(1.福建工程學院 福建省汽車電子與電驅(qū)動技術(shù)重點實驗室， 福建 福州 350118； 2.福建省北斗導航與智慧交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 福州 350118)

目前，我國居民用戶和企事業(yè)單位的電能計量抄表領(lǐng)域，已經(jīng)逐步開始實現(xiàn)自動化遠程抄收[1]。

低壓電力線載波通信技術(shù)利用現(xiàn)有電力線進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)方便，覆蓋范圍廣，沒有鋪設(shè)線路和運行成本，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。雖然低壓電力載波(power line carrier，PLC)以較低的預算解決了通信線路布置困難、維護工作量大的問題，但是由于供電線干擾和信道衰減所造成的通信距離有限，其在應(yīng)用上仍具有較大的局限性，因此路由中繼成為低壓載波通信的關(guān)鍵技術(shù)。

基于電力供應(yīng)的特征，電網(wǎng)所帶來的幾乎 “無線”的特性，使得PLC在電能表集抄、電能質(zhì)量監(jiān)控和電網(wǎng)故障監(jiān)測方面得到大量的應(yīng)用；此外，現(xiàn)代電網(wǎng)分布廣泛，目前PLC的應(yīng)用也擴展到家居、安防、暖通和水表等智能化領(lǐng)域[2-4]。在PLC大量應(yīng)用的電能表集抄領(lǐng)域，特別是針對居民用戶的低壓電力線遠程抄表，各種載波路由機制和算法相繼涌現(xiàn)，不斷地提高了低壓電力線中繼抄表的可靠性和成功率[5-8]。由于算法復雜和公變臺區(qū)規(guī)模較大，造成電網(wǎng)應(yīng)用的載波路由器成本較高，不大適用于采集網(wǎng)關(guān)分布較為離散、各配電站表計規(guī)模不大和水表間距較遠的高校節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)，所以有必要設(shè)計一種規(guī)模適中、價格經(jīng)濟的小型電力載波路由器。

1 硬件設(shè)計

所設(shè)計的電力載波小型路由器以ST公司

STM32F103為核心器件，擴展了DL/T645-2007多功能電能表通信協(xié)議，具備64個節(jié)點的3級中繼路由抄表能力，滿足高校變電站、單體建筑和室外數(shù)字水表的遠程集抄。

STM32F103CB內(nèi)核頻率72 MHz，工作性能90DMIPS，片上Flash 128KB，SRAM 20KB，并且芯片內(nèi)部通過APB總線擴展了多達36個GPIO接口；擁有1個RTC、2個SPI、3個USART和4個16位定時器；此外，STM32F103CB還內(nèi)嵌了一個支持16個優(yōu)先級的嵌套矢量中斷控制器。STM32F103豐富的標準外設(shè)和高擴展能力，可以滿足多種工業(yè)場合的應(yīng)用[9-10]。

小型載波路由器的總體設(shè)計如圖1所示，采用了LQFP48封裝的STM32F103CB處理器，并擴展了一個SPI接口的E2PROM和一個38 kHz紅外收發(fā)接口。

圖1 小型載波路由器總體框圖Fig.1 Structure diagram of PLC mini-router

圖2為載波路由器MCU核心電路原理圖。

圖2 STM32F103路由器MCU原理圖Fig.2 Schematic circuit of MCU in Router STM32F103

設(shè)計以STM32的USART1為上行串口，直接與網(wǎng)關(guān)/采集終端的抄表接口互聯(lián)；路由器下行通信接口使用STM32的USART3，下掛載波主控芯片；在定時器2的PA1引腳TIM2_CH2通道所發(fā)出38 kHz PWM脈沖的配合下，擴展USART2為紅外收發(fā)通信接口，作為載波路由器節(jié)點參數(shù)等檔案信息的配置通道。

STM32F103通過SPI_1接口外擴一片E2PROM存儲器25LC512，以滿足節(jié)點檔案信息和路由地址圖表的存儲需求。路由存儲的硬件設(shè)計如圖3所示，工作電壓2.5～5.5 V的SOIC8封裝的25LC512，擁有512 KBit存儲容量，其20 MHz的時鐘頻率，能夠很好地與STM32F103高達18 Mbit/s的SPI接口進行配合。

