集中器通信網絡升級模塊的設計方案探討

蘇林志 魏忠初 陳晨輝

[摘 ? ?要 ]集中器是用來采集電能數據的終端設備，通過移動網絡將數據傳回采集系統，用于電能監測、分析、研判。目前路橋公司共有集中器81332只，其中采用2G網絡的集中器共有22838只。隨著國家對移動網絡升級改造，臺州各網絡運營商計劃分批將2G通信網絡退出運營。這意味著22838只集中器全部淘汰，而這將是一大筆支出。針對以上問題，文章提出了不更換集中器僅升級集中器通信網絡模塊的方案。

[關鍵詞]集中器;通信網絡;升級模塊

[中圖分類號]TM76;TP332 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]A concentrator is a terminal device used to collect electrical energy data， which transmits data back to the acquisition system through a mobile network for electrical energy monitoring， analysis， and judgment. At present， Luqiao Company has a total of 81，332 concentrators， of which 22，838 concentrators using 2G networks. As the country upgrades and transforms mobile networks， network operators in Taizhou plan to phase out 2G communication networks from operation. This means that 22，838 concentrators are all eliminated， and this will be a large expenditure. In response to the above problems， the team proposed a plan to upgrade the communication network module of the concentrator without replacing the concentrator.

[Keywords]concentrator; communication network; upgrade module

1 需求分析

隨著國家通信網絡的戰略升級，2G網絡即將退出歷史舞臺，目前在用的大批僅支持2G網絡的老款集中器也面臨被淘汰的命運，這將使供電企業產生一大筆支出，經計算路橋公司需更換數量為22838，按每只集中器省公司中標價格450元，材料成本費用1027萬元。需求分析如表1。

隨著國家通信網絡的戰略升級，2G網絡將逐步淘汰。 公司集中器需轉型升級。

路橋公司目前在用的2G集中器有22838只，這一批集中器需淘汰。 需提供將1027萬元資金用于升級集中器。 經計算需安排3787多工時進行集中器更換及后臺調試。 降低這批集中器升級的成本。 單獨更換集中器通信模塊，降低升級成本。

路橋公司目前在用2G集中器有22838只。全部更換這批2G集中器，材料成本：按集中器450元成本計算，成本為1027.71萬元;人工成本;集中器更換需2人進行，加上后臺調試，更換1個集中器平均耗時39.8 min。經過計算22838只集中器全部更換并調試完成耗時=22838（只）×39.8（min）=908952.4（min）=15149.21（h），按每天8 h工作時間，約需要1893.65×2=3787.3名工人，按目前臺州人力市場工價350元計算可得人工成本約為132.56萬元。總成本為1160.27萬元，單個升級成本為11602700÷22838=508.04元。而針對本批集中器更換項目，公司專項改造資金為450萬，每個集中器更換成本為4500000÷22838=197.04（元）。

通過需求分析，每個集中器的升級成本要控制在197.04元以內。若要滿足要求，整機更換這個方案是行不通的，可以采用單獨更換通信模塊的方案來升級集中器，從而控制在成本范圍內。

2 集中器通信網絡升級模塊的方案確定

2.1 提出方案

根據借鑒手機外掛基帶內容，提出了具體模塊分解方案，將集中器通信網絡模塊分為PCB線路板、4G芯片、MCU、電壓轉換電路共4大組成部分。具體如圖1所示。

2.2 確定最佳方案

2.2.1 一級方案確定

根據借鑒手機外掛基帶內容，提出了具體模塊分解方案，將集中器通信網絡模塊分為PCB線路板、4G芯片、MCU、電壓轉換電路共4大組成部分。

2.2.2 一級方案評價

通過矩陣分析，線路板主要考慮A1具有較高的機械性能和介電性能、A3較好的耐熱性、阻燃性，其中A1作為最主要的參考指標。PCB線路板的選擇，對玻璃纖維PCB板和環氧樹脂PCB板兩種材料PCB板進行品質因素Q值測量，選擇Q值大于500的PCB板;經過測試，玻璃纖維PCB板Q值為572.6，大于500，滿足要求;環氧樹脂PCB板Q值為521.8，大于500，滿足要求，但小于玻璃纖維PCB板Q值572.6。

