芻議電力終端融合通信的網關設計

摘 要：電力終端具有非常復雜的接入方式，目前智能電網的發展越來越快，因此過于單一的通訊技術已逐漸不能適應終端通信業務的發展情況，在技術方向嚴重制約了智能電網的快速發展。而結合EPON技術的傳播優勢后，多網絡融合網關和EPON作為主要的電力通信網絡和終端數據的ONU的設計。網關可以實現不同終端通信接口數據的綜合接入和不同系統間的數據共享，采用沒有源頭的光的網絡寬帶具有可以高速傳輸數據的優勢，這可以高效地減少建設電力系統的成本，使電力系統的終端的發展能夠適應社會的不斷發展。

關鍵詞：EPON；終端通信；融合網關

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）14-0055-02

引 言

在電力終端通信的系統里面，通信網關是電力系統重要的一員，通信網的應用范圍也在不斷擴展，例如在完成用戶信息的收集、分布式電源的測量、對客戶需要的反應和另外的服務等方面都得到很大應用。與骨干電信網相比，用戶電力終端有一下幾個特點：終端拐點分散，傳輸距離有差別，可以嚴重影響城市電力建設。近幾年，電力終端網絡接入量依照著電力系統的飛速發展和智能配電網絡的應用發生了很大的變化。據此，本文提出了對電力終端綜合通信網關的設計，結合當前在中國各地區的電力終端用戶環境和業務需求和當前電力通信的發展現狀。

1 終端通信網技術現狀及需求分析

1.1 端通信技術的研究現狀

目前，電力終端通訊有很多種接入方式，根據有線和無線兩種方式，主要分為兩種：通信方式，如表1所示。終端通信網絡具有多種接入設備、大量通信節點和集中式數據業務的特點。由于我國各地區經濟發展、地理環境、業務需求等因素的影響，單一的通信方式已不能滿足所有終端業務的需要。近年來，為了提高現有的電力終端通信技術水平，研究和開發融合通信技術逐漸成為一個熱門話題和趨勢。目前，這一領域的融合技術主要是xPON+PLC、xPON+無線，這些通信方式基本上與兩種通信模式的集成，并不能完全適應在中國不同地區的電源終端的通信需求。

1.2 電力終端通信網絡需求分析

近年來，隨著因特網技術的快速發展，用戶手中的移動設備可以存在著各種各樣的智能終端，因此，智能電網下屬的電力終端通信網關技術就要具有更高的要求。智能終端種類繁多，數量龐大，因此其接入的通信業務和種類也越來越多，當前的終端通信技術已逐漸落后，無法滿足需求。采集和發送用戶信息，是電力終端接入電網終端的主要功能，實現各種業務的電力業務和用戶交互。電信息采集可以在給定的時間內收集數據信息的使用，例如電費數據。遠程控制指令信息強，實時性要求高，但信息流量小，而用戶交互服務信息對通信網絡的通信傳輸的更高的要求。

2 電力終端融合網關的架構設計

在本文中，EPON網絡的主要接入方式是電力終端接入網絡，以及融合網關，訪問多種通信模式，都可以建立在ONU接入終端的設計上。EPON是光纖接入網技術，主要包括OLT和ONU，所有這一切都是光無源器件，也就是說安裝不需要機房、電源設備，和相關的機器維修工人，因此在這些方面就節省了大量的運營維護和建設成本，尤其與自動化智能配電網絡的寬廣的系統構成非常匹配。已經存在的電力中心通信網絡大體上可以適用于擴建配電網的基本條件。所以，EPON技術與融合網關的工作條件非常吻合。

電力終端融合通信網關的整體結構體系是依托目前電力通信系統的研制基礎上，并與最新的信息通信技術結合起來，形成的一種安全可靠、整齊先進的數據終端綜合接收設備。網關主要設置在ONU側，ONU端融合網關設備結合終端數據業務的特點，將各種通信接口的數據，如PLC、無線、光纖、等對ONU設備傳送給0lt裝置。OLT發送接收數據到服務器并將其發送到與之對應的下屬業務系統，做到數據的能夠與終端的各種接口相對應，實現語音和視頻服務，并最終完成統一的數據通訊和數據采集終端的信息共享、環境監測和生產控制。

