仪表测量数据实时远程存储及共享装置软硬件设计

蔡勇超，余 勇，吕华良，曹小冬

（广东电网有限责任公司佛山供电局,广东 佛山528000）

电力通信网是电力系统的重要组成部分，贯穿电力系统发输变配用各环节，是保证电网安全稳定运行的前提[1-2]。作为电力通信网中的重要基础设备，通信电源和通信光缆为通信设备提供动力和通道，是整个通信系统的“心脏”和“血管”[3-4]。根据《南方电网通信电源现场检测作业指导书》和《南方电网电力光缆检测作业指导书》要求，通信班组检修人员每年在通信设备年度定检时，需要保存蓄电池的放电曲线和通信光缆的OTDR测试曲线，以此作为判断蓄电池和通信光缆质量优劣的依据[5-6]，因此及时将测试数据从测试仪器导出并存储至关重要。目前班组的做法是某个变电站定检完成后当天用U盘将曲线手动从测试仪器中拷贝到电脑保存，导致数据更新不及时或有时忘记拷贝数据造成数据丢失，同时增加不同计算机之间感染木马病毒的风险[7]，而且频繁的插拔U盘，降低U盘的使用寿命。为提高测试数据的更新及时率和减轻班组每次定检完都要拷贝数据的工作量，设计了一种便携式的USB数据远程存储和共享装置，插入测试仪器的USB接口，利用无线通信技术，将测试仪表的测量数据文件直接发送到数据中心保存，提高数据管理的效率和质量。

1 系统总体设计

目前在用的蓄电池放电仪和OTDR大部分不支持网络功能，若对其内部改造增加通信模块技术难度较大，经济性不高，因此只能从存储介质入手，采用带无线传输功能的U盘替代传统U盘。如图1所示，将网络U盘插入蓄电池放电仪和OTDR的USB接口取代传统的U盘，测试数据保存在网络U盘后，通过Wi-Fi或4G无线网络将数据发送到数据中心，用户通过有线或无线网络即可实时访问所需数据。

图1 系统总体设计方案

系统设计的核心在网络U盘，其具有普通U盘的数据存储功能，又能将数据通过无线网络发送至数据中心。考虑到变电站复杂的现场环境，通常的低功耗无线通信技术，如蓝牙、LoRa、Zigbee等在通信速率、传输距离、网络稳定等方面都存在不足[8]，而Wi-Fi技术成熟可靠、运用广泛、覆盖面广，在有Wi-Fi无线网络覆盖的变电站是最佳选择。对于没有Wi-Fi网络覆盖的区域，可选择目前应用成熟、信号稳定的4G无线公网通信，可满足绝大部分场景下的应用要求。

Wi-Fi传输采用IEEE 802.11b协议标准，其优点是传输速率高，传输距离远[9]，同时与采用IEEE 802.11协议的设备高度兼容，满足测试数据的传输要求。4G传输采用TD-LTE技术协议，能够灵活调整上下行通信时隙，满足系统以发送数据为主的非对称业务需求，提高通信效率[10]。

2 系统硬件设计

硬件设计主要以网络U盘设计为主，在普通U盘的基础上增加Wi-Fi和4G通信模块，总体设计如图2所示。MCU是系统的核心模块，负责数据的存储管理和外部通信，采用STM32H743为主CPU，最高运行主频可达480 MHz，集成2M Flash和1M SRAM，并支持多种外扩功能，满足测试数据高速存储和及时转发的要求[11]。Wi-Fi通信模块采用联发科MT7681芯片，具有体积小、功耗低、启动速度快等优点，并支持IEE 802.11b/g/n协议[12]。4G通信模块采用芯讯通的SIM 7600CE芯片，支持多种频段和网络传输协议，定位精度在2.5 m内，上行最大传输速率达50 Mbit/s[13]。数据接口电路通过USB接口连接到测试仪表设备，将测试数据保存在数据存储模块，电源管理模块为系统提供稳定电源供应，满足各芯片电压等级需求及功耗管理。

图2 系统硬件设计

2.1 Wi-Fi通信模块电路设计

Wi-Fi芯片采用联发科推出的MT7681，完美支持IEE 802.11协议，具有高度集成、超低功耗、封装体积小等优点，可轻松为嵌入式设备提供网络服务功能，能够满足无线网络U盘要求。同时，MT7681提供GPIO和PWM智能控制，以及UART、SPI和I2C等通信扩展接口，便于系统二次开发。

Wi-Fi通信模块电路如图3所示，MT7681发送数据引脚TX和MCU接受数据引脚RX相连，MCU发送数据引脚TX直接至多路复用器74LVC3157，对数据进行隔离和选择后连接到Wi-Fi芯片的RX脚，提高通信的抗干扰能力。MCU和MT7681的复位脚通过开关K2控制，实现同步复位；当有数据通信时，IO4驱动发光二极管闪烁，指示通信链路正常。

