智能远程抄表系统集中控制器及通信协议设计

2012-09-22胡源奇李俊刚

电气技术 2012年11期

王双李卫胡源奇魏勇李俊刚

（1.许昌职业技术学院，河南许昌 461000；2.云南省电力公司普洱供电局，云南普洱 665000；3.许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）

智能用电作为智能电网的重要组成部分，其中的AMI是实现智能电网技术的基础性的一步，对电表的功用和性能、信息采集及抄送方式等提出了新的要求[1-2]。目前，我国普遍采用抄表人员挨家挨户手动抄表采集数据，然后计量收费的方式。电、气、水、热公司基本上各自为政，自成体系。这不仅造成巨大的人力财力浪费，也给城市管网的建设、分析、规划等都带来很大的困难。尽管当前也出现了一些低功耗的远程抄表技术，如山东大学陈博等设计了一种基于Si4432无线芯片和RS-485通信标准的无线抄表系统。采用无线 Mesh网络，选取分级路由协议并加以改进，实现了自动抄表的无线收发任务。并通过通用分组无线业务(GPRS)技术传送数据至主站，完成抄表任务[3]，华北水利水电大学张鸿博设计了一种基于GSM模块的无线抄表终端[4]，也有文献介绍了基于 CAN的用电计费自动化系统的设计与实现及无线抄表系统的组建[5-6]。但归纳起来普遍存在以下缺点：①技术含量低，抄表分散。公司自己组建自己的网，网络之间互通性差；②组网方式不统一。有些采用电力载波抄表，有些红外抄表，有些采用RS-485抄表等；③通信协议不规范，信息的互通性差。不同公司之间通信协议混乱，无法实现四表的融合；④成本高。

本文在认真研究以上系统的缺点基础上，提出了四网合一（电、水、气、热）的组网结构。这种组网方式具有结构简单、可靠性高、成本低廉等优点。针对智能电网环境下智能电表互动的需求及抄表的特殊性，本文给出了集中抄表器的设计方案和通信协议的实现方法。此外，本系统还具有欠费自动停水、电、气、热，交费后自动恢复供水、电、热、气等功能。上位机可以通过不定时发送抄表指令，实现用户信息的实时查询，这种方法，可以查询网络的运行状况和杜绝不法用户偷（电、水、气、热）等不良行为。

1 智能抄表系统架构

本系统采用 GSM网和 ZIGBEE网双层网络结构，上层采用GSM网络（GSM网络在我国已经建成运行多年，技术成熟，通信稳定，覆盖率高，尤其是其SMS短信息服务，成本低廉，时效性强，利用GSM网和集中抄表器之间SMS数据传输，具有时效性强，网络覆盖范围大，成本低廉等特点）。底层采用ZIGBEE自组网技术有效降低系统的运行和维护成本。具体结构如图1所示。

图1 智能抄表系统架构

管理中心计算机运行抄表软件通过 GSM 网向集中抄表器发送抄表指令及其他命令，例如，发送远程抄表批处理命令，用户欠费自动停水、电、气、热命令，缴费自动恢复供水、电、热、气等命令。除此之外，管理中心计算机还可以不定时的发送抄表指令，检查用户各表信息，防止出现网络故障和杜绝不法用户偷电、偷水、偷气、偷热等不良行为。GSM通信模块采用西门子公司的TC35I。它具有接口简单（通过RS-232口和单片机相连）、可靠性高、成本低等特点。

集中抄表器通过ZIGBEE无线自组网技术和用户信息采集器相连。无线网络使用挪威Nordic公司的无线通信芯片nRF401，它具有价格低廉，组网容易，通信频段无需申请，通信距离在开阔地段可达1500m，一个小区仅需2到 3个集中抄表器就可以完全满足一个小区的抄表需求。集中抄表器接收到批处理抄表命令后，通过ZIGBEE无线网络向用户信息采集器发送抄表指令，用户信息采集器将用户四表信息通过ZIGBEE无线网络向集中抄表器发送用户信息。集中抄表器将接收到的信息保存后，通过GSM网络发送到管理中心计算机；如果集中抄表器收到管理中心计算机发来的用户欠费信息，则将用户欠费命令发送到用户信息采集器，用户信息采集器将接收到的命令进行分析，并根据相应的指令做出相应的动作。

