基于二合一裝置的終端 4G 模塊快速上線技術

摘要：針對22標準I型集中器、Ⅲ型專變采集終端、能源控制器的4G模塊上線流程煩瑣，以及因不同模塊廠家、不同終端開發的軟件無法復用等問題，文章提出一種基于二合一裝置和動態功能調用平臺的快速上線方案。該方案整合了多種App和通信方式，簡化了操作流程，顯著提高了上線效率。

關鍵詞：4G模塊；二合一裝置；通信；動態功能調用平臺

中圖分類號：TN929.5" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）17-0105-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

4G 模塊（4G module） 可為內置4G 通信模塊的設備實現移動通信和數據傳輸等功能，也可以為設備提供高速網絡連接，適用于許多應用領域[1]。支持標準的LTE 協議，可以將基帶信號處理等多種功能集成在PCB 板上[2]。隨著能源互聯網的發展，電力市場用戶對于電能表的智能應用需求越來越大[3]。因此對22標準I型集中器、III型專變采集終端、能源控制器等終端設備的 4G 通信功能和上線效率提出了更高要求[4]。

當前在上述三款終端的4G模塊上線流程中，需分別對終端配置主站與模塊配置協議這兩個過程采用不同的App[5]。這種模式下，不同模塊廠家、針對不同終端開發的軟件無法做到復用，造成了極大軟件資源的浪費。而且不同廠家開發的終端軟件及接口也無法做到統一規范，降低了4G模塊的上線速度，也增加了使用者的工作量。在“4G模塊配置協議+終端配置主站通道”的模式中，需使用4G模塊配置協議裝置與終端配置主站通道裝置配合進行4G模塊上線[6]。在這種模式中，存在影響上線速度的問題，比如需分別對終端配置主站與模塊配置協議這兩個過程采用不同的App，比如需使用4G模塊配置協議裝置與終端配置主站通道裝置等兩款不同裝置配合進行4G模塊上線等等問題[7]。在現場情況較復雜時存在上線速度不理想、處理多個設備上線時會效率低的現象，現有4G模塊上線方式不具備高效率、高容錯等優勢。而且不同廠家開發的終端軟件及接口也無法做到統一規范，降低了4G模塊的上線速度，也增加了使用者的工作量[8]。有時甚至需要攜帶多套終端配置主站通道裝置，增加了硬件成本的支出，也增加了使用者的操作難度[9]。

當下主流的配置4G模塊上線的方法，無法有效提升上線速度的技術難題在于沒有解決傳統上線過程所需的多種App以及多種上線裝置導致的過程煩瑣以及步驟冗余。在對4G模塊的上線響應與現場調試要求日益嚴格的研究背景下[10]，本文提出了利用建立一個多種App相結合的動態功能調用平臺與4G模塊配置協議裝置和終端配置主站通道裝置二合一并且實現相互配合的方法，實現大幅加快人工調試4G模塊時上線效率，以適應電力市場用戶對于終端智能化、通信穩定化需求的增長。

1 方法介紹

通過進行用采終端4G 無線通信技術的研究，了解新產品無線通信模組的底層運行邏輯，有助于更全面的了解產品性能，更快更準確的找出在研發過程中存在的問題，更加快速的完善無線模組的研制。進行用采終端標準的研究，有助于更準確的把握國網對于每款終端產品的要求，并積極在4G 無線通信模快上做出相響應，更加便捷的貼合客戶需求。對多類型多產品無線模組硬件兼容技術研究：研究包括I 型集中器，III 型專變和能源控制器等用采終端設備的4G 模塊，分析其不同產品，取長補短，提升無線通信模組的兼容性，有助于拓寬市場和后期更換維護。

