基于WiFi的智能電表技術(shù)研究

1、分 數(shù): _ 任課教師簽字：_ 華北電力大學(xué)研究生結(jié)課作業(yè)學(xué) 年 學(xué) 期：2013-2014學(xué)年第二學(xué)期課 程 名 稱：Seminar課程學(xué) 生 姓 名：孟憲蓋學(xué) 號(hào)：2132215028提 交 時(shí) 間：2014年7月12日基于WiFi的智能電表技術(shù)研究摘要 介紹一種基于WiFi的智能電表系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法，給出智能電表系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)。通過在現(xiàn)有智能電表硬件上增加Wi-Fi通信模塊及接口電路，在軟件上增加對(duì) Wi-Fi模塊的驅(qū)動(dòng)和對(duì)TCP連接的數(shù)據(jù)收發(fā)管理，實(shí)現(xiàn)了智能電表對(duì)外的多路并行TCP通信，并可以通過參數(shù)設(shè)置，使智能電表可以工作于 AP和STA兩種工作模式。關(guān)鍵詞： 智能電表

2、Wi-Fi通信 無線傳輸Smart meter technology research based WiFiAbstract Introduced hardware and software method of a smart meter system based on Wi-Fi communication,given the whole framework of the smart meter system.By increasing the communication modules of Wi-Fi and interface circuits on the existing smar

3、t meter hardware,and increasing the drivring of Wi-Fi module and managing of sending and receiving to the connection of TCP on the software, the smart meter achieves external multi-channel parallel TCP communications, and can work in two modes AP and STA by being setted the parameters.Keywords: smar

4、t meter Wi-Ficommunication wireless transmission一 引言 出于加強(qiáng)用電監(jiān)管的要求，電力資源的緊張，發(fā)電、用電環(huán)境監(jiān)管要求日趨嚴(yán)格及能源政策的不斷調(diào)整，電力網(wǎng)絡(luò)跟電力市場(chǎng)、用戶之間的協(xié)調(diào)和交換越來越緊密，電能消耗的質(zhì)量水平要求逐步提高，可再生能源等分布式發(fā)電資源數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以支撐如此多的發(fā)展要求。為此人們提出了發(fā)展智能電網(wǎng)(smart grid)的設(shè)想，以實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)電網(wǎng)基礎(chǔ)上的升級(jí)換代。 智能電表是智能電網(wǎng)(特別是智能配電網(wǎng))數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一，承擔(dān)著原始電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基

5、礎(chǔ)。在智能電表基礎(chǔ)上構(gòu)建的高級(jí)量測(cè)體系(advanced metering infrastructure，AMI)、自動(dòng)抄表(automatic meter reading，AMR)系統(tǒng)能為用戶提供更加詳細(xì)的用電信息，使用戶可以更好地管理他們的用電量，以達(dá)到節(jié)省電費(fèi)和減少溫室氣體排放的目標(biāo)；電力零售商可以根據(jù)用戶的需求靈活地制定分時(shí)電價(jià)，推動(dòng)電力市場(chǎng)價(jià)格體系的改革；配電公司能夠更加迅速地檢測(cè)故障，并及時(shí)響應(yīng)強(qiáng)化電力網(wǎng)絡(luò)控制和管理。 國(guó)內(nèi)的智能電表的通信方式主要有RS-485通信、紅外通信、電力線載波通信、GPRS無線通信等，其中RS-485通信和紅外通信主要用于本地通信，而電力線載波通信和GP

6、RS無線通信主要用于遠(yuǎn)程通信。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)和構(gòu)建高級(jí)計(jì)量體系 的需求，對(duì)智能電表的通信性能有了更高的要求，智能電表的通信需要具備更高的實(shí)時(shí)性，需要更高的通信速率以承載大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)通信的安全性和通信網(wǎng)絡(luò)的接入也提出更高的要求。本文提出將WiFi無線通信作為智能電表的通信方式。通信技術(shù)正朝著IP化的方向發(fā)展，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球，WiFi 作為以太網(wǎng)的無線終端接入技術(shù)正在越來越普及，各種移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都已將WiFi 通信作為通信的必備功能。WiFi 通信已成為局域網(wǎng)的重要組成方式，電信運(yùn)營(yíng)商也正在鋪設(shè)越來越多的 WiFi 熱點(diǎn)，WiFi 通信已經(jīng)具備了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)環(huán)境

7、。同時(shí)，由于 WiFi 通信采用的是無線通信方式，使得智能電表的安裝無需鋪設(shè)專門的通信線路，具有很高的安裝便利性。 在滿足智能電表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，將 WiFi 通信加入到智能電表的通信方式之中，以滿足高速、實(shí)時(shí)的通信需求。二 WIFi通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)1. 相對(duì)藍(lán)牙技術(shù)，更適合中國(guó)普遍的公寓住宅樓情況下的家用電系統(tǒng)； 無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右約合15米，而Wi-Fi的半徑則可達(dá)300英尺左右約合100米，辦公室自不用說，就是在整棟大樓中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交換機(jī)。據(jù)悉，該款產(chǎn)品能夠把目前Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)