用户信息采集器主要完成一下功能：①负责记录用户的用电、用水、用气、用热等信息；②接收集中抄表器发来的抄表及用户欠费等命令信息并做出相应的处理。例如，如果收到抄表命令则将用户的四表信息自动发送到集中抄表器；如果收到用户欠费命令则将分析欠费命令并做出相应的欠费处理；如果接收到用户费用已交清的命令则自动恢复到正常状态。由此可见，用户信息采集器的可靠性尤为关键，为提高可靠性，本系统采用了外接MAX813看门狗来监控程序，采用AT24C04来及时保存四表的信息。

2 通信协议设计

远程抄表系统不但要能够保证完成信息的采集，而且要保证数据的可靠性。所以通信过程的可靠性和有效性是整个抄表系统的重要质量指标，关系到系统能否可靠运行。有文献进行了握手式通信协议在远程抄表系统中的应用研究[7]，为了保证抄表系统建立可靠的链路，经过反复实验，设计出呼叫，应答，再通信的串口通信方案，其通信的可靠性在很大的程度上得到了提高。

通信系统电气接口设计：通信速率为9600bit/s。采用异步串行方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位，1位奇偶校验位。

2.1 通信链路

为了防止帧地址受到干扰发生错误码，采用冗余码，即在每一次通信中，集中抄表器发送3组呼叫命令，呼叫命令由1个字的地址码与一个字的结束码组成，通信报文帧格式定义见表1。

表1 智能抄表器呼叫命令

若在 60ms的时间间隔内接收到用户信息采集器的应答码，则继续发送呼叫命令，收到2次以上响应说明此次通信链路建立。如果未收到集中抄表器的响应，则表示通信未成功，为了防止死锁，则继续呼叫下一个用户信息采集器的地址。

通信的可靠性是整个抄表系统的重要质量指标，它关系到整个系统能否平稳运行，这种 3取 2的验证方法有效地提高了通信的可靠性，但同时它也会在一定程度上降低通信效率，为了弥补这种损失，本系统对用户信息采集器和集中抄表器之间的通信协议分别进行了设计，这种短帧格式的数据有效提高了通信效率。

用户信息采集器采用串口中断的接收方式，如果收到集中抄表器发送的某组呼叫命令，首先进行判断，对接收到的地址采用3取2多数表决法，以确定是否是呼叫本信息采集器的地址，如果是就向集中抄表器发送本机地址的命令，然后等待集中抄表器发送下一步的操作命令。通信报文帧格式定义见表2。

表2 用户信息采集器应答命令collector

2.2 集中抄表器通信帧格式

集中抄表器接收到来自用户信息采集器的应答命令后，对接收到的地址采用3取2多数表决法，确定是哪个用户信息采集器地址，然后发送相应的操作命令和数据。操作命令由2个相同的操作码字节、操作数据、校验码和结束码组成。通信报文帧格式定义见表3。

表3 集中抄表器操作命令

地址码：用户信息采集器的地址编号；

操作码：管理中心计算机发送给集中抄表器的命令字（用户欠费停水信息；用户交费恢复供水信息；要求发送用户四表信息等）；

校验码：C0H；

结束码：E0E0H

2.3 用户信息采集器通信帧格式

用户信息采集器收到上位机发来的命令后，响应集中抄表器的命令，向集中抄表器发送相应的数据，数据格式如下。地址码用于集中抄表器判断数据的来源，以方便存入相应的数据库。用户信息采集器向集中抄表器发送的通信报文帧格式定义见表4。

表4 用户信息采集器上行数据

地址码：用户信息采集器的地址编号；

命令码：抄表命令，用户欠费命令和用户已交清费用命令；

数据：用户用水，用电，用气，用热信息；

校验码：C0H；

结束码：E0E0H

3 程序设计

3.1 集中抄表器程序设计

集中抄表器与用户信息采集器之间的通信采用主从式通信，集中抄表器向用户信息采集器发送各种命令信息。例如，发送抄表指令、用户欠费，用户已交清费用等信息。它与用户信息采集器之间的通信程序设计流程图设计如图2所示。

图2 集中抄表器软件流程图

集中抄表器接收到管理中心计算机发来的命令后向用户信息采集器发送握手信息，三次握手不成功则呼叫下一个用户信息采集器，如果握手成功，则向用户信息采集器发送操作命令字，校验码，结束码，等待用户信息采集器的发回的信息；用户信息采集器成功接收命令后向集中抄表器发送本机地址，接收命令码及相关操作对应的数据；如果信息正确则由集中抄表器存储用户信息，不正确则继续重复前面过程。