基于双模通信模块的用电信息采集系统设计

万 强，安立平，黄小恬，李建超

（国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司，河北石家庄050000）

1 引言

随着智能电网建设的发展，对电网的稳定性提出了更高要求，用电信息采集系统作为其中重要组成部分，安全、可靠通信，提高抄表成功率是急需解决的问题[1]。目前用电信息采集系统中的通信主要为电力线通信和无线通信两种[2]。电力线通信具有不需要另外布线，易施工维护，不易被损坏，可靠性高的特点，但电力线通信存在噪声干扰多样且阻抗不可预测以及信号衰减严重的问题[3－4]。微功率无线通信同样有不需要布线、易施工维护的特点，但微功率无线通信容易受环境因素的影响，穿透力差、在遇到有高楼等复杂的环境下信号衰严重[5]。因此使用其中一种通信方式进行用电信息采集不能确保采集的准确率。

为解决两种用电信息采集通信方式的不足，确保用电信息系统采集的准确率，融合两种通信技术，开发和研究具有电力线和无线通信的双模通信模块具有重要意义。文献[6]提出了智能电表双通道抄表方案，虽然抄表的成功率较高，但是该方案每次都是双通道进行发送，浪费了信道资源。文献[7]提出了一种光纤通信、电力线通信、Zigbee传输方式的电力三网融合的用电信息系统采集方案，但是没有具体的设计以及实现方法。文献[8]依据RSSI提出了阶梯算法的双模异构通信的方案设计，该方案能有效地选择通信模式，保留了两种通信方式的优点，但是该方案没有给出具体的硬件设计以及测试结果，并且该方案的RSSI需要提前知道，缺乏一定的灵活性。

接收信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）是能够反应通信质量的一个重要指标，通信时依据RSSI选择通信方式能提高通信的成功率。因此，本文将研究基于RSSI的信道选择算法，以STM32F107为处理器完成双模通信模块的设计，最后对设计完成的双模通信模块在实际环境中进行了测试与分析。

2 双模通信用电信息采集系统设计

具有双模通信功能的用电信息采集系统结构如图1所示。采集器和集中器由具有双模通信功能的模块构成，通信方式既能选择电力线传输又能选择无线传输。采集器将接收到的电能表的用电量等信息通过无线通信或者电力线通信发送给集中器，最后集中器汇总信息并通过GPRS或者以太网发送给管理中心。

图1 用电信息采集系统结构图

采集器与集中器之间可以进行3种方式的通信。当检测到只有无线能成功通信时，选择无线通信方式；当检测到只有电力线能成功通信时，选择电力线通信方式；当两种方式都能成功通信时，比较两种通信的接收信号强度，选择信号较好的一方进行通信。通过这种双模的通信方式能提高通信的成功率，集中器能准确无误得接收到信息。

3 双模通信模块的软硬件设计

3.1 双模通信模块的硬件设计

双模通信模块的硬件设计主要由3种模块组成处理器模块、电力线通信模块以及无线通信模块。选择STM32F107作为处理器模块，实现对电力线通信模块和无线通信模块的控制。硬件总体结构如图2所示。

图2 硬件结构图

（1）处理器模块STM32F107

STM32F107处理器是基于ARM Cortex－M3内核的，Cortex－M3内核具有廉价、功耗小和高性能的特点，能满足设计需求。STM32F107集成了丰富的外围接口，具有数模转换模块、三个SPI端口、两个I2C接口，和五路USART接口。与同级别的ARM模块相比，STM32F107处理速率更快、性能更优越，且在处理性能相同的情况下，STM32功耗可以减少75%。因此STM32F107在外围接口、处理性能、功耗等方便都有很大的优势[9]。设计中使用串口中断方式进行用电信息的采集，使用STM32F107中的3个串口，串口1和CC2530模块通信，串口3和BWP31模块通信，串口2进行用电信息的采集。

（2）无线通信模块选择及控制

无线模块选用Zigbee芯片CC2530。CC2530无线射频单片机既支持IEEE802.15.4协议，又兼容8051内核；CC2530有丰富的外设接口，具有USART、SPI、A/D数模转换等接口以及精确的数字信号强度接收指示，同时具有低功耗的特点。