3 終端通信網關的功能模型及硬件設計

對電力終端通信網關的功能設計要連接接入網絡通過ONU的上行連接的終端設備或適配器裝置通過下行網絡接口。

對電力終端融合網關的核心功能包括對電力終端各服務模塊的IP地址的獲取，實現DHCP認證方式，PPPoE/靜態IP等。安全功能大部分用來阻擋違法向外網訪問的設備權限和相關業務種類的違法連接。檢驗功能大部分用來做到電源終端接入設備的IP地址檢測，可以做到自動尋找設備和自動配置，做到了網絡速度的隨時監控；遠程管理和終端設備及通信服務控制QoS功能，主要是分級轉發和處理通信業務。Web的本地管理功能主要用來為管理員實現遠程登陸的功能，以管理和控制通信設備。網關已經是通信系統中的核心設備，其要做到調整和管控所有的網絡終端，保證在不一樣的通信接口和協議之間能夠正常轉換。作為骨干通信系統的核心設備，網關負責協調控制和管理整個終端網絡，不同的通信接口和通信協議的轉換正常。因此必須要保證其穩定性、可靠性、抗干擾和信息處理的高效率。因為，由于電力終端融合通信網關的功能包含著許多各種各樣的其他功能，所以在硬件的設計上就要麻煩許多。因此，硬件核心，主要由嵌入式CPU及其外圍電路，并完成網關的硬件設計包括EPO NONU以太網交換模塊、PLC通信模塊、Wi-Fi模塊、ZigBee模塊等。

硬件平臺的CPU將采用高性能ARM處理器，外部DDR2內存也NAND Flash閃存，加上時鐘，jri'ag仿真、電源等電路構成的最小系統硬件平臺處理器。它連接EPON ONU模塊通過MII接口，實現了電源端子和以太網之間的數據交換。EPON ONU模塊內嵌CPU和外部存儲器DDR2都具有獨立處理功能，實現了數據訪問通過RGM RGM II。它通過MII接口與CPU相連，用于終端接入網中主要網絡設備的連接。q型電力線載波通信（plc）模塊由載波芯片和耦合電源組成，提供電力線載波通信接口，通過電力線載波通信方式實現終端接入。Wi-Fi模塊采用成熟的Wi-Fi AP模塊，通過pci插槽連接CPU，為通信訪問或管理訪問提供通信接口。GPRS無線數據傳輸模塊嵌入GSM/GPRS核心單元，通過RS232接口與CPU相連。它可以用作遠程終端有線接入的備用保護方案。ZigBee模塊主要由ZigBeeSOC芯片組成。它是通過UART和CPU連接的。主要用于無線傳感器網絡的數據采集、抄表等業務子系統。網關還提供可擴展的USB接口，以滿足不同環境下的不同通信訪問。

4 軟件設計方案

網關軟件的設計對于網關的可用性和可靠性至關重要。我們在嵌入式系統開發平臺的基礎上，對網關軟件進行了設計與研究。首先，根據上述的硬件設計、系統軟件平臺需要實現以下功能：①對底層驅動程序的設計，以及各種接口和平臺的平穩運行；②實現各種通信系統中，不同的網絡數據的接收；③完成非通信模式之間的數據格式轉換。綜合通信網關的軟件體系結構通過軟件需求的功能分析分為三層。第一層是底層驅動支持，主要完成對各個通信模塊和通信連接的驅動，第二層是操作系統，本文采用linux嵌入式操作系統，提供TCP/IP協議的支持。第三層是應用層，主要完成網絡協議和數據格式的轉換，以及輸入輸出的處理。引導程序負責初始化硬件并設置內存空間圖，為最終操作系統內核的調用做好準備；應用程序通過底層Linux內核中的硬件驅動程序調用來完成硬件的操作。在設計終端通信網關時，選擇嵌入式linux操作系統。它能夠滿足系統的實時性要求，并且由于Linux本身的開放性和可移植性，已經成為本次設計的理想選擇。在該開發平臺的基礎上，根據網關的功能需求，開發相應的應用程序，可以實現外部WiFi模塊、交換機模塊和GPRS模塊的集成，完成網關所需的特定服務。核心技術包括底層操作系統和接口驅動程序的開發和實現、不同通信協議的轉換和開發以及圖形界面的開發。這些核心技術的實現可以完成網關的軟件設計。

參考文獻

[1]鄭 寶，喻 強，甄 沖，等.電力終端融合通信的網關設計[J].電子技術應用，2016（z1）.

[2]李 超.基于WebRTC技術的iOS融合通信終端的設計與實現[D].中國科學院大學（中國科學院沈陽計算技術研究所），2017.

[3]孫 龍.USB VoIP融合通信網關技術研究與實現[D].東南大學，2010.

收稿日期：2018-4-14