面向自动抄表系统的智能消息语言

侯维岩 张方昌 潘莹玉

(上海大学机电工程与自动化学院1，上海 200072;郑州大学信息工程学院2，河南 郑州 450001;河南省驻马店供电公司3，河南 驻马店 493000)

0 引言

自动抄表系统(automatic meter reading system，AMRS)是一种不需要抄表人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的计量表所记录的各种数据传送到远程主控站的计算机网络中，并由软件对数据进行统计、分析和计算的系统。

AMRS系统中的通信方式总体分为有线方式和无线方式两类[1]。有线方式主要有电子载波方式、总线方式等，无线方式有GPRS等远距离无线方式和WiFi、ZigBee等短距离通信方式。关于自动抄表传输方式的相关论文和文献介绍已经较多，在此不再赘述。目前，自动抄表通信方式众多，各厂家产品不具有互通性，因此，有必要定义一种统一的、可用于各种自动抄表系统的数据传输通信协议，以统一抄表系统中的数据传输格式和表具参数定义等。

本文介绍了用于自动抄表系统的智能消息语言(smart message language，SML)[2]。该语言于 2007 年通过了最终版本，并于2008年成为德国国家标准。智能消息语言是一种定义良好、易于表达、功能强大且易用于抄表网络传输数据定义的消息语言，适用于电力抄表、水表和气表等多种抄表方式。SML以现代通信技术为基础，建立了一个协调一致的标准，结合现有的自动抄表系统，实现了一种在网络中进行数据传输的通信方式，解决了在读取自动抄表抄取数据或设置表具参数时没有统一标准格式的问题。

1 抄表系统的组成及结构

自动化抄表系统由计量仪表、采集器、集中器、通信网络和主站组成。集中器起到数据缓存和传输中继的作用，它能够接收主控站命令，依次抄收并储存各采集器中的数据，然后，通过一定的传输介质将数据传至主控站进行数据处理。通信网络是抄表数据传输的媒介，是自动抄表的关键所在，它决定了抄表质量。数据传输通道由通信网络和集中器组成。从集中器到主控站之间的通信规定为上行信道，从集中器到采集器之间的通信规定为下行信道[3]。在上行信道中，目前使用的信道主要有互联网、电力网、无线通信网和GSM网等;下行信道主要有电力网、总线网和短距离无线网等。自动抄表系统涉及两段通信网络，每段网络可以相同也可以完全不一样，因此可以组合出各种不同的自动抄表系统。自动抄表系统原理框图如图1所示。

图1 自动抄表系统原理框图Fig.1 Principle of the automatic meter reading system

2 智能消息语言SML及结构

2.1 智能消息语言SML

智能消息语言SML实质上就是一个通信协议，用于获取各种计量仪表设备的数据传输和参数。SML是由德国EnBW公司、E.ON能源公司和RWE公司等共同于2004年开始联手制定的一个SyM2研究项目[2]，旨在定义一个有关电能计量仪表的通信协议(通信语言)。该项目于2006～2007年制定出了SML语言的相关规范和规格，并于2008年被批准为德国国家标准。随后该机构按照标准的要求开发出了相关的电表及通信终端[4]。

SyM2的目标是建立一个从安装、调试、维护数据到通信与数据处理各过程的具有技术和商业可行性的统一标准，从而减少整个抄表系统的内在通信误差。从测量角度来讲，能源计量表可以分为用于测量气体、液体或者其他种类的计量表。SML系统概念示意图如图2所示。

图2 SML系统概念示意图Fig.2 Systematic concept of SML

智能消息语言SML协议为计量表和远程抄表系统的数据传输提供服务。数据传输提供服务具备两个传统通信线路(PSTN、GSM)的优化结构，封装后通过传统的通信链路进行传输。

2.2 SML 语言结构

2.2.1 SML消息簇基本结构模型

在SML消息簇的基本结构中，SML定义了四种模式，分别是：①用于网络传输终端之间的数据或文件结构;②SML Binary Encoding，以便于SML的二进制数据封装编码，该二进制编码为SML-Layer提供编码服务;③SML XML Encoding模式，该模式用于XML中的SML的编码，以便于 SML语言的数据存储;④SML Transport-Protocol模式，该模式用于串行的连接传输终端。

SML定义了从终端到终端的网络传输方式，网络传输方式覆盖了从二进制代码到串行传输的多种方式。通信模型采用客户-服务器模式，传输链路可以是无状态、可靠的通信线路。

SML-Datei消息簇是SML的基本组成单元，一个消息簇包含多个SML消息。消息簇是一种数据单位，也可以说是一个信息体形式，它由一定量的SML消息按照一定的规则组成。这种打包后的消息簇可以通过多种传输技术传输，在传输过程中所应用的传输技术与传输内容无关[5]。SML七层网络示意图如图3所示。

图3 SML七层网络示意图Fig.3 Schematic of the SML seven-layer network

消息簇分为任务消息簇、应答消息簇和复合消息簇三种。任务消息簇含有任务请求Requests，以“SML_Open.Res”开始，结束于“SML_Close.Res”帧;应答消息簇含有答复信息Responses，在通过广播方式传播时，任务消息簇和应答消息簇不使用消息簇框架;复合消息簇是由任务消息簇和应答消息簇结合而成的一种消息簇[6]。在传输过程中，由于消息簇含有多个SML消息，所以在组合时如果数据较大，也可以对消息簇进行切分。