圖3 25LC512存儲器電路設(shè)計Fig.3 Schematic circuit of E2PROM 25LC512

為方便路由器參數(shù)配置和現(xiàn)場調(diào)試，載波路由器設(shè)計的紅外通信接口，如圖4所示。STM32F103的USART2輸出端U2IR_TX與定時器TIM2_CH2通道PA1引腳PWM輸出端，通過NC7S02或非運算后產(chǎn)生DL/T645所規(guī)定的(38±

1)kHz發(fā)射信號，可以十分方便地使用北京振中等電力抄表掌機的紅外接口，對路由器載波節(jié)點進行檔案配置和現(xiàn)場抄控。

圖4 38 kHz的紅外通信電路Fig.4 Schematic circuit of infrared communication interface in 38 kHz

2 路由協(xié)議和中繼模型

2.1 路由協(xié)議設(shè)計

電力載波集抄系統(tǒng)使用了DL/T645-2007協(xié)議，它是一個請求/應(yīng)答型協(xié)議，通常由集中器、采集器或掌機等抄表主機發(fā)起。當從機接收到需要處理的相應(yīng)任務(wù)幀時，它使用對應(yīng)的功能碼來指示正常響應(yīng)的數(shù)據(jù)項，或者通過對應(yīng)的差錯位及錯誤信息字來指示異常響應(yīng)。基本的DL/T645-2007協(xié)議幀如表1所示[11]。

載波路由器與網(wǎng)關(guān)/采集終端的上行通道使用標準的DL/T645-2007協(xié)議；對于下行的、與載波主控芯片通信的接口，則使用改造后支持中繼路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的擴展DL/T645-2007協(xié)議?？紤]到電力載波通信的抄表幀長一般較短，故在保留DL/T645協(xié)議幀基本功能的前提下，取消了后續(xù)幀概念以支持中繼路由配置。

本區(qū)表層土壤As含量的變化范圍為1.5～6.97 mg/kg，均值為3.65 mg/kg，遠遠低于廣西A層土壤幾何平均值(13.4 mg/kg)[20]，As含量值低于農(nóng)用地土壤污染風險篩選值(40 mg/kg)[4]，土壤環(huán)境質(zhì)量中單指標As處于清潔狀態(tài)。

表1 基本的DL/T645-2007協(xié)議幀基本結(jié)構(gòu)Tab.1 Basic structure of DL/T645-2007 protocol

注：前導碼為0至4個0xFE

重新定義的擴展了DL/T645-2007以支持3級路由中繼的控制碼C的結(jié)構(gòu)如圖5所示[12]。

為配合中繼命令幀內(nèi)的主站控制碼C的擴展，對DL/T645-2007數(shù)據(jù)域也進行相應(yīng)的擴充，即在數(shù)據(jù)域前部嵌入中繼路由表，同時對應(yīng)地更新了數(shù)據(jù)長度域L的值見圖6。

2.2 中繼模型建立

將電力載波集抄系統(tǒng)的載波芯片定為通信節(jié)點的圓心，并將其實際通信距離折合為半徑，以此等效成一個載波通信的蜂窩，則載波路由器可覆蓋的最大半徑為：路由器下掛的載波主控芯片覆蓋半徑R+ 從節(jié)點載波芯片覆蓋半徑R× 3級中繼，其模型結(jié)構(gòu)見圖7。

圖5 擴展的主站控制碼C的結(jié)構(gòu) Fig.5 Structure of extended control code C in master station

圖6 擴展DL/T645-2007數(shù)據(jù)域內(nèi)的路由地址表Fig.6 Routing address table in the extended DL/T645-2007’s data domain

圖7 電力載波3級中繼的蜂窩結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Cellular model with three-stage relay of PLC

