電力計(jì)量自動(dòng)化現(xiàn)場無線通信檢測裝置設(shè)計(jì)

王長海

【摘 要】隨著電力計(jì)量自動(dòng)化的發(fā)展，需要設(shè)計(jì)一套能夠評估微功率無線通信模塊的協(xié)議，確保不同模塊之間能夠互聯(lián)互通。通過分析設(shè)計(jì)的裝置，并且與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及空中報(bào)文進(jìn)行比較分析，對通信協(xié)議的一致性進(jìn)行評估。對不同模塊之間的通信成功率進(jìn)行測試，可以對模考的互聯(lián)互通性進(jìn)行評估。此次研究主要是圍繞電力計(jì)量自動(dòng)化現(xiàn)場無線通信檢測裝置設(shè)計(jì)展開討論，，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】電力計(jì)量;自動(dòng)化;無線通信;檢測裝置

微功率無線通信采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，相比于載波通信方式來說，微功率通信技術(shù)便于安裝和維護(hù)，且不會受到高強(qiáng)度雜波影響，所以在無線抄表、安防以及測控等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。需要注意的是，微功率無線通信技術(shù)在應(yīng)用期間還存在諸多問題，例如通信協(xié)議不一致、通信失敗率高以及混合組網(wǎng)慢等。現(xiàn)階段，用電采集系統(tǒng)主要是對抗電磁干擾能力和電表計(jì)量誤差進(jìn)行檢測，很少研究通信性能測試和評估問題。因此需要研發(fā)出微功率無線通信檢測裝置，分析和研究通訊協(xié)議一致性、無線裝置互通互聯(lián)問題。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該檢測裝置包括供電單元、顯示單元、報(bào)文分析單元以及射頻接受單元等，其中，射頻接收單元主要是對無線模塊、接收集抄現(xiàn)場、集中器通信的空中報(bào)文進(jìn)行接收。且顯示單元與報(bào)文分析單元之間、報(bào)文單元與射頻接收單元之間的數(shù)據(jù)通信均采用串行外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)，供電單元能夠?qū)⒎€(wěn)定電壓提供給顯示單元、報(bào)文分析單元和射頻接收單元。

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1報(bào)文分析單元

該檢測裝置能夠應(yīng)用到智能電網(wǎng)無線性能檢測中，因此主控芯片必須具備豐富的外設(shè)資源、片內(nèi)資源、處理能力以及開發(fā)環(huán)境等，且滿足低功耗和大存儲容量要求。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，主控制板采用半導(dǎo)體芯片，工作效率比較高，且內(nèi)含豐富端口、閃存器以及片內(nèi)外設(shè)，可以滿足低功耗應(yīng)用要求。

為了加強(qiáng)固件升級、參數(shù)存儲以及數(shù)據(jù)存儲功能要求，需要確保片上容量為512KB，且利用SPI接口擴(kuò)展存儲芯片。其次，還應(yīng)當(dāng)分析芯片上的隨機(jī)存取存儲器，利用可變靜態(tài)存儲器擴(kuò)展8M字節(jié)，且數(shù)據(jù)寬度為16位的芯片。

2.2無線射頻接收單元

該組件的核心在于射頻收發(fā)芯片，在芯片當(dāng)中包含可編程寄存器，內(nèi)部包括壓控震蕩機(jī)、低噪聲放大器，功率放大器以及調(diào)制節(jié)調(diào)電路等模塊。按照無線通信系統(tǒng)的檢測裝置的設(shè)計(jì)要求，需要將芯片配置在外圍控制電路中，配置內(nèi)容主要包括工作信達(dá)道，接收模式、接收靈敏度以及傳輸速率，必須合理選擇工作信道，當(dāng)無線射頻接收單元和電表位于同一信道時(shí)，才可以收集數(shù)據(jù)。射頻接收單元運(yùn)行過程中，會篩選和放大空中無線信號，并且將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，傳輸?shù)綀?bào)文分析單元。

2.3數(shù)據(jù)采集單元

通過應(yīng)用全自動(dòng)流程技術(shù)能夠有效減少數(shù)據(jù)采集工作量，顯著提升工作效率。然而，若系統(tǒng)在實(shí)施遠(yuǎn)程計(jì)量時(shí)出現(xiàn)故障問題，會相應(yīng)增加電力計(jì)量人員的任務(wù)量。所以必須全面提升抄表采集成功率，縮小覆蓋率，這樣才能夠避免發(fā)生該類問題。在此期間，還應(yīng)當(dāng)持續(xù)加強(qiáng)計(jì)量流程自動(dòng)化水平，確保不同流程均可以實(shí)現(xiàn)管理模式自動(dòng)化。

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1檢測指標(biāo)

