一种基于广电传输网络的Wi-Fi电力数据采集的方法和设计

唐强

（福建新大陆通信科技股份有限公司 福建省福州市 350015）

1 引言

本研究的背景城市是某省的省会城市，该城市多山岭，楼宇建筑十分密集，存在不少移动通信网络信号的覆盖盲区，而位于住宅楼地下层的配电机房更是信号盲区的重灾区。

经调研，目前常规电力通信技术，包括GPRS、4G、NB-IoT窄带物联网技术，LoRa 无线技术等，在该城市的电力数据采集方案实施中均存在覆盖盲点问题，在信号盲点内若采用这些技术采集处于地下层配电机房中的计量终端（集中器、负荷管理终端以及配电变压器监测终端）设备的电力数据，将无法通过通信网络回传至电网计量主站系统，现多数配电房仅能通过人工数据采集的方式来克服。

而该城市的广电传输网络具有覆盖广和资源丰富的优点，其光缆网络信号遍及各小区、楼宇、地下层，因此，可充分利用广电现有的丰富网络资源，采用无线Wi-Fi 通信+广电传输网络的方式回传所采集的计量终端电力数据，达成电力计量终端数据回传电网计量主站系统，解决电力数据无法回传的技术盲区。

在考虑系统方法前，需设法解决以下3 个技术问题。首先需找到合适的采集设备供电源。配电机房内的高压线路及固有线路难以为采集设备供电，需在配电箱内或者现有计量终端设备中寻找能够引用的电源来适配数据采集模块。其次需重点考虑到采集模块功耗及温升。计量终端设备所处的环境通常为封闭不通风的配电箱，数据采集模块如长期工作于此环境下，尤其需要采取必要的软硬件温控措施，防止模块过热及可能引发的损伤计量终端设备的问题。最后需确保系统的稳定性和安全性。电力数据采集系统的核心的即是电力采集数据的稳定性及安全性，系统需保持长期稳定的工作状态。

2 整体系统架构介绍

整体系统架构如图1 所示。

2.1 广电传输网络部分

通过广电传输网络IP 城域网、GPON 的FTTH/B 网络或HFC+PON 网络平台作ONU 引接网络信号源至需要采集数据的配电房，并在每个配电房的外配置一个Wi-Fi 电力无线路由器（路由器安装外置天线）[3]。

2.2 计量终端与采集模块以及分支路由器传输部分

新制无线Wi-Fi 采集模块（模具选用计量终端电网规约中规定的同规格配件）可直接替换电力计量终端原配置的GPRS/4G 通信模块，通过网络线将Wi-Fi 采集模块以太网数据输入接口与计量终端设备以太网通信口连接，并设置计量终端设备工作于以太网数据输出模式下，无线Wi-Fi 采集模块将以太网口中所采集到的电力计量数据通过Wi-Fi 无线信道发送到电力分支路由器。

3 Wi-Fi采集模块和电力分支路由器的硬件设计部分

Wi-Fi 采集模块和电力分支路由器的整体硬件结构，主要包含核心模块（CPU、RAM、FLASH）、电源供电电路、以太网接口电路、双路天线电路、LED 指示。

图1：基于广电传输网络的Wi-Fi 电力数据采集系统架构示意图

图2：Wi-Fi 采集模块和分支路由器的系统整体软件设计结构

3.1 核心模块

结合对稳定性，传输性能，尤其是工作温度及功耗等参数的要求，经过分析对比，选用联发科MT7628 芯片作为AP/路由器的主芯片，其主频可达到580 MHz，芯片采用MIPS 24KEc 的架构，具 有64 KB 的iCache 和32KB 的D-Cache，体 积 仅 为40 mm×25 mm×3.0 mm，并已整合了2T2R Wi-Fi 收发器，物理层数据速率可以达到300 Mb/s。在协议方面，支持新一代2T2R 802.11n 标准，并兼容支持传统802.11b/g 和HT802.11n 模式，外围搭载着128MB内存及8MB 闪存[4]。

3.2 双路天线电路

双路天线设计，分别为一路外置IPEX 接口的天线和一路内置的板载天线，分别连接CPU 的SPI-CLK 接口和SPI_CS1 接口，可有效提升射频效能，并且提升抗干扰能力。

3.3 以太网接口电路

由网络变压器和外置电阻阻抗匹配电路构成，其主要作用为网络信号提供信号耦合、阻抗匹配、干扰抑制。Wi-Fi 采集模块的以太网口主要作用是连接计量终端设备，获取电力原始数据，分支路由的以太网口作用是设置成WAN 口，连接广电ONU 传输网络。

3.4 电源供电路设计

电力计量终端原为GPRS/4G 通信模块预留的供电电压为5 V，可采用将无线Wi-Fi 采集模块内置于计量终端设备内的方式由计量终端设备为其供电，通过排针连接。将引入的5 V 电压经MP1470 DC-DC 供电芯片，经DC 芯片SW 脚输出方波，再由取样电路调整占空比使之稳定的输出3.3 V 电压。此转化后的3.3 V 电压作为Wi-Fi 采集模块的供电源，既解决了采集设备供电源获取的问题，也不影响配电箱中的其他设备和线路[5]。

