儀表測量數據實時遠程存儲及共享裝置軟硬件設計

蔡勇超，余 勇，呂華良，曹小冬

（廣東電網有限責任公司佛山供電局,廣東 佛山528000）

電力通信網是電力系統的重要組成部分，貫穿電力系統發輸變配用各環節，是保證電網安全穩定運行的前提[1-2]。作為電力通信網中的重要基礎設備，通信電源和通信光纜為通信設備提供動力和通道，是整個通信系統的“心臟”和“血管”[3-4]。根據《南方電網通信電源現場檢測作業指導書》和《南方電網電力光纜檢測作業指導書》要求，通信班組檢修人員每年在通信設備年度定檢時，需要保存蓄電池的放電曲線和通信光纜的OTDR測試曲線，以此作為判斷蓄電池和通信光纜質量優劣的依據[5-6]，因此及時將測試數據從測試儀器導出并存儲至關重要。目前班組的做法是某個變電站定檢完成后當天用U盤將曲線手動從測試儀器中拷貝到電腦保存，導致數據更新不及時或有時忘記拷貝數據造成數據丟失，同時增加不同計算機之間感染木馬病毒的風險[7]，而且頻繁的插拔U盤，降低U盤的使用壽命。為提高測試數據的更新及時率和減輕班組每次定檢完都要拷貝數據的工作量，設計了一種便攜式的USB數據遠程存儲和共享裝置，插入測試儀器的USB接口，利用無線通信技術，將測試儀表的測量數據文件直接發送到數據中心保存，提高數據管理的效率和質量。

1 系統總體設計

目前在用的蓄電池放電儀和OTDR大部分不支持網絡功能，若對其內部改造增加通信模塊技術難度較大，經濟性不高，因此只能從存儲介質入手，采用帶無線傳輸功能的U盤替代傳統U盤。如圖1所示，將網絡U盤插入蓄電池放電儀和OTDR的USB接口取代傳統的U盤，測試數據保存在網絡U盤后，通過Wi-Fi或4G無線網絡將數據發送到數據中心，用戶通過有線或無線網絡即可實時訪問所需數據。

圖1 系統總體設計方案

系統設計的核心在網絡U盤，其具有普通U盤的數據存儲功能，又能將數據通過無線網絡發送至數據中心。考慮到變電站復雜的現場環境，通常的低功耗無線通信技術，如藍牙、LoRa、Zigbee等在通信速率、傳輸距離、網絡穩定等方面都存在不足[8]，而Wi-Fi技術成熟可靠、運用廣泛、覆蓋面廣，在有Wi-Fi無線網絡覆蓋的變電站是最佳選擇。對于沒有Wi-Fi網絡覆蓋的區域，可選擇目前應用成熟、信號穩定的4G無線公網通信，可滿足絕大部分場景下的應用要求。

Wi-Fi傳輸采用IEEE 802.11b協議標準，其優點是傳輸速率高，傳輸距離遠[9]，同時與采用IEEE 802.11協議的設備高度兼容，滿足測試數據的傳輸要求。4G傳輸采用TD-LTE技術協議，能夠靈活調整上下行通信時隙，滿足系統以發送數據為主的非對稱業務需求，提高通信效率[10]。

2 系統硬件設計

硬件設計主要以網絡U盤設計為主，在普通U盤的基礎上增加Wi-Fi和4G通信模塊，總體設計如圖2所示。MCU是系統的核心模塊，負責數據的存儲管理和外部通信，采用STM32H743為主CPU，最高運行主頻可達480 MHz，集成2M Flash和1M SRAM，并支持多種外擴功能，滿足測試數據高速存儲和及時轉發的要求[11]。Wi-Fi通信模塊采用聯發科MT7681芯片，具有體積小、功耗低、啟動速度快等優點，并支持IEE 802.11b/g/n協議[12]。4G通信模塊采用芯訊通的SIM 7600CE芯片，支持多種頻段和網絡傳輸協議，定位精度在2.5 m內，上行最大傳輸速率達50 Mbit/s[13]。數據接口電路通過USB接口連接到測試儀表設備，將測試數據保存在數據存儲模塊，電源管理模塊為系統提供穩定電源供應，滿足各芯片電壓等級需求及功耗管理。

圖2 系統硬件設計

2.1 Wi-Fi通信模塊電路設計

Wi-Fi芯片采用聯發科推出的MT7681，完美支持IEE 802.11協議，具有高度集成、超低功耗、封裝體積小等優點，可輕松為嵌入式設備提供網絡服務功能，能夠滿足無線網絡U盤要求。同時，MT7681提供GPIO和PWM智能控制，以及UART、SPI和I2C等通信擴展接口，便于系統二次開發。

Wi-Fi通信模塊電路如圖3所示，MT7681發送數據引腳TX和MCU接受數據引腳RX相連，MCU發送數據引腳TX直接至多路復用器74LVC3157，對數據進行隔離和選擇后連接到Wi-Fi芯片的RX腳，提高通信的抗干擾能力。MCU和MT7681的復位腳通過開關K2控制，實現同步復位；當有數據通信時，IO4驅動發光二極管閃爍，指示通信鏈路正常。