CC2530 将 P0＿2，P0＿3 配置为外设功能，P0＿2为 RX，P0＿3为 TX，UART0采用串行通信接口，将CC2530 的 RX、TX、VCC、GND 分别与处理器模块STM32F107 的 UART1—TX、UART1—RX、VCC、GND连接，实现无线通信模块和处理器模块之间的通信，处理器和无线模块的串口通信波特率都设为9600bps。

（3）电力线通信模块选择及控制

电力线载波模块选择BWP31模块，主要由耦合电路、滤波电路、放大电路、调制解调电路组成[10]。BWP31模块采用BPSK调制数字通信。调制解调芯片使用的是BL6810，BL6810芯片具有如下特点，具有多频点、多速率的特点，最高速率5.48kbps，内嵌增强型8051 MCU核；能精确指示信号强度以及线上噪声强度等重要信息。

BWP31模块与处理器STM32F107之间的通信方式为异步通信，电力线通信模块和处理器模块的硬件连线为BWP31的RX、TX、5V、GND分别和 STM32F107 的 UART3—TX、UART3—RX、5V、GND连接，实现两模块之间的串口通信。

3.2 双模通信模块的软件设计

双模通信模块用在用电信息采集的采集器和集中器中，采集器为源节点S，集中器为目的节点D。S通过处理器STM32F107的串口2进行数据的采集且先将数据存放在缓冲区，等待D发送测试的命令，S通过接收分析D的命令，进行数据处理，最后选择合适的通信方式将采集的信息发送到D，从而完成通信。双模通信模块的总体设计流程图如图3所示。

图3 软件总体设计流程图

双模通信模块主要依据RSSI选择通信方式，通信的周期由与D发送信道测试帧的周期一样，D每发送一次信道测试帧，则S向D传送一次数据。双模通信选择流程图如图4所示。系统初始化主要包括对处理器STM32F107中需要用到的3个串口、定时器以及串口波特率等进行初始化设置。将串口1和串口3的中断标识符设置为flag1＝0、flag3＝0，两个串口波特率设为9600 bps；初始化完成后，D会每5s发送一个信道测试帧到S，为了确保别的信息被误以为是信道测试帧，本设计中信道测试帧选择传输5个字节。S的无线通信模块接收到信道测试帧时则flag1为1，S的电力线通信模块接收到信道测试帧时则flag3为1。在软件主函数的while中，当 flag1＝1、flag3＝0时，S缓冲区中的数据通过无线通信模块发送给 D；当 flag3＝1、flag1＝0 时，S 缓冲区的数据通过电力线通信模块发送给D；当flag1＝1、flag3＝1时，进入RSSI值处理模块，比较无线通信和电力线通信的RSSI，选择通信质量较好的通信方式进行数据发送。

图4 双模通信选择流程图

因CC2530模块功耗低、传输速率高于电力线通信，所以在进入RSSI值处理后，传输方式首先选用CC2530通信。为提高通信的成功率，首先在实际场景中进行多次实验，得到RSSI值和通信成功率的对应关系。根据实际实验测得CC2530模块的RSSI值和通信成功率的对应关系，当无线的RSSI值大于－70db时，通信成功率大于95%，当RSSI值在－80db至－70db之间时，通信成功率大于85%，当RSSI的值在－80db至－90db之间时，通信成功率大于70%，当RSSI值小于－90db时丢包率明显上升，当RSSI值小于－95db时丢包严重，通信成功率大于50%。根据实际实验测得BWP31模块的RSSI值和通信成成功率的对应关系，当RSSI的值大于15db时，通信成功率大于95%，当RSSI的值在11db至15db之间时，通信成功率大于85%，当RSSI的值在8db至11db之间时，通信成功率大于70%。当RSSI的值小于8db时丢包误码率明显上升，当RSSI的值小于4db时丢包误码严重，通信成功率大于50%[10]。分四阶段比较无线和电力线的RSSI值，选择较优的通信方式，处理流程图如图5所示。