2.3 4G芯片的選擇

通過矩陣分析，4G芯片主要考慮B1功耗低，B4體積小，其中B1作為最主要的參考指標。4G芯片的選擇通過用功率計測量兩種制式芯片的功耗，并對數據進行統計分析;測試、對比分析LTETDD制式芯片和LTEFDD制式芯片的功耗情況;經過測試，LTETDD制式芯片功率為0.75 W<1 W。滿足要求;LTEFDD制式芯片功率為0.858 W<1 W，滿足要求，但功耗比LTETDD大。

2.4 MCU的選擇

通過矩陣分析，MCU主要考慮C1功耗低、C3運行速度，其中C3作為最主要的參考指標。通過查閱相關工作手冊，得到16位MCU和32位MCU芯片的參數，可以選擇合適的MCU。經過分析16位MCU運行速度可達275 ns的指令周期，大于200 ns;32位MCU運行速度可達125 ns的指令周期，小于200 ns

2.5 電壓轉換電路的選擇

通過矩陣分析，電壓轉換電路主要考慮D1輸出電壓穩定、誤差小、D2壽命長，其中D1作為最主要的參考指標。用電壓表測量LDO電壓轉換電路和齊納二級管電壓轉換電路2種電路輸出電壓的誤差。經過測試，從表2中可以看出LDO電壓轉換電路輸出電壓誤差小于5%;齊納二級管電壓轉換電路輸出電壓誤差大于5%。如表2所示。

通過上述方案評價分析，最后選擇各模塊的第一級分級方案確定。

3 二級方案確定

通過以上分析，需要對4G芯片中采用何種系列LTE TDD制式芯片、MCU中采用何種系列32位MCU進一步選擇，最后選擇各模塊的分級方案。

3.1 4G芯片的選擇

通過矩陣分析，4G芯片主要考慮B4整個4G通信模塊面積10 cm2，包含4G芯片、MCU、電壓轉換電路，4G芯片體積要小，截面積需小于4 cm2、B5低延時，延時低于0.1 ms。這兩個方面，其中B4作為最主要的參考指標。用電壓表測量移遠EC200T-CNDA和優信SIM800C2種4G芯片的尺寸;經過測量，移遠EC200T-CNDA的尺寸滿足要求;優信SIM800C的尺寸為2.2cm×2.2cm，橫截面積大于4 cm2，在4G模塊里面放不下，不滿足要求。

3.2 MCU的選擇

通過矩陣分析，MCU主要考慮C2體積要小，截面積需小于3 cm2。C3代碼執行效率高，占用內存資源少，其中C3作為最主要的參考指標。實現2G指令轉4G指令的代碼量小于2 M，測量兆易GD32F305RGT6和STM32F405RGT6兩種4G芯片的橫截面尺寸;經過測試，兆易GD32F305RGT6的代碼占用為1.8 M，小于2 M，滿足要求;STM32F405RGT6的代碼占用為3.5 M，大于2 M，不滿足要求。

4 最終方案確定

針對方案進一步的細化分解，通過對相關參數及優缺點對比分析最終確定細化后最終方案如圖2所示。

5 制定對策

如表3，根據細化后的最佳方案及5W1H原則，制定了詳細對策。

6 結束語

6.1 目標檢查

經過成本計算，每個集中器4G通信模塊的成本大大降低，節約了資金。每個集中器4G通信模塊的成本是168.5元，遠低于目標值197.04元。通過以上分析，目標超額實現。

6.2 經濟效益驗證

集中器通信模塊的成功研制，降低了集中器升級的成本，節省了大量的人力、財力，產生了很好的經濟效益。

因為2G網絡的全面退出，目前公司在用的2G集中器有22838只，按整機更換方案每個的升級成本為508.04元，隨著本模塊的成功研制，單獨更換模塊，成本只要168.5元，大大降低了升級成本，總共節省成本700多萬元，產生了很好的經濟效益。

參考文獻

[1] 朱琳，高德云，羅洪斌.無線傳感器網絡的RPL路由協議研究[J].計算機技術與發展，2012（8）：1-4.