1.1 App動態功能調用平臺

如圖1所示提出App動態功能調用平臺（Dynamic function calls the platform） 架構示意圖。運用軟件與硬件相結合的方式，軟件中采用多種App 相結合的動態功能調用平臺，在硬件上運用4G 模塊配置協議和終端配置主站通道兩種方式并存的裝置，這種方式大幅加快人工調試4G 模塊時的上線效率。通過調用動態功能調用平臺上集合全部功能接口，并利用消息總線調取相應的廠家與終端開發的4G 模塊配置協議App 或終端配置主站通道App，可根據系統資源及運行環境靈活選擇，例如用戶可以根據現場實際需求，根據不同品牌模塊與不同品牌終端，靈活選擇并配置相應功能。也可支持其中一種以及兩種方式相互配合的方式，能夠根據用戶的選擇和配置，自動調用相應的模塊和App。例如，在4G模塊上線主站的場景中，平臺可以自動調用配置4G模塊和終端主站通道的App，并根據需要進行相應的操作。

1.2 二合一裝置

如圖2所示為二合一裝置（Two-in-one device） 結構示意圖，可支持其中一種以及兩種方式相互配合的方式實現通信，其原理是終端配置主站通道裝置可采用485、232 兩種方式[11]，由于4G 模塊配置協議裝置PCB板上存在剩余空間，將終端配置主站所用的485、232 等芯片與該芯片所需的外圍電路，通過PCB設計將芯片及其外圍電路繪制到未被利用的板面上，實現了兩進程在一個硬件平臺上進行。二合一裝置只利用了電腦一個端口，為了區分4G 模塊配置協議與終端配置主站通道這兩個不同的進程，在二合一裝置上設置了通道開關撥碼，把通道開關撥碼串入到不同芯片的供電電路中，通過手工撥碼選擇為不同芯片供電，進而啟動不同的進程，這樣可以根據終端以及廠家的情況來選擇對應的活動進程，最終確保在硬件上通過一個外接裝置實現執行兩個功能的效果。

2 操作流程

如圖3所示為終端 4G 模塊快速上線操作流程圖。在終端通電后，4G模塊與主站連接時，首先通過二合一裝置（Two-in-one device） 將4G模塊與終端同時連接起來，由于只占用了電腦一個端口，所以根據現場實際需要來選擇4G模塊配置協議或終端配置主站通道功能。

并且同時在多種App相結合的動態功能調用平臺（Dynamic function calls the platform） 上，選擇相應的功能進行操作。由于涉及到不同的廠家不同的App，平臺自動測試App通信，成功通信后，便可以實現4G模塊配置協議或是終端配置主站通道。由于已經將各廠家各種所需App的功能入口整合到了搭建的動態功能調用平臺，實現了功能全控與數據匯總，可以直觀的看到終端4G模塊上線主站的進度。

3 設計與測試

3.1 硬件設計思路

3.1.1 基本原理概述

二合一裝置的設計初衷是為了在一個硬件平臺上集成多種通信功能，以降低資源占用并提高系統的靈活性和效率。在這個案例中，二合一裝置通過整合4G模塊配置協議裝置與485、232等傳統的串行通信方式，實現了在單一硬件平臺上對兩種不同通信協議的支持。

3.1.2 通道選擇與進程區分

由于二合一裝置需要同時支持4G模塊配置協議和終端配置主站通道兩種活動進程，因此必須有一種機制來區分和選擇當前活躍的通信通道。這里采用了通道開關撥碼的設計：

通道開關撥碼：這是一種物理開關，用戶可以通過手動設置不同的撥碼組合來選擇激活哪種通信通道。具體的原理為開關撥碼串入到不同芯片的供電電路中，手動選擇不同的芯片上電，實現不同芯片所對應的進程啟動。這種設計既簡單又直觀，能夠有效地避免通信沖突。

3.1.3 端口占用與資源優化

二合一裝置通過僅占用電腦的一個端口（如USB端口） ，實現了資源的高效利用。這種設計不只減少了硬件成本，還使系統的可維護性和可擴展性得到提升。

3.1.4 硬件實現與功能執行

最終，通過上述硬件設計的綜合應用，二合一裝置能夠在硬件層面上實現兩個功能的有效執行：

當選擇4G模塊配置協議時，裝置通過4G網絡進行遠程配置和數據傳輸。

當選擇終端配置主站通道時，裝置則通過485/232接口與本地或近距離的設備進行串行通信。

這種設計使得二合一裝置在工業自動化、遠程監控、數據采集等多個領域具有廣泛的應用前景。

綜上所述，二合一裝置通過巧妙的硬件設計，實現了在單一平臺上對多種通信協議的支持，并通過通道開關撥碼等機制有效地區分了不同的活動進程，從而提高了系統的靈活性和效率。