微功率無線通信的優(yōu)勢在于，具備穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)狀況，較高的通信可靠性。但是在應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)較多不足和弊端，在同頻干擾下，射頻性能指標(biāo)超限制，通信效果不佳以及通信一致性較低檔。所以需要檢測通信設(shè)備之間的通信狀況，分析和研究不同為功率通信設(shè)備之間的互聯(lián)互通性，保證通信設(shè)備之間，具備高效可靠的網(wǎng)絡(luò)組織。

3.2檢測方法

在測試協(xié)議一致性時(shí)，必須解讀和校驗(yàn)空中報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)層、物理層和應(yīng)用層，且不同層所包含的報(bào)文內(nèi)容類型比較多，均需要一一進(jìn)行解析測試。例如“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”報(bào)文，物理層為數(shù)據(jù)白化處理，確保數(shù)據(jù)無線傳輸期間維持“0”與“1”數(shù)量相等，使載波頻率巷穩(wěn)定鎖相，且運(yùn)行效果良好。然而數(shù)據(jù)傳輸不滿足此項(xiàng)特征，可能會包含多個(gè)“0”或者“1”。所以在進(jìn)行白化處理時(shí)可以應(yīng)用偽隨機(jī)編碼。首先按照位做“異或”運(yùn)算待發(fā)送用戶數(shù)據(jù)和偽隨機(jī)數(shù)據(jù)。白化譯碼如下：接收方應(yīng)用相同偽隨機(jī)編碼進(jìn)行“異或”運(yùn)算，能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行還原。且數(shù)據(jù)白化編碼不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增加。在解析基帶信號時(shí)，需要按照物理層—網(wǎng)絡(luò)層—應(yīng)用層順序進(jìn)行，之后按照不同層校驗(yàn)字段是否滿足通信協(xié)議要求。

檢測交互成功率方法如下：若報(bào)文分析結(jié)果為主動(dòng)幀時(shí)，則需要將主動(dòng)幀插入到時(shí)間戳隊(duì)列，等待從站應(yīng)答幀，并且累加交互數(shù)。若報(bào)文分析結(jié)果為從占應(yīng)答幀時(shí)，則需要將該幀時(shí)間戳與時(shí)間戳隊(duì)列的隊(duì)首時(shí)間戳作差，出現(xiàn)一次隊(duì)列。當(dāng)差值小于應(yīng)答時(shí)間限制時(shí)，則確定交互成功次數(shù)累加。直至完成統(tǒng)計(jì)分析，終止統(tǒng)計(jì)過程，并且對成功率進(jìn)行計(jì)算。

4、實(shí)際測試

4.1空中協(xié)議一致性測試

空中報(bào)文中數(shù)據(jù)包含信息如下：頻道號為0，場強(qiáng)為28，屬于信標(biāo)幀，幀序號為0，網(wǎng)絡(luò)號為0xFFFF，目的地址為FF FF FF FF FF FF，源地址為92 30 75 01 00 00。屬于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀，不存在路由信息和擴(kuò)展信息，網(wǎng)絡(luò)層目的地址為88 02，源地址為00 51，幀序號為0，半徑為15。從實(shí)際結(jié)果能夠看出，與分析結(jié)果一致。

空中報(bào)文2所包含信息如下：頻道號為13，場強(qiáng)為28，屬于信標(biāo)幀，幀序號為76，網(wǎng)絡(luò)號為45 12，目的地址為93 66 39 01 00 00，源地址為92 03 75 01 00 00。屬于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀，路由信息信息為93 66 39 01 00 00，擴(kuò)展信息為90 30 75 01 00 00，網(wǎng)絡(luò)層目的地址為66 55 44 33 22 11，源地址為92 30 75 01 00 00，幀序號為4，半徑為2，中繼點(diǎn)數(shù)和索引分別為1、1;從實(shí)際結(jié)果能夠看出，與分析結(jié)果一致。

從上述測試結(jié)果能夠看出，協(xié)議程序與理論分析運(yùn)行結(jié)果一致，能夠表明文章微功率無線通信性能檢測裝置，可以對協(xié)議一致性功能、定位錯(cuò)誤功能進(jìn)行分析。

4.2交互成功率測試

分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下所示：讀數(shù)據(jù)主站請求數(shù)為77，從站正確應(yīng)答數(shù)為74，成功率為96.10%;寫數(shù)據(jù)主站請求數(shù)為11，從站正確應(yīng)答數(shù)為10，成功率為90.91%;讀通信地址主站請求數(shù)為33，從站正確應(yīng)答數(shù)為33，成功率為100%;寫通信地址主站請求數(shù)為23，從站正確應(yīng)答數(shù)為23，成功率為100%;凍結(jié)命令主站請求數(shù)為21，從站正確應(yīng)答數(shù)為19，成功率為90.48%。

5、結(jié)束語

綜上所述，此次所研發(fā)的裝置應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，滿足通信單元互通互換需求測試，在進(jìn)行實(shí)際測試后，能夠驗(yàn)證裝置的現(xiàn)場檢測的可靠性和正確性，值得推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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