基于USB方式的采集終端4G遠程通信模塊設計

郭 皎，巨漢基，崔文武 ，妙紅英，姜振宇

（1.國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京 100045；2.國網冀北電力有限公司承德供電公司，承德 067000）

截至2018年8月，國網公司累計安裝智能電能表4.45億只，采集覆蓋率達99.5%[1]。隨著各業務部門對采集數據需求的不斷增大，采集終端通信壓力也隨之增加。目前，僅冀北公司用電信息采集系統平均每月為營銷業務應用系統、設備（資產）運維精益管理系統、電能質量在線監測系統等11個系統/平臺提供共享數據8.6億余條。隨著電信運營商對4G網絡的大力推廣，采集終端與用電信息采集系統的信息交互逐漸采用4G網絡替換之前的2G網絡。然而，普通4G遠程通信模塊與終端之間采用串口方式通信，串口通信最高波特率為115.2 kb/s[2]，而4G網絡通信速率可達到60 Mb/s[3]，約為串口通信速率的600倍，導致4G網絡通信的高速率未能充分利用，串口通信速率成為普通4G通信模塊的瓶頸。

為更好地支撐各專業的業務需求，充分發揮4G遠程通信模塊的效能，提出了基于USB方式的采集終端4G遠程通信模塊設計方案，即終端與4G遠程通信模塊之間采用USB通信方式，USB的通信速率為480 Mb/s[4]，可大幅提升4G通信模塊數據傳輸性能。目前該模塊已在國網冀北公司推廣應用。

1 基于USB方式的通信模塊數據傳輸方案

在用電信息采集傳輸過程中，采集終端將信息通過遠程數據通信模塊發送至采集主站，其中采集終端與通信模塊間采用USB接口進行連接，通信模塊與采集主站間采用4G移動網絡進行通信。其數據傳輸流程如圖1所示。

圖1 采集信息傳輸流程Fig.1 Flow chart of acquisition information transfer

遠程通信模塊以USB復合設備的方式虛擬出USB CDC-ECM網絡接口（以下簡稱ECM網口，ECM以太網控制模型，Ethernet networking Control Mode）與串口，終端通過虛擬接口與主站進行高速數據通信[5-7]。首先采集終端通過虛擬串口，使用AT命令向遠程通信模塊發起激活網絡連接的請求。遠程通信模塊與網絡側成功建立數據連接的同時，自動設置好ECM網口與網絡側之間的數據轉發。網絡連接建立成功后，終端以動態主機設置協議DHCP（dynamic host configuration protocol）的方式，通過 ECM 網絡接口從遠程通信模塊獲取IP地址、子網掩碼、默認網關等信息。

2 通訊模塊設計

2.1 硬件部分

在Q/GDW 1375.2—2013《電力用戶用電信息采集系統型式規范 第2部分：集中器型式規范》[8]標準中，定義遠程通信模塊接口采用2×15雙排插針作為連接件，接口管腳定義中規定10USB+，11USB-引腳作為USB接口。因此，在硬件上無需增加新接口，沿用原有設計實現采集終端與4G遠程通信模塊連接，采集終端作為主設備（USB Host），遠程通信模塊作為從設備（USB Device）。

2.2 軟件部分

為保證4G遠程通信模塊與采集終端的兼容性及互聯互通，使模塊與終端間實現即插即識別、即插即用，各遠程通信模塊廠商應遵循統一的通信模塊USB接口設計規范。因此，制定《遠程通信模塊USB接口規范》，具體對廠商ID與設備ID，USB虛擬接口的數量、順序和功能，擴展AT命令集進行規定。

1）通信模塊統一設置相同的“USB Vendor ID”（廠商 ID）和“USB Product ID”（設備 ID），見表 1。預置通用的USB串口驅動和USB網口驅動。