图5 RSSI处理流程图

通过四阶段信道选择算法，能保证选择最优路径进行通信，提高通信的成功率。四阶段算法中第一阶段首先比较CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－70db，如若满足则选择CC2530发送数据，若不满足则比较BWP31的RSSI值是否满足大于或者等于15db，若满足则选择BWP31发送数据，若不满足则进入第二阶段比较；同样首先比较CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－80db，如若满足则选择CC2530发送数据，若不满足则比较BWP31的RSSI值是否满足大于或者等于11db，若满足则选择BWP31发送数据，若不满足则进入第三阶段比较；同样首先比较CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－90db，如若满足则选择CC2530发送数据，若不满足则比较BWP31的RSSI值是否满足大于或者等于8db，若满足则选择BWP31发送数据，若不满足则进入第四阶段比较；同样首先比较CC2530的RSSI的值是否大于或者等于－95db，如若满足则选择CC2530发送数据，若不满足则比较BWP31的RSSI值是否满足大于或者等于4db，若满足则选择BWP31发送数据，若不满足则用CC2530发送数据。

4 实验测试及结果分析

影响电力线通信和无线通信成功率的因素各有不同，为测试不同环境下的双模通信模块的通信性能，本文在某小区大楼对其丢包率在早上晚上进行两组实验测试，每组实验在不同的地方进行3次测试。每次实验都是3种通信方式在同一地方相同的条件下进行测试：①只有CC2530发送数据，S通过CC2530每5s向D发送一次数据，共进行1000次，通过串口助手监测D并计算其丢包率。②只有BWP31发送数据，S通过BWP31每5s向D发送一次数据，共进行1000次，通过串口助手监测D并计算其丢包率。③双模通信，D每5s发送一次信道测试帧到S，S将缓冲区的数据发给D，共进行1000次，通过串口助手监测D并计算其丢包率。

表1 实验场景及测试结果

早上六点钟在某小区第一组实验，此时间段用电器基本没有工作，负载少。第一组的实验场景及测试结果如表1所示。

从表1中可以看出，就目前测试的环境来看，随着距离的增大，两种通信方式都出现了丢包的情况，无线通信更容易受到距离和障碍物的影响，丢包情况更加明显。双模通信模块随着距离的增加只出现了个别的丢包情况，通信的成功率高于单一的无线通信或者电力线通信。

晚上八点进行第二组实验，此时间段用电器大多处在工作状态，电力线上负载多。节点放置的位置和第一组实验放置位置相同，下面只给出了实验序号以及所对应的3种通信方式的丢包率，实验测试结果如表2所示。

表2 实验测试结果

第二组实验主要是改变了电力线通信的信道质量，通过增加负载，电力线通信的信道受到的干扰变大，质量变差，丢包情况明显。无线通信信道基本不受影响，丢包率与第一组实验测试基本一样。双模通信模块随着负载的增多同样只出现了个别的丢包情况，通信的成功率高于单一的无线通信或者电力线通信。

这两组实验主要是从不同的环境下比较3种通信方式。通过两组测试可以看到，在通信节点之间的距离较近且负载少时，单一通信或者双模通信的成功率都非常高，随着通信节点之间距离和节点间障碍物的增加，无线通信信道质量变差出现丢包的现象，且随着距离的增加而越来越严重，同时随着负载的和距离的增加，电力线通信信道质量变差出现丢包的现象，且随着负载的增加而越来越严重，而双模通信模块只出现了个别的丢包情况，通信成功率依然很高。实验测试结果表明，双模通信模块能依据信道质量选择通信方式，通信成功率高于单一的通信方式。

5 结束语

本文以STM32107为处理器，完成了一种基于双模通信模块的用电信息采集系统的软硬件设计，双模通信模块将电力线通信和微功率无线通信相融合，保留了两种通信方式的优点，克服了缺点，利用基于RSSI的信道选择算法进行了实验测试。实验结果表明双模通信模块对不同的应用环境有很好的适应性，既能节省信道资源又保证了通信成功率，通信成功率高于单一的电力线或者无线通信方式，对实现国家电网推行的“全覆盖、全采集、全费控”的目标具有重要意义。