為實現(xiàn)自動路由中繼功能，要求采集系統(tǒng)內(nèi)各載波從節(jié)點均應(yīng)支持中繼轉(zhuǎn)發(fā)與接收功能。載波路由器對各個載波從節(jié)點的路由搜索，就是相當于以路由器(載波主控芯片)為根節(jié)點，對采集范圍內(nèi)各載波從節(jié)點進行多叉樹分層遍歷的過程。

載波路由器自動中繼的基本思想是建立一個以路由器(載波主控芯片)為根節(jié)點的4層多叉樹查詢結(jié)構(gòu)，其邏輯分層見圖8。

圖8 電力載波中繼通信的邏輯層次圖Fig.8 Logic structure of relay communication for PLC

在特定的抄表時刻，小型載波路由器內(nèi)的各個載波從節(jié)點保留一條最近的成功路由。路由器將遍歷后的各載波從節(jié)點完整的中繼路由地址圖，存儲于外擴的E2PROM存儲器25LC512內(nèi)，以供下次抄表時，載波路由器的抄表組幀進程能夠直接調(diào)用。

3 軟件設(shè)計

小型載波路由器使用Keil開發(fā)平臺所集成的RTX實時操作系統(tǒng)[13-14]。根據(jù)中繼路由功能的要求，設(shè)計了USART3載波接收任務(wù)(優(yōu)先級1)、USART1上行645接收任務(wù)(優(yōu)先級2)、USART2紅外接收任務(wù)(優(yōu)先級3)、載波路由查找任務(wù)(優(yōu)先級4)，擴展645路由組幀任務(wù)(優(yōu)先級5)，USART3載波發(fā)送任務(wù)(優(yōu)先級6)、USART1上行645發(fā)送任務(wù)(優(yōu)先級7)、USART2紅外發(fā)送任務(wù)(優(yōu)先級8)和看門狗監(jiān)視任務(wù)(優(yōu)先級9)，共9個用戶任務(wù)。

圖9為USART數(shù)據(jù)幀的收發(fā)任務(wù)流程。為增加系統(tǒng)的抗干擾能力，USART串口均采用輪詢標志位方式進行數(shù)據(jù)收發(fā)的確認。

當串口USART接收到完整的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)時，將通過置位“幀OK信號量”通知相應(yīng)的處理任務(wù)進入就緒狀態(tài)，以便進行協(xié)議幀的解析、執(zhí)行和應(yīng)答。

圖10為路由器建立3級中繼功能路由圖的多叉樹搜索流程。

載波路由器抄表任務(wù)首先遍歷配置于25LC512內(nèi)的表檔案節(jié)點pn列表，標注直接抄表成功的表節(jié)點路由狀態(tài)標志k為1；接著，針對未能直接抄表成功的k=0表節(jié)點，依次以直接抄表成功的各個pn節(jié)點為一級中繼節(jié)點，構(gòu)建一級中繼抄表的擴展DL/T645-2007幀，遍歷剩余的未能直接抄表成功的pn節(jié)點；以此類推，中繼目的表節(jié)點均以上一級中繼成功表的路由圖為其中繼地址，完成二級中繼和三級中繼路由搜索；最后，對于三級中繼搜索仍未能成功點抄的余量節(jié)點，將由采集終端標記成節(jié)點抄表失敗并進行報警提示。

(a) USART數(shù)據(jù)幀的輪詢接收

(b) UART數(shù)據(jù)幀的發(fā)送圖9 USART數(shù)據(jù)幀的收發(fā)任務(wù)Fig.9 Flowchart for the Rx/Tx of USART

圖10 3級中繼路由搜索流程圖Fig.10 Flowchart for the three-stage relay process-ing of the router

4 測試與驗證

首先通過振中掌機TP900的紅外通信接口對路由器下的載波從節(jié)點檔案進行配置，此時載波路由器將按紅外命令記錄/刪除抄表節(jié)點的檔案信息，即路由器需要抄收的載波從節(jié)點序號和地址；接著配置載波路由器上行通信串口速率19 200 bps，下行的載波芯片串口通信速率9 600 bps；最后使用DL/T645-2007測試軟件和載波中繼集抄模擬臺區(qū)軟件，搭建圖11的測試系統(tǒng)。