表1 廠商ID與設備IDTab.1 Vendor ID and product ID

2）遠程通信模塊以USB復合設備的方式連接至終端，按表2所示的順序及功能枚舉出相應的4個子接口[9-10]。廠商可在規定的接口之后繼續擴展其他接口。

表2 子接口定義Tab.2 Subinterface definition

3）為保證USB網口通信功能的實現，在標準命令集基礎上擴展4項AT命令，包括：

①$MYUSBNETACT激活/去激活網絡連接 用于實現網絡的連接和斷開，以及網絡連接狀態查詢。

②$MYUSBNETURC主動上報開關 用于控制遠程通信模塊在USB通信方式下的主動上報。

③$MYURCUSBACT網絡連接狀態主動上報 用于網絡連接狀態變化的上報。遠程通信模塊應在網絡連接狀態發生變化后1 min內上報。

④$MYUSBNETADDR配置USB網絡地址 用于設置遠程通信模塊給終端分配IP地址的所屬網段，當遠程通信模塊給終端分配IP地址與網絡側分配給遠程通信模塊的IP地址不一致時，使用該命令。

3 通信速率檢測

3.1 檢測方案

為檢測遠程通信模塊USB接口是否符合規范，判斷改進后模塊通信速率是否提升，根據遠程通信模塊與采集終端通信方式的改變，設計了遠程通信模塊檢測工裝，并制定了《遠程通信模塊USB接口檢測規范》。

搭建檢測系統如圖2所示。下位機為檢測工裝，具備與串口模塊和USB模塊信息交互功能，可以監測通信時間及成功率。工裝沿用終端殼體與硬件電路，內置軟件替換為專用檢測程序，可對待測模塊進行上電、USB接口識別、AT命令下發、撥號上網等操作。上位機模擬主站與終端通過維護串口與檢測工裝進行指令與數據交互，實現對通信模塊的功能檢測和通信速率測試。

圖2 檢測系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of detection system structure

通信速率的檢測內容分為2部分：對遠程通訊模塊與終端的通信速率進行檢測；通過對終端下發AT指令對安裝模塊后終端的通信速率進行檢測。

3.2 檢測結果

基于以上檢測內容，對廠家A的2種通信模塊進行比對測試，每次測試均對被試樣品同時收發相同數據長度的通信內容，并設置相同通信次數?；诖诜绞胶突赨SB方式的遠程通信模塊，進行通信速率對比檢測，結果見表3；分別應用2種通信模塊進行終端通信速率對比檢測，結果見表4。

通過對比試驗的測試結果以及試驗過程中的現象分析，發現：

表3 遠程通信模塊的通信速率Tab.3 Communication rate of long-distance communication modules

表4 終端的通信速率Tab.4 Communication rate of terminals

1）對于遠程通信模塊，當通信字節總長度為98000 B，累計通信1000次時，USB通信方式的速率相比串口通信方式提升至1.6倍；當通信字節總長度為1974000 B，累計通信1000次時，通信速率提升至5.2倍。

2）對于應用模塊的終端，當通信字節總長度為98000 B，累計通信1000次時，USB通信方式相比串口通信方式速率提升至7.5倍；當通信字節總長度為1974000 B，累計通信1000次時，通信速率提升至5.3倍。

3）通信速率的提升倍數不是固定值，它與發送的數據長度呈正相關，會隨數據長度的增加而增大，當發送數據量較大時USB方式的通信模塊優勢更加凸顯。

4）4G網絡環境的好壞，會使不在同一時間測試得到的數據產生波動。

4 結語

提出了采集終端4G遠程通信模塊數據傳輸性能提升方案?；赨SB虛擬接口技術，在不改變終端原有硬件設計基礎上，設計了采用USB方式的4G遠程通信模塊；制定了《遠程通信模塊USB接口規范》，保證了模塊與終端的兼容性與互聯互通；結合設計原理，研究了通信模塊接口功能及通信速率檢測方法，并搭建檢測系統。針對廠家A的2種通信模塊進行通信速率比對測試進行通信性能驗證。目前該模塊已應用于國網冀北電力有限公2016年第3批采集終端中，涉及7個終端廠家，覆蓋5個地市，應用效果顯著。該成果有助于提高移動網絡的資源利用率，同時為用電信息采集業務的發展提供基礎通信功能支撐。