圖3 Wi-Fi電路原理圖

2.2 4G模塊天線設計

4G通信芯片采用芯訊通公司的SIM7600CE，支持LTE-TDD/LTE-FDD等全網通4G網絡，性能穩定、外觀小巧，可以在低功耗模式下實現數據信息的傳輸，滿足系統對功耗管理的需求。

變電站內環境較復雜，信號衰減較大，因此系統的天線設計尤為關鍵。SIM7600CE共有3個天線集單元，分別是主集（MAIN_ANT）、分集（AUX_ANT）和GPS天線（GNSS_ANT）。GNSS天線可采用有源天線和無源天線，本系統采用有源天線設計，天線匹配電路如圖4所示。天線由主板供電，R1為限流電阻，阻值為10Ω，C1、C2、C3和L1的值根據天線進行匹配，天線調諧后通常由天線供應商提供，根據現場測試情況，L1為47 nH，C1、C4為33 pF，C2和C3預留給調優，R2為0Ω，天線信號最優。主集和分集天線采用相同的設計，R3和R4阻值推薦為0Ω，C5、C6、C7、C8預留給調優。

圖4 4G天線設計圖

3 系統軟件設計

3.1 總體設計

采用Keil公司的嵌入式軟件集成開發環境MDK5，具有界面美觀，易用性好等優點，源文件編輯器采用UItraEdit，使用J-Link仿真器，下載和跟蹤調試都簡潔方便。軟件分為應用軟件和驅動軟件，利用ST官方提供的固件庫，減少底層驅動的開發難度，主要包括Wi-Fi和4G芯片的驅動程序。系統整體軟件流程如圖5所示，裝置開機后對系統初始化設置，完成后進入待機模式，此時系統進入低功耗狀態，當檢測到有測試數據輸入后，將數據保存在本地，若要發送數據，則通信程序被激活，根據現場的網絡環境，采用Wi-Fi或4G網絡將數據發送到數據中心保存。

圖5 系統軟件流程圖

3.2 傳輸協議設計

測試設備和無線接入點采用IEE 802.11協議，無線接入點和交換機之間采用IEE 802.3協議，它們都是IEEE 802協議集。802.11定義了2種類型的設備，一種是無線站，即文章設計的無線網絡U盤，另一個稱為無線接入點，它的作用是提供無線和有線網絡之間的橋接。傳輸鏈路如圖6所示，IEE 802.11的數據鏈路層由邏輯鏈路層（logic link control，LLC）和媒體控制層（media access control，MAC）組成[14]，802.11的MAC層和802.3的MAC層非常相似，都是在一個共享媒體之上支持多個用戶共享資源，這使得無線和有線的橋接非常方便，實現了測試數據的遠程無線發送和存儲。

為了傳輸數據的安全性，無線網絡U盤和無線接入點要經過掃描、認證、關聯3個階段才能完成通信鏈路建立。無線客戶端可通過主動掃描和被動掃描2種方式與無線接入點建立連接[15]，被動掃描是指無線客戶端通過監聽周圍無線接入點發送的信標幀獲取無線網絡信息，而主動掃描則是無線客戶端在掃描網絡時主動發送一個探測請求幀獲取網絡信號，由于裝置需要隨時發送數據，因此選擇主動掃描方式。為了保證無線鏈路的安全，無線接入點需要完成對無線終端的認證，認證方式有開放系統認證和共享密鑰認證[16]，本系統采用共享密鑰認證，加密方法為有線等效保密（WEP），防止非法用戶竊聽或侵入無線網絡。最后無線客戶端通過指定的SSID選擇變電站內的無線網絡，并通過無線接入點的鏈路認證后，就會立即向無線接入點發送關聯請求，關聯成功后即可開啟數據傳輸通道。

4 應用測試

將裝置和OTDR的USB存儲接口連接，選擇保存路徑為USB存儲器，此時OTDR的測試文件數據將保存在裝置中，現場應用測試如圖7所示。

圖7 網絡U盤應用測試圖

此時的測試文件數據保存在本地裝置上，若要發送到遠程數據中心，則可以和現場移動終端建立連接，然后在終端上選擇需要發送的文件，則數據將會通過移動網絡發送到數據中心。移動終端可以對測試數據文件選擇復制、分享、發送等操作，提升數據管理的靈活性。

5 結束語

在電力物聯網和大數據時代，各種測試設備和應用終端都將互聯互通，針對傳統通信測試儀表無法連接互聯網，測試數據更新不及時、人工拷貝易丟失等問題，研制了一款USB網絡存儲裝置，可直接將測試數據發送和分享到其他用戶，應用結果表明該裝置攜帶方便，即插即用，減輕作業人員拷貝數據的負擔，提升運維作業智能化水平。

接下來將繼續擴展該裝置的應用范圍，融合各專業檢修數據，建立電力設備檢修大數據云平臺。