圖11 模擬的載波中繼集抄臺區(qū)測試系統(tǒng)Fig.11 Simulated testing system for relay collecting platform of PLC

為測試載波路由器的中繼策略，配置載波中繼集抄模擬臺區(qū)軟件內(nèi)的測試節(jié)點數(shù)10個(地址1-10)，其中直抄表節(jié)點4個(地址1-4)，一級中繼節(jié)點2個(地址5-6)，二級中繼節(jié)點2個(地址7-8)，三級中繼節(jié)點2個(地址9-10)，如圖12所示。

注:直抄表1-4;一級中繼表5-6;二級中繼表7-8;三級中繼表9-10圖12 載波中繼通信模擬臺區(qū)Fig.12 Simulation platform for relay communic-ation of PLC

載波路由器經(jīng)過路由點抄學習后，建立完整的中繼路由地址圖。配置模擬臺區(qū)9號節(jié)點表的正向有功總能量數(shù)據(jù)為788 855.82 kW·h，并對9號節(jié)點的三級中繼電能表正向有功總能量數(shù)據(jù)項(DI:00010000)進行點抄。此時，由載波路由器組幀所發(fā)出，并成功接收到的擴展DL/T645-2007命令和應(yīng)答幀見圖13。載波路由器通過其自動中繼抄表機制所抄收到的有效數(shù)據(jù)內(nèi)容與模擬臺區(qū)軟件配置的正向有功總能量的數(shù)據(jù)值是一致的。

[發(fā)送數(shù)據(jù)] 68 09 00 00 00 00 00 68 71 16 34 33 33 33 33 33 38 33 33 33 33 33 3A 33 33 33 33 33 33 33 34 33 C8 16

[接收數(shù)據(jù)] 68 09 00 00 00 00 00 68 91 08 33 33 34 33 B5 88 BB AB E2 16

注：9號表正向有功總能量788 855.82 kWh，中繼路由圖為1?5?7?9

圖13三級中繼抄表的命令與應(yīng)答幀

Fig.13Thecommandandtheresponseframesofmeterreadinginthree-stagerelay

對路由器和載波中繼集抄模擬臺區(qū)軟件的測試節(jié)點數(shù)均設(shè)置64個，并在模擬集抄臺區(qū)軟件內(nèi)建立直抄、一級中繼、二級中繼和三級中繼表共4個層次結(jié)構(gòu)，其中每個層次隨機抽取16個節(jié)點，共進行了200輪的點抄測試實驗，路由器均能夠成功搜索和建立中繼抄表路由地址圖。該路由中繼技術(shù)結(jié)合福軟36-Ⅲ載波路由轉(zhuǎn)發(fā)機制，已經(jīng)成功應(yīng)用于福建工程學院高校節(jié)能監(jiān)管采集系統(tǒng)。圖14所示的是福建工程學院學生公寓Ⅰ區(qū)的地址100079號水表，通過載波中繼路由技術(shù)成功抄收的1 d用水數(shù)據(jù)。

圖14 學生公寓I區(qū)100079號水表日數(shù)據(jù)Fig.14 Daily data of Watermeter No. 100079 in the I district of Students’ Apartments

節(jié)能監(jiān)管水表采集子系統(tǒng)使用36 V雙絞線，配合載波通信和路由轉(zhuǎn)發(fā)機制，擴展了電力載波技術(shù)在能耗監(jiān)控中的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)語

針對高校節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)配電站分布離散、各站點表計規(guī)模不大，以及室外水表間距較遠，主水表數(shù)量不多的實際情況，所開發(fā)基于STM32F103的電力載波小型路由器，擴展了DL/T645-2007協(xié)議的定義，能夠可靠地建立3級中繼抄表路由圖，并實現(xiàn)水/電表的自動中繼抄表功能。該技術(shù)在低壓電力載波通信和智能水表遠程集抄領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，可以低成本地替代RS485實現(xiàn)能耗監(jiān)管和采集系統(tǒng)內(nèi)的遠程抄控。

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