图3 Wi-Fi电路原理图

2.2 4G模块天线设计

4G通信芯片采用芯讯通公司的SIM7600CE，支持LTE-TDD/LTE-FDD等全网通4G网络，性能稳定、外观小巧，可以在低功耗模式下实现数据信息的传输，满足系统对功耗管理的需求。

变电站内环境较复杂，信号衰减较大，因此系统的天线设计尤为关键。SIM7600CE共有3个天线集单元，分别是主集（MAIN_ANT）、分集（AUX_ANT）和GPS天线（GNSS_ANT）。GNSS天线可采用有源天线和无源天线，本系统采用有源天线设计，天线匹配电路如图4所示。天线由主板供电，R1为限流电阻，阻值为10Ω，C1、C2、C3和L1的值根据天线进行匹配，天线调谐后通常由天线供应商提供，根据现场测试情况，L1为47 nH，C1、C4为33 pF，C2和C3预留给调优，R2为0Ω，天线信号最优。主集和分集天线采用相同的设计，R3和R4阻值推荐为0Ω，C5、C6、C7、C8预留给调优。

图4 4G天线设计图

3 系统软件设计

3.1 总体设计

采用Keil公司的嵌入式软件集成开发环境MDK5，具有界面美观，易用性好等优点，源文件编辑器采用UItraEdit，使用J-Link仿真器，下载和跟踪调试都简洁方便。软件分为应用软件和驱动软件，利用ST官方提供的固件库，减少底层驱动的开发难度，主要包括Wi-Fi和4G芯片的驱动程序。系统整体软件流程如图5所示，装置开机后对系统初始化设置，完成后进入待机模式，此时系统进入低功耗状态，当检测到有测试数据输入后，将数据保存在本地，若要发送数据，则通信程序被激活，根据现场的网络环境，采用Wi-Fi或4G网络将数据发送到数据中心保存。

图5 系统软件流程图

3.2 传输协议设计

测试设备和无线接入点采用IEE 802.11协议，无线接入点和交换机之间采用IEE 802.3协议，它们都是IEEE 802协议集。802.11定义了2种类型的设备，一种是无线站，即文章设计的无线网络U盘，另一个称为无线接入点，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。传输链路如图6所示，IEE 802.11的数据链路层由逻辑链路层（logic link control，LLC）和媒体控制层（media access control，MAC）组成[14]，802.11的MAC层和802.3的MAC层非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，这使得无线和有线的桥接非常方便，实现了测试数据的远程无线发送和存储。

为了传输数据的安全性，无线网络U盘和无线接入点要经过扫描、认证、关联3个阶段才能完成通信链路建立。无线客户端可通过主动扫描和被动扫描2种方式与无线接入点建立连接[15]，被动扫描是指无线客户端通过监听周围无线接入点发送的信标帧获取无线网络信息，而主动扫描则是无线客户端在扫描网络时主动发送一个探测请求帧获取网络信号，由于装置需要随时发送数据，因此选择主动扫描方式。为了保证无线链路的安全，无线接入点需要完成对无线终端的认证，认证方式有开放系统认证和共享密钥认证[16]，本系统采用共享密钥认证，加密方法为有线等效保密（WEP），防止非法用户窃听或侵入无线网络。最后无线客户端通过指定的SSID选择变电站内的无线网络，并通过无线接入点的链路认证后，就会立即向无线接入点发送关联请求，关联成功后即可开启数据传输通道。

4 应用测试

将装置和OTDR的USB存储接口连接，选择保存路径为USB存储器，此时OTDR的测试文件数据将保存在装置中，现场应用测试如图7所示。

图7 网络U盘应用测试图

此时的测试文件数据保存在本地装置上，若要发送到远程数据中心，则可以和现场移动终端建立连接，然后在终端上选择需要发送的文件，则数据将会通过移动网络发送到数据中心。移动终端可以对测试数据文件选择复制、分享、发送等操作，提升数据管理的灵活性。

5 结束语

在电力物联网和大数据时代，各种测试设备和应用终端都将互联互通，针对传统通信测试仪表无法连接互联网，测试数据更新不及时、人工拷贝易丢失等问题，研制了一款USB网络存储装置，可直接将测试数据发送和分享到其他用户，应用结果表明该装置携带方便，即插即用，减轻作业人员拷贝数据的负担，提升运维作业智能化水平。

接下来将继续扩展该装置的应用范围，融合各专业检修数据，建立电力设备检修大数据云平台。