3.2 軟件設計思路

3.2.1 動態功能調用平臺的設計

功能接口集合：

動態功能調用平臺首先需要集成各種功能接口，這些接口包括但不限于4G模塊配置、終端配置主站通道等。這些接口以標準化的方式定義，確保不同廠家的App能夠無縫接入。

消息總線機制：

消息總線作為通信的核心組件，負責在平臺與各App之間傳遞消息和數據。它采用發布/訂閱模式，允許App根據需要動態地訂閱或發布消息。

消息總線的設計需要保證高可靠性、低延遲和可擴展性，以滿足實時通信和大數據量傳輸的需求。首先配置消息總線服務器，在服務器上安裝并配置消息總線軟件，確保其正常運行。創建必要的消息隊列、交換機、綁定鍵等，用于傳遞配置指令和狀態信息。其次集成App與消息總線，將各個App與消息總線進行集成，確保它們能夠正確地發送和接收消息。對每個App進行通信測試，確保其與消息總線的連接穩定可靠。平臺通過監控消息總線上的消息流，獲取終端4G模塊的配置狀態、上線進度、成功/失敗原因等信息。

插件化設計：

為了便于管理和維護，動態功能調用平臺可以采用插件化設計。每個功能接口或App都可以作為一個插件，通過標準的接口與平臺進行交互。

插件化設計使得平臺能夠靈活地添加或刪除功能，而無需對整個系統進行重構。

3.2.2 App的接入

標準化接口：

不同廠家和終端開發的App需要遵循平臺定義的標準化接口。這些接口定義了消息格式、通信協議和數據交換規則等。

通過遵循標準化接口，App能夠確保與平臺的兼容性，并實現無縫接入。

模塊化設計：

App應采用模塊化設計，將不同功能劃分為獨立的模塊。這有助于降低代碼復雜度，提升代碼的可讀性。模塊化設計還使得App能夠根據需要動態地加載或卸載功能模塊，以適應不同的運行環境。

消息處理機制：

App需要實現消息處理機制，以接收和處理來自平臺的消息。這包括解析消息內容、執行相應的操作并返回結果等。

消息處理機制的設計需要保證高效性和可靠性，以確保App能夠及時響應平臺的請求。

明確設計思路后，根據開發文檔，在App中實現與動態功能調用平臺的通信接口。這些接口應包括發送配置指令、接收狀態更新、上報操作結果等功能。在開發環境中，使用動態功能調用平臺提供的測試工具或API，對App進行通信測試。確保App能夠正確地發送和接收消息，與平臺保持穩定的通信連接。將App注冊到動態功能調用平臺，以便平臺能夠識別和管理該App。在平臺上配置App的權限和功能入口，確保平臺能夠正確地調用App的功能。當App通過測試后，將其部署到生產環境。在生產環境中，繼續監控App的運行狀態，確保其與平臺的通信和功能都正常工作。

3.3 測試

通過實際測試后，使通信前的連接時間縮短，人工操作的連接時間從5分鐘縮短到3分鐘，極大地提高了現場調試與4G 模塊上線適配的效率。除此之外，二合一裝置的使用利用多種App 配合實現終端4G 模塊快速上線主站，配合實現終端模塊上線功能，減少了人工操作的步驟。

4 結論

4G 模塊配置協議裝置和終端配置主站通道裝置二合一，建立起與不同通信信道的聯系和控制。該裝置適用于當前22 標準I 型集中器、III 型專變采集終端、能源控制器三款終端的模塊上線，而且同樣適用于其它含有不同終端的復雜智能臺區的使用，因此該裝置具有廣泛的使用場景。二合一裝置的提出使得4G模塊與主站連接變得更加簡單和靈活，提高了產品的可靠性。隨著新技術的不斷涌現和應用場景的不斷變化，未來的無線通信模組將會面臨更多的挑戰和機遇。

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【通聯編輯：光文玲】