集中器通信网络升级模块的设计方案探讨

苏林志 魏忠初 陈晨辉

[摘    要 ]集中器是用来采集电能数据的终端设备，通过移动网络将数据传回采集系统，用于电能监测、分析、研判。目前路桥公司共有集中器81332只，其中采用2G网络的集中器共有22838只。随着国家对移动网络升级改造，台州各网络运营商计划分批将2G通信网络退出运营。这意味着22838只集中器全部淘汰，而这将是一大笔支出。针对以上问题，文章提出了不更换集中器仅升级集中器通信网络模块的方案。

[关键词]集中器;通信网络;升级模块

[中图分类号]TM76;TP332 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]A concentrator is a terminal device used to collect electrical energy data， which transmits data back to the acquisition system through a mobile network for electrical energy monitoring， analysis， and judgment. At present， Luqiao Company has a total of 81，332 concentrators， of which 22，838 concentrators using 2G networks. As the country upgrades and transforms mobile networks， network operators in Taizhou plan to phase out 2G communication networks from operation. This means that 22，838 concentrators are all eliminated， and this will be a large expenditure. In response to the above problems， the team proposed a plan to upgrade the communication network module of the concentrator without replacing the concentrator.

[Keywords]concentrator; communication network; upgrade module

1 需求分析

隨着国家通信网络的战略升级，2G网络即将退出历史舞台，目前在用的大批仅支持2G网络的老款集中器也面临被淘汰的命运，这将使供电企业产生一大笔支出，经计算路桥公司需更换数量为22838，按每只集中器省公司中标价格450元，材料成本费用1027万元。需求分析如表1。

随着国家通信网络的战略升级，2G网络将逐步淘汰。 公司集中器需转型升级。

路桥公司目前在用的2G集中器有22838只，这一批集中器需淘汰。 需提供将1027万元资金用于升级集中器。 经计算需安排3787多工时进行集中器更换及后台调试。 降低这批集中器升级的成本。 单独更换集中器通信模块，降低升级成本。

路桥公司目前在用2G集中器有22838只。全部更换这批2G集中器，材料成本：按集中器450元成本计算，成本为1027.71万元;人工成本;集中器更换需2人进行，加上后台调试，更换1个集中器平均耗时39.8 min。经过计算22838只集中器全部更换并调试完成耗时=22838（只）×39.8（min）=908952.4（min）=15149.21（h），按每天8 h工作时间，约需要1893.65×2=3787.3名工人，按目前台州人力市场工价350元计算可得人工成本约为132.56万元。总成本为1160.27万元，单个升级成本为11602700÷22838=508.04元。而针对本批集中器更换项目，公司专项改造资金为450万，每个集中器更换成本为4500000÷22838=197.04（元）。

通过需求分析，每个集中器的升级成本要控制在197.04元以内。若要满足要求，整机更换这个方案是行不通的，可以采用单独更换通信模块的方案来升级集中器，从而控制在成本范围内。

2 集中器通信网络升级模块的方案确定

2.1 提出方案

根据借鉴手机外挂基带内容，提出了具体模块分解方案，将集中器通信网络模块分为PCB线路板、4G芯片、MCU、电压转换电路共4大组成部分。具体如图1所示。

2.2 确定最佳方案

2.2.1 一级方案确定

根据借鉴手机外挂基带内容，提出了具体模块分解方案，将集中器通信网络模块分为PCB线路板、4G芯片、MCU、电压转换电路共4大组成部分。

2.2.2 一级方案评价

通过矩阵分析，线路板主要考虑A1具有较高的机械性能和介电性能、A3较好的耐热性、阻燃性，其中A1作为最主要的参考指标。PCB线路板的选择，对玻璃纤维PCB板和环氧树脂PCB板两种材料PCB板进行品质因素Q值测量，选择Q值大于500的PCB板;经过测试，玻璃纤维PCB板Q值为572.6，大于500，满足要求;环氧树脂PCB板Q值为521.8，大于500，满足要求，但小于玻璃纤维PCB板Q值572.6。