3.5 LED指示

指示无线Wi-Fi 模块和和电力分支路由器的工作状态，3 个指示灯由CPU 的GPIO11 脚、GPIO44 脚、GPIO43 脚输出口控制分别指示运行、连接、网络连接的工作状态。

4 Wi-Fi采集模块和电力分支路由器的软件设计部分

Wi-Fi 无线采集模块和分支路由器的软件系统基于Linux 的Openwrt 系统，Linux 操作系统的网络性能和稳定性较适用于需要长期使用的工作环境，软件模块在主体功能上分为广电与电网专网IP 设置模块，智能功耗控制模块，软件看门狗监控报文模块，路由与AP 间的自动握手模块等，系统整体软件设计结构如图2 所示。

4.1 广电与电网专网IP设置模块

IP 专网软件模块有两种设置方式。一种为Web 常规设置模式，输入IP 地址192.168.157.1，以管理员身份登入路由系统设置界面，将电网公司分配到的各分区计量终端的IP 地址参数设置到路由器中的网络选项中。例如，进入系统设置，设置本机路由IP 地址为10.128.11.66，网关为10.128.0.1，域名我1.1.1.1，子网掩码为255.255.128.0。另一种为指令方式设置（隐藏Web 界面，一般工作人员无法访问及修改专网IP 设置）。PC 端连接上路由器，通过指令cat /etc/config/network 进入路由设置，使用命令行Asancfgwanip 10.128.11.66 10.128.0.1 1.1.1.1 255.255.128.0（设置IP 地址、网关、域名以及子网掩码）。

4.2 智能功耗控制模块

充分利用MT7628 芯片内部的大容量二级缓存和内存，执行控制指令，提升运行效率，减少工作时间。控制无线Wi-Fi 模块无线通信及射频输出功率，牺牲一部分传输距离，从而减少在发送数据时的功耗。结合数据传输实际需求与电力数据心跳时间，使无线Wi-Fi 模块并非连续工作在全速状态下，并适当减少传输带宽，从而降低综合能耗。

4.3 软件看门狗监控报文模块

内核看门狗模块可以通过/dev/watchdog 命令，建立设备与用户空间程序间的通信。在用户空间程序一旦对看门狗初始化，即打开/dev/watchdog 设备，便会在系统内核中启动计时器，软件看门狗模块实时检测无线Wi-Fi 采集模块以及主路由器之间的电力报文数据，如在所设置时间段内，无法检测并获取到电力报文数据，系统的核心进程能够在看门狗作用下进行重启，使系统核心模块在发生软件系统异常或者设备异常的情况下可重新工作。

4.4 路由与AP自动握手模块

该模块预先设置Wi-Fi 采集模块与电力分支路由器的SSID 前几位和密码内容，当采集模块开始工作后，将自动搜寻周围环境中是否有路由器与预设的自动握手路由的SSID 前几位相匹配，如发现有SSID前几位一致的，则按预置的Wi-Fi密码尝试与路由器连接，密码匹配后即可成功连接，无须其他软件进行设置及连接操作。

5 Wi-Fi采集模块和电力分支路由器设备的测试方法及结果分析

5.1 功耗及高低温测试

Wi-Fi 采集模块和电力分支路由器模拟电力数据上传数据至模拟电力服务器，连续工作于高低温箱内（环境温度为高温55 ℃，低温-10 ℃），进行为期各一周的高低温测试，采集模块及分支路由器均无出现异常情况。

功耗测试：无数据时实测电流为96 mA，电力数据上传时为168 mA，Wi-Fi 模块整体功耗可控制在0.6 W 以下，符合设计要求。

5.2 吞吐量及丢包率测试

吞吐量测试：使用IxChariot 工具进行吞吐量测试，设置脚本文件，单向双进程，吞吐量由Wi-Fi 模块的LAN 口上传数据至路由器WAN 口。测试时间同步为电力数据心跳时间（每轮测试时间为3 min），测试结果：在信号衰减20 dB 的条件下，吞吐量可达到80 Mb/s，因实际电力数据量并不大，可符合设计要求。

丢包率测试：使用Ping Tester 工具进行丢包率测试，PC 端打开Ping Tester 工具，PC 端添加路由器端自动获取到的IP 地址，并设置发包的间隔，发送缓存区大小32 bytes。测试结果：发送3 000次数据，实际丢包率可控制在2%以下。

6 结论

基于广电传输网络，通过Wi-Fi 电力无线路由+Wi-Fi 电力采集模块对配电房内计量终端的电力数据进行采集的方案，在广电传输网络资源丰富的城市地区，不仅可以有效解决移动通信信号无法覆盖的配电房的电力数据远程采集的问题，提升电网公司的智能电力终端上线率，且配电房内的宽带网络可为后续电网技术创新及数据业务丰富打下基础。

与此同时，该技术方案助当地广电跻身成为电网公司除三大移动运营商外的数据网络服务商，开拓了“集客业务”的新形态，实现了全新的营收模式。