基于USB方式的采集终端4G远程通信模块设计

郭 皎，巨汉基，崔文武 ，妙红英，姜振宇

（1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045；2.国网冀北电力有限公司承德供电公司，承德 067000）

截至2018年8月，国网公司累计安装智能电能表4.45亿只，采集覆盖率达99.5%[1]。随着各业务部门对采集数据需求的不断增大，采集终端通信压力也随之增加。目前，仅冀北公司用电信息采集系统平均每月为营销业务应用系统、设备（资产）运维精益管理系统、电能质量在线监测系统等11个系统/平台提供共享数据8.6亿余条。随着电信运营商对4G网络的大力推广，采集终端与用电信息采集系统的信息交互逐渐采用4G网络替换之前的2G网络。然而，普通4G远程通信模块与终端之间采用串口方式通信，串口通信最高波特率为115.2 kb/s[2]，而4G网络通信速率可达到60 Mb/s[3]，约为串口通信速率的600倍，导致4G网络通信的高速率未能充分利用，串口通信速率成为普通4G通信模块的瓶颈。

为更好地支撑各专业的业务需求，充分发挥4G远程通信模块的效能，提出了基于USB方式的采集终端4G远程通信模块设计方案，即终端与4G远程通信模块之间采用USB通信方式，USB的通信速率为480 Mb/s[4]，可大幅提升4G通信模块数据传输性能。目前该模块已在国网冀北公司推广应用。

1 基于USB方式的通信模块数据传输方案

在用电信息采集传输过程中，采集终端将信息通过远程数据通信模块发送至采集主站，其中采集终端与通信模块间采用USB接口进行连接，通信模块与采集主站间采用4G移动网络进行通信。其数据传输流程如图1所示。

图1 采集信息传输流程Fig.1 Flow chart of acquisition information transfer

远程通信模块以USB复合设备的方式虚拟出USB CDC-ECM网络接口（以下简称ECM网口，ECM以太网控制模型，Ethernet networking Control Mode）与串口，终端通过虚拟接口与主站进行高速数据通信[5-7]。首先采集终端通过虚拟串口，使用AT命令向远程通信模块发起激活网络连接的请求。远程通信模块与网络侧成功建立数据连接的同时，自动设置好ECM网口与网络侧之间的数据转发。网络连接建立成功后，终端以动态主机设置协议DHCP（dynamic host configuration protocol）的方式，通过 ECM 网络接口从远程通信模块获取IP地址、子网掩码、默认网关等信息。

2 通讯模块设计

2.1 硬件部分

在Q/GDW 1375.2—2013《电力用户用电信息采集系统型式规范 第2部分：集中器型式规范》[8]标准中，定义远程通信模块接口采用2×15双排插针作为连接件，接口管脚定义中规定10USB+，11USB-引脚作为USB接口。因此，在硬件上无需增加新接口，沿用原有设计实现采集终端与4G远程通信模块连接，采集终端作为主设备（USB Host），远程通信模块作为从设备（USB Device）。

2.2 软件部分

为保证4G远程通信模块与采集终端的兼容性及互联互通，使模块与终端间实现即插即识别、即插即用，各远程通信模块厂商应遵循统一的通信模块USB接口设计规范。因此，制定《远程通信模块USB接口规范》，具体对厂商ID与设备ID，USB虚拟接口的数量、顺序和功能，扩展AT命令集进行规定。

1）通信模块统一设置相同的“USB Vendor ID”（厂商 ID）和“USB Product ID”（设备 ID），见表 1。预置通用的USB串口驱动和USB网口驱动。

表1 厂商ID与设备IDTab.1 Vendor ID and product ID

2）远程通信模块以USB复合设备的方式连接至终端，按表2所示的顺序及功能枚举出相应的4个子接口[9-10]。厂商可在规定的接口之后继续扩展其他接口。

表2 子接口定义Tab.2 Subinterface definition

3）为保证USB网口通信功能的实现，在标准命令集基础上扩展4项AT命令，包括：

①$MYUSBNETACT激活/去激活网络连接 用于实现网络的连接和断开，以及网络连接状态查询。

②$MYUSBNETURC主动上报开关 用于控制远程通信模块在USB通信方式下的主动上报。

③$MYURCUSBACT网络连接状态主动上报 用于网络连接状态变化的上报。远程通信模块应在网络连接状态发生变化后1 min内上报。

④$MYUSBNETADDR配置USB网络地址 用于设置远程通信模块给终端分配IP地址的所属网段，当远程通信模块给终端分配IP地址与网络侧分配给远程通信模块的IP地址不一致时，使用该命令。

3 通信速率检测

3.1 检测方案

为检测远程通信模块USB接口是否符合规范，判断改进后模块通信速率是否提升，根据远程通信模块与采集终端通信方式的改变，设计了远程通信模块检测工装，并制定了《远程通信模块USB接口检测规范》。

搭建检测系统如图2所示。下位机为检测工装，具备与串口模块和USB模块信息交互功能，可以监测通信时间及成功率。工装沿用终端壳体与硬件电路，内置软件替换为专用检测程序，可对待测模块进行上电、USB接口识别、AT命令下发、拨号上网等操作。上位机模拟主站与终端通过维护串口与检测工装进行指令与数据交互，实现对通信模块的功能检测和通信速率测试。

图2 检测系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of detection system structure

通信速率的检测内容分为2部分：对远程通讯模块与终端的通信速率进行检测；通过对终端下发AT指令对安装模块后终端的通信速率进行检测。

3.2 检测结果

基于以上检测内容，对厂家A的2种通信模块进行比对测试，每次测试均对被试样品同时收发相同数据长度的通信内容，并设置相同通信次数。基于串口方式和基于USB方式的远程通信模块，进行通信速率对比检测，结果见表3；分别应用2种通信模块进行终端通信速率对比检测，结果见表4。

通过对比试验的测试结果以及试验过程中的现象分析，发现：

表3 远程通信模块的通信速率Tab.3 Communication rate of long-distance communication modules

表4 终端的通信速率Tab.4 Communication rate of terminals

1）对于远程通信模块，当通信字节总长度为98000 B，累计通信1000次时，USB通信方式的速率相比串口通信方式提升至1.6倍；当通信字节总长度为1974000 B，累计通信1000次时，通信速率提升至5.2倍。

2）对于应用模块的终端，当通信字节总长度为98000 B，累计通信1000次时，USB通信方式相比串口通信方式速率提升至7.5倍；当通信字节总长度为1974000 B，累计通信1000次时，通信速率提升至5.3倍。

3）通信速率的提升倍数不是固定值，它与发送的数据长度呈正相关，会随数据长度的增加而增大，当发送数据量较大时USB方式的通信模块优势更加凸显。

4）4G网络环境的好坏，会使不在同一时间测试得到的数据产生波动。

4 结语

提出了采集终端4G远程通信模块数据传输性能提升方案。基于USB虚拟接口技术，在不改变终端原有硬件设计基础上，设计了采用USB方式的4G远程通信模块；制定了《远程通信模块USB接口规范》，保证了模块与终端的兼容性与互联互通；结合设计原理，研究了通信模块接口功能及通信速率检测方法，并搭建检测系统。针对厂家A的2种通信模块进行通信速率比对测试进行通信性能验证。目前该模块已应用于国网冀北电力有限公2016年第3批采集终端中，涉及7个终端厂家，覆盖5个地市，应用效果显著。该成果有助于提高移动网络的资源利用率，同时为用电信息采集业务的发展提供基础通信功能支撑。