面向計量終端監控的遠程運維平臺升級設計

趙靜，陳祖秀，景彪，蔣波

(云南電網有限責任公司 玉溪供電局， 玉溪 653100)

0 引言

隨著國民經濟的發展，一方面，電能在日常生活和生產過程的作用日益顯著，另一方面，電網結構及負載越來越復雜，這對電能計量提出了更高的要求，電能的計量對電能的發、供、用三者產生直接的經濟效益影響，同時對國民經濟有深遠影響[1]。為了更好地實現電能計量，越來越多的計量終端被用于電能計量中去[2-4]。

計量終端的運行狀態對電能計量過程有重要的影響。通常會引入監控系統，用于監視和控制計量終端的運行，以在最優策略管理下對計量終端進行維護管理。傳統方案存在著明顯的弊端。在監控軟件實現方案上，通過網絡端口及布線將終端互聯，在計量終端越來越多的情況下，帶來了極大的不便[5-6]。

為解決傳統方案存在的弊端，提高計量終端運維的性能，本文在傳統方案上進行升級改造，本文提出了一種互聯網計量終端遠程監控運維的設計。設計方案包括一個中央控制模塊和多個控制模塊。中央控制模塊嵌入了一個運維網站和一個射頻收發模塊。用戶可以通過運維網站遠程對計量終端運行情況進行實時監測，同時可以根據數據情況，向中央控制模塊發送維護管理命令，中央控制模塊通過 MiWi 無線技術將命令廣播到各計量終端，這樣不管計量終端的數量，不存在布線問題。隨著智能手機和互聯網網絡的日益普及，計量終端遠程運維平臺的升級改造促進了計量終端的自動化和智能化管理，為電能計量工作帶了極大的便利[7-9]。

1 遠程運維監測平臺總體設計

如圖1 所示。

本文設計的面向計量終端監控的遠程運維平臺的體系結構，包括一個中央控制模塊和多個計量終端模塊。中央控制模塊有一個固定的 IP 地址連接到互聯網網絡[10]和一個射頻收發器與計量終端模塊交換數據。中央控制模塊與計量終端采取的無線通信協議由微芯片開發的 MiWi 無線協議支持。

1.1 中央控制模塊

如圖2所示。

圖2 中央控制模塊結構框圖

是中央控制模塊的功能框圖。它主要包含單片機1、單片機2、以太網控制器和射頻收發器。單片機 1 是控制內核，通過以太網控制器連接到Internet 網絡[11]。

微控制器1嵌入了一個網站， 它顯示了有關計量終端的操作界面。授權用戶可以在任何網絡空間使用任何網絡設備登錄網站。控制內核檢測網站的信息更改，并將信息作為控制命令轉換為單片機2。單片機2使用 MiWi 協議接收控制命令并通過射頻收發器廣播運維指令。單片機 2的設計增加了系統的冗余度，提高了系統的穩定性。射頻收發器集成了物理和 MAC 地址， 并可通過 SPI 接口方便地與單片機連接[12]。

1.2 MiWi無線通信協議

MiWi 無線協議是利用微芯片技術開發的，采用基于 IEEE 802.15.4 標準的小型低功耗個域網無線通信技術 (WPANs)。MiWi無線通信特別適合于低數據傳輸率和短距離、成本約束網絡。與Zigbee無線協議相比，MiWi更簡單有效[13]。在PIC單片機體系結構下，MiWi實現所需要的棧空間要求僅為 3K-17K[14]，低于 Zigbee所需要的40 k-100 K[15-16]。顯然，WiMi在成本約束條件下更具優勢。

如圖3所示。

圖3 MiWi協議網絡拓撲圖

為 MiWi 協議的網絡拓撲結構。它支持多達8個協調器節點，包括啟動網絡的個域網 (PAN) 協調器。它還支持多達4個從端設備到端設備的躍點, 或者2個從 PAN 協調器到任何端設備的躍點。為了簡化路由結構，一個協調器只能與 PAN網絡 協調器互連，不能與其他協調器互連。如果協調器無法到達PAN網絡協調器，或者網絡中已經有8協調器，協調器將自動成為終端設備。本文中中央控制模塊充當PAN 協調器，多個計量終端模塊是網絡中的終端設備。由于 RF 模塊在芯片中中集成了唯一物理和 MAC 地址，因此 PAN 協調器可以將該命令按地址格式廣播到所需的最終設備。

2 遠程運維監測軟件升級設計

2.1 中央控制模塊程序設計

中央控制模塊程序執行以下功能，連接到互聯網，網絡站點界面，命令廣播開對計量終端進行維護管理。這些程序在單獨的微控制器上運行。程序流程圖如圖4、圖5所示。它主要運行網站程序并提供友好的操作界面。 用戶可以根據特定的需求在界面進行操作。為微控制器2上RF收發器基于MiWi無線通信協議進行數據收發的流程圖，如圖5所示。

圖4 中央控制模塊微處理器1控制流程圖

2.2 計量終端監測程序設計

計量終端是系統的重要組成部分，負責獲取區域電流、電壓及相關設備工況等實時信息。計量終端運行的監測程序與中央控制模塊的單片機2類似。通過數據采集模塊計量終端的運行狀態，包括終端計量數據，用戶用電情況等，并通過MiWi無線協議上傳到中央控制模塊。同時，接收中央控制模塊下發的運維控制指令。

由此，一個中央控制模塊和計量終端模塊組成了一個本地小型網絡。該網絡連接到網絡, 實現了遠程控制技術，如圖5所示。

圖5 中央控制模塊微處理器2控制流程圖

3 結果分析

3.1 實驗樣機

基于上述的體系結構, 本文完成了中央控制模塊和電源控制模塊的樣機模塊設計。如圖6所示。

圖6 中央控制模塊實物圖

為本設計的中央控制模塊，中央控制模塊安裝在在網絡出口處，方便與互聯網進行連接，在規劃的位置下布置各計量終端，完成系統搭建設計。

3.2 遠程訪問測試

系統測試完成系統安裝后, 用戶可以登錄網站測試實驗結果。本設計嵌入的網站有一定固定IP地址，并且申請訪問網站地址為http://www.f200.com。打開網頁將出現登錄窗口, 如圖7所示。

圖7 遠程訪問界面

輸入許可的用戶名和密碼將顯示監測界面。

在遠程訪問設計中，系統提供了友好的操作界面，同時根據數據安全要求，對不同用戶設置了不同權限。根據不同權限，用戶能進行數據監測或者下發運維控制指令[17-18]。

獲得授權的用戶，可以計量終端上報的數據監測圖，如圖8所示。

圖8 電能計量監測管理系統

包括區域電流、電壓及相關設備工況等實時信息[19]。

4 總結

本工作采用 MiWi 無線網絡協議實現計量終端遠程監控和運維服務。所設計方案包括一個中央控制模塊及多個計量終端模塊。模塊之間采用MiWi無線通信協議，并設置了不同數據幀格式實現模塊之間快速、穩定地通信。同時，中央控制模塊嵌入了一個運維網站，通過TCP/IP協議連接到服務器網站。

所設計運維平臺在傳統的方案進行了升級改造，在布線、操作、尺寸、成本等方面較傳統的線材式方案有明顯的優勢。并且，所開發的系統可以很容易地擴展到其他應用程序。不同用戶可以根據設定權限對計量終端進行監測、運維管理。經過實驗表明，所設計的方案，能夠有效對計量終端進行自動化、智能化管理，為電能計量工作帶了極大的便利。