SML消息簇定义了丰富的识别语句，便于数据的分类和传输。识别语句是成对出现的，当需要发出任务请求时，需要以“SML_PublicOpen.Req”开头，以“SML_PublicClose.Req”结束;而ServerID为请求地址。当服务器方收到请求信息后，会以“SML_PublicOpen.Res”开头，以“SML_PublicClose.Res”结束。

SML消息簇也定义了获取参数GetProcParameter和设置参数SetProcParameter，以此来设置或者获取Modem参数、协议参数以及软件模块的负荷等。参数列表“GetList”用于获取参数列表，在回复获取参数消息时可以加上“actGatewayTime”，即附上实时的时间戳信息。通过以上定义，用户可以很方便地利用消息簇进行数据通信。

2.2.2 SML 消息簇的基本结构

SML消息簇的数据结构定义如下：

以上程序中，transaction Id为消息的序号，任务发送方以唯一的方式建立此ID号，消息应答方复制该ID并对请求进行回答;Group No对消息进行分组。由于一个SML消息簇含有多个SML消息，因此，有些消息被分组，如接收了三个Group No为4的消息，当接收了Group No为7时，证明Group No为4的消息已经被全部接收。对消息进行分组传输可使同一组中的消息无序、并行处理;Abort On Error定义了设备遇到错误的情况下的处理方式，错误检验机制为CRC16，采用DIN EN 62056-46作为CRC16计算。

读取数据的实例如表1所示。

表1 读取数据的实例Tab.1 Practical example of reading data

3 SML的二进制编码及通信实例

3.1 SML二进制编码

SML使用传统的Type-Length-Value结构的二进制编码，其优点是数据容量小。SML定义了多种数据类型，如八位二进制数、整数数据类型、无符号数数据类型和布尔数类型。为了节省字节，传统的Type-Length-Value仅仅使用了Type和Length结构，即规定为一个字节的Type-Length-Field。Type-Length-Field确定了字节的高比特位，如需要用二进制编码传送一个布尔数时，则在开头的字节中编码为“0100”。

3.2 通信实例分析

SML消息通过可靠连接或非可靠连接进行数据传输，所以连接方式是多样的。一个基于WiFi的抄表系统总体结构如图4所示。

图4 系统总体结构图Fig.4 General structure of system

系统主要由终端智能表采集、无线中继、接入点(无线AP)和控制中心等构成，通信协议采用SML智能语言。

WiFi通信模块采集用户电表的信息，并将其处理后通过WiFi无线通信方式(如距离较远通过无线中继)发送给AP接入点，AP接入点将收集到的数据通过有线网络传送至控制中心。在该系统中有两种通信网络：小区局域网中采用的是基于WiFi的无线网络;小区外的网络采用有线 Internet网络[7－8]。

在正常使用模式下，AP首先向各个WiFi模块发出获取数据的广播信号，WiFi通信模块在收到广播信号后回复ACK;WiFi通信模块收集到数据后向无线AP请求发送数据。

利用SML进行编码，实现一次传输流程的过程如下所示。

以上SML示例编码描述了一次完整的数据传输过程，包括数据块开始的描述、数据传输描述、ACK请求回复或者拒绝收取数据块。

4 结束语

本文从自动抄表系统的背景和需求这两个方面介绍了智能消息语言(协议)SML。SML是用于规范抄表网络传输中消息的传输标准，解决了在读取抄表数据或者设置参数中没有统一数据结构及编码形式的问题。SML已经于2008年成为德国国家标准并得到广泛应用，已有约35万台计量仪表使用了SML标准。该语言非常值得借鉴，且对于研究制定我国的标准有很大的参考价值。

[1]谭志强，黄懿.自动抄表技术的发展[J].电测与仪表，2009(1)：1－5.

[2]Neuhaus T，Wisy M.The system concept[EB/OL].[2008 －11 －12].http：∥www.sym2.org/eng/syskonz_eng.html.

[3]王月志，刘伯刚.自动抄表系统[J].电测与仪表，2004(9)：48 －51.

[4]Neuhaus T.Die KM des Sym2[EB/OL].[2009 －05 －05].http：∥www.sym2.org/docs/03_Das_SyM2_KM-Neuhaus.pdf.

[5]Emsycon G，Wisy M.Smart message language version 1.03[EB/OL].[2008 －11 －12].http：∥www.sym2.org/docs/SML_081112_103.pdf.

[6]Emsycon G.Wisy M.Smart message language version 1.02.[EB/OL].[2008－01 －19].http：∥www.t－l－z.org/docs/SML_080711_102_eng.pdf.

[7]张方昌，刘晓丹，侯维岩，等.一种基于Wi-Fi的计量抄表系统的设计和实现[J].自动化与仪表，2010，25(6)：18 －21.

[8]郭丹，李俊芳.ZigBee无线网络技术在抄表系统中的应用[J].自动化仪表，2009，30(4)：20－23.