2.3 4G芯片的选择

通过矩阵分析，4G芯片主要考虑B1功耗低，B4体积小，其中B1作为最主要的参考指标。4G芯片的选择通过用功率计测量两种制式芯片的功耗，并对数据进行统计分析;测试、对比分析LTETDD制式芯片和LTEFDD制式芯片的功耗情况;经过测试，LTETDD制式芯片功率为0.75 W<1 W。满足要求;LTEFDD制式芯片功率为0.858 W<1 W，满足要求，但功耗比LTETDD大。

2.4 MCU的选择

通过矩阵分析，MCU主要考虑C1功耗低、C3运行速度，其中C3作为最主要的参考指标。通过查阅相关工作手册，得到16位MCU和32位MCU芯片的参数，可以选择合适的MCU。经过分析16位MCU运行速度可达275 ns的指令周期，大于200 ns;32位MCU运行速度可达125 ns的指令周期，小于200 ns

2.5 电压转换电路的选择

通过矩阵分析，电压转换电路主要考虑D1输出电压稳定、误差小、D2寿命长，其中D1作为最主要的参考指标。用电压表测量LDO电压转换电路和齐纳二级管电压转换电路2种电路输出电压的误差。经过测试，从表2中可以看出LDO电压转换电路输出电压误差小于5%;齐纳二级管电压转换电路输出电压误差大于5%。如表2所示。

通过上述方案评价分析，最后选择各模块的第一级分级方案确定。

3 二级方案确定

通过以上分析，需要对4G芯片中采用何种系列LTE TDD制式芯片、MCU中采用何种系列32位MCU进一步选择，最后选择各模块的分级方案。

3.1 4G芯片的选择

通过矩阵分析，4G芯片主要考虑B4整个4G通信模块面积10 cm2，包含4G芯片、MCU、电压转换电路，4G芯片体积要小，截面积需小于4 cm2、B5低延时，延时低于0.1 ms。这兩个方面，其中B4作为最主要的参考指标。用电压表测量移远EC200T-CNDA和优信SIM800C2种4G芯片的尺寸;经过测量，移远EC200T-CNDA的尺寸满足要求;优信SIM800C的尺寸为2.2cm×2.2cm，横截面积大于4 cm2，在4G模块里面放不下，不满足要求。

3.2 MCU的选择

通过矩阵分析，MCU主要考虑C2体积要小，截面积需小于3 cm2。C3代码执行效率高，占用内存资源少，其中C3作为最主要的参考指标。实现2G指令转4G指令的代码量小于2 M，测量兆易GD32F305RGT6和STM32F405RGT6两种4G芯片的横截面尺寸;经过测试，兆易GD32F305RGT6的代码占用为1.8 M，小于2 M，满足要求;STM32F405RGT6的代码占用为3.5 M，大于2 M，不满足要求。

4 最终方案确定

针对方案进一步的细化分解，通过对相关参数及优缺点对比分析最终确定细化后最终方案如图2所示。

5 制定对策

如表3，根据细化后的最佳方案及5W1H原则，制定了详细对策。

6 结束语

6.1 目标检查

经过成本计算，每个集中器4G通信模块的成本大大降低，节约了资金。每个集中器4G通信模块的成本是168.5元，远低于目标值197.04元。通过以上分析，目标超额实现。

6.2 经济效益验证

集中器通信模块的成功研制，降低了集中器升级的成本，节省了大量的人力、财力，产生了很好的经济效益。

因为2G网络的全面退出，目前公司在用的2G集中器有22838只，按整机更换方案每个的升级成本为508.04元，随着本模块的成功研制，单独更换模块，成本只要168.5元，大大降低了升级成本，总共节省成本700多万元，产生了很好的经济效益。

参考文献

[1] 朱琳，高德云，罗洪斌.无线传感器网络的RPL路由协议研究[J].计算机技术与发展，2012（8）：1-4.