊接收到信道測試幀時則flag3為1。在軟件主函數(shù)的while中，當 flag1＝1、flag3＝0時，S緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送給 D；當 flag3＝1、flag1＝0 時，S 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過電力線通信模塊發(fā)送給D；當flag1＝1、flag3＝1時，進入RSSI值處理模塊，比較無線通信和電力線通信的RSSI，選擇通信質量較好的通信方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4 雙模通信選擇流程圖

因CC2530模塊功耗低、傳輸速率高于電力線通信，所以在進入RSSI值處理后，傳輸方式首先選用CC2530通信。為提高通信的成功率，首先在實際場景中進行多次實驗，得到RSSI值和通信成功率的對應關系。根據(jù)實際實驗測得CC2530模塊的RSSI值和通信成功率的對應關系，當無線的RSSI值大于－70db時，通信成功率大于95%，當RSSI值在－80db至－70db之間時，通信成功率大于85%，當RSSI的值在－80db至－90db之間時，通信成功率大于70%，當RSSI值小于－90db時丟包率明顯上升，當RSSI值小于－95db時丟包嚴重，通信成功率大于50%。根據(jù)實際實驗測得BWP31模塊的RSSI值和通信成成功率的對應關系，當RSSI的值大于15db時，通信成功率大于95%，當RSSI的值在11db至15db之間時，通信成功率大于85%，當RSSI的值在8db至11db之間時，通信成功率大于70%。當RSSI的值小于8db時丟包誤碼率明顯上升，當RSSI的值小于4db時丟包誤碼嚴重，通信成功率大于50%[10]。分四階段比較無線和電力線的RSSI值，選擇較優(yōu)的通信方式，處理流程圖如圖5所示。

圖5 RSSI處理流程圖

通過四階段信道選擇算法，能保證選擇最優(yōu)路徑進行通信，提高通信的成功率。四階段算法中第一階段首先比較CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－70db，如若滿足則選擇CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則比較BWP31的RSSI值是否滿足大于或者等于15db，若滿足則選擇BWP31發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則進入第二階段比較；同樣首先比較CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－80db，如若滿足則選擇CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則比較BWP31的RSSI值是否滿足大于或者等于11db，若滿足則選擇BWP31發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則進入第三階段比較；同樣首先比較CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－90db，如若滿足則選擇CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則比較BWP31的RSSI值是否滿足大于或者等于8db，若滿足則選擇BWP31發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則進入第四階段比較；同樣首先比較CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－95db，如若滿足則選擇CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則比較BWP31的RSSI值是否滿足大于或者等于4db，若滿足則選擇BWP31發(fā)送數(shù)據(jù)，若不滿足則用CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 實驗測試及結果分析

影響電力線通信和無線通信成功率的因素各有不同，為測試不同環(huán)境下的雙模通信模塊的通信性能，本文在某小區(qū)大樓對其丟包率在早上晚上進行兩組實驗測試，每組實驗在不同的地方進行3次測試。每次實驗都是3種通信方式在同一地方相同的條件下進行測試：①只有CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，S通過CC2530每5s向D發(fā)送一次數(shù)據(jù)，共進行1000次，通過串口助手監(jiān)測D并計算其丟包率。②只有BWP31發(fā)送數(shù)據(jù)，S通過BWP31每5s向D發(fā)送一次數(shù)據(jù)，共進行1000次，通過串口助手監(jiān)測D并計算其丟包率。③雙模通信，D每5s發(fā)送一次信道測試幀到S，S將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)給D，共進行1000次，通過串口助手監(jiān)測D并計算其丟包率。

表1 實驗場景及測試結果

早上六點鐘在某小區(qū)第一組實驗，此時間段用電器基本沒有工作，負載少。第一組的實驗場景及測試結果如表1所示。

從表1中可以看出，就目前測試的環(huán)境來看，隨著距離的增大，兩種通信方式都出現(xiàn)了丟包的情況，無線通信更容易受到距離和障礙物的影響，丟包情況更加明顯。雙模通信模塊隨著距離的增加只出現(xiàn)了個別的丟包情況，通信的成功率高于單一的無線通信或者電力線通信。

晚上八點進行第二組實驗，此時間段用電器大多處在工作狀態(tài)，電力線上負載多。節(jié)點放置的位置和第一組實驗放置位置相同，下面只給出了實驗序號以及所對應的3種通信方式的丟包率，實驗測試結果如表2所示。

表2 實驗測試結果

第二組實驗主要是改變了電力線通信的信道質量，通過增加負載，電力線通信的信道受到的干擾變大，質量變差，丟包情況明顯。無線通信信道基本不受影響，丟包率與第一組實驗測試基本一樣。雙模通信模塊隨著負載的增多同樣只出現(xiàn)了個別的丟包情況，通信的成功率高于單一的無線通信或者電力線通信。

這兩組實驗主要是從不同的環(huán)境下比較3種通信方式。通過兩組測試可以看到，在通信節(jié)點之間的距離較近且負載少時，單一通信或者雙模通信的成功率都非常高，隨著通信節(jié)點之間距離和節(jié)點間障礙物的增加，無線通信信道質量變差出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，且隨著距離的增加而越來越嚴重，同時隨著負載的和距離的增加，電力線通信信道質量變差出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，且隨著負載的增加而越來越嚴重，而雙模通信模塊只出現(xiàn)了個別的丟包情況，通信成功率依然很高。實驗測試結果表明，雙模通信模塊能依據(jù)信道質量選擇通信方式，通信成功率高于單一的通信方式。

5 結束語

本文以STM32107為處理器，完成了一種基于雙模通信模塊的用電信息采集系統(tǒng)的軟硬件設計，雙模通信模塊將電力線通信和微功率無線通信相融合，保留了兩種通信方式的優(yōu)點，克服了缺點，利用基于RSSI的信道選擇算法進行了實驗測試。實驗結果表明雙模通信模塊對不同的應用環(huán)境有很好的適應性，既能節(jié)省信道資源又保證了通信成功率，通信成功率高于單一的電力線或者無線通信方式，對實現(xiàn)國家電網(wǎng)推行的“全覆蓋、全采集、全費控”的目標具有重要意義。