8、300英尺接近100米的通信距離擴(kuò)大到4英里約6.5公里。2. 傳輸速率更適合AMR基礎(chǔ)上的AMI、智能電表； 雖然由Wi-Fi技術(shù)傳輸?shù)臒o線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進(jìn)，但傳輸速度非?？欤梢赃_(dá)到11mbps，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。3. 作為電能消耗的信息反饋的技術(shù)和設(shè)備，其推廣障礙低； 廠商進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低。廠商只要在機(jī)場(chǎng)、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，并通過高速線路將因特網(wǎng)接入上述場(chǎng)所。這樣，由于“熱點(diǎn)”所發(fā)射出的電波可以達(dá)到距接入點(diǎn)半徑數(shù)十米至100米的地方，用戶只要將支持無線LAN的筆記本電腦或PDA拿到該區(qū)域內(nèi)，即

9、可高速接入因特網(wǎng)。也就是說，廠商不用耗費(fèi)資金來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線接入，從而節(jié)省了大量的成本。4. 對(duì)人體輻射小，健康； IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100毫瓦，實(shí)際發(fā)射功率約6070毫瓦。 手機(jī)的發(fā)射功率約200毫瓦至1瓦間，手持式對(duì)講機(jī)高達(dá)5瓦，而且無線網(wǎng)絡(luò)使用方式并非像手機(jī)直接接觸人體，應(yīng)該是絕對(duì)安全的。 圖1-1 802.11b/a/g/n對(duì)比 通過上圖觀察得知，WiFi是基于802.11一系列協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)和無線設(shè)備兼容。隨著無線設(shè)備的對(duì)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的互通支持，滿足WiFi對(duì)傳輸速率和覆蓋范圍的提升和潛力拓展。對(duì)于智能電表的實(shí)際需求，這是最好的滿足。WiFiUWBBlue ToothZ

10、igBeeGPRS/GSM成本較高最高較低最低高于UWB電池壽命（天）0.5至51-10h1至7100-10001至7有效傳輸距離（米）1-1001-301-10+255/65,0001,000+傳輸速率5.5/11Mbps40-600Mbps1-3Mbps20/40/250kBps64-128+ kBps采用協(xié)議802.11bDS-UWB/MBOA1xRTT/CDMA通信頻帶2.4Ghz2.4Ghz2.4Ghz/868Mhz/915Mhz900/1800/1900Mhz適合傳輸?shù)膬?nèi)容圖像視頻圖像監(jiān)測(cè)信號(hào)聲音&數(shù)據(jù)圖1-2 WiFi與其他無線通信方式的性能比較在滿足未來智能電表適應(yīng)性方

11、面，通過對(duì)這幾種無線通信方式相比較得出，WiFi有安全性問題，ZigBee有速率限制問題，GPRS有費(fèi)率昂貴問題，BlueTooth有距離問題，UWB有電池壽命問題。三 智能電表在智能電網(wǎng)中的定位 1.智能電表的概括功能為高級(jí)測(cè)量、高效控制、高速通信、快速儲(chǔ)能。 2.智能電表及 AMI 的建立是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。從功能的多少和智能化的程度將智能電網(wǎng)的建設(shè)以及智能計(jì)量系統(tǒng)的建設(shè)分為 5 個(gè)層次 圖3-1 智能計(jì)量系統(tǒng)與智能電網(wǎng)功能概況智能電表是以微處理器應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的智能化儀表，具有自動(dòng)計(jì)量/測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、雙向通信和功能擴(kuò)展等能力，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向計(jì)量、遠(yuǎn)程/本地通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、多種

12、電價(jià)計(jì)費(fèi)、遠(yuǎn)程斷供電、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、水氣熱表抄讀、與用戶互動(dòng)等功能。以智能電表為基礎(chǔ)構(gòu)建的智能計(jì)量系統(tǒng)，能夠支持智能電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷管理、分布式電源接入、能源效率、電網(wǎng)調(diào)度、電力市場(chǎng)交易和減少排放等方面的要求。四 基于WIFI通信的智能電表圖 4-1 智能電表工作于AP模式圖 4-2 智能電表工作于STA模式 智能電表有AP、STA兩種工作模式，表根據(jù)實(shí)際情況的需要會(huì)自動(dòng)選擇何種工作方式。在沒有公網(wǎng)或?qū)Ｓ肳iFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，智能電表工作于AP模式，自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的WiFi通信，實(shí)現(xiàn)本地抄表/人工抄表。在有公網(wǎng)或?qū)Ｓ肳iFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，智能電表工作于STA模

13、式。通過無線傳輸?shù)綗o線AP，再有線傳輸?shù)娇刂浦行?，借助有線傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。圖4-3 基于WiFi的用電采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)包括智能電表、WiFi無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和控制中心。WiFi通訊模塊采集用戶電表的信息，并將其處理后通過WiFi 無線通信方式，如距離較遠(yuǎn)通過無線中繼器，發(fā)送到AP接入點(diǎn)。 接入點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)傳送至控制中心。五 硬件搭建 基于WiFi通信的智能電表采用K30系列的MK30N512VMD微控制器作為核心處理單元。K30采用DSP指令集的32位ARMCortex-M4內(nèi)核，工作頻率可達(dá)100Mhz，RAM容量128KB，F(xiàn)lash容量512KB。K30工作電壓為

14、1.7-3.6V，集成功耗模式管理器，支持10多種功耗模式，內(nèi)置DMA控制器，提供32個(gè)完全可編程通道；集成16位SAR ADC，最大可支持位4路差分信號(hào)和24路單端信號(hào)的模擬量輸入，最大支持48路信號(hào)輸入，其中段碼信號(hào)最大支持44路，公共端信號(hào)4路。在通信接口上，K30支持CAN、IIC、SPI、UATR等通信接口。 WiFi部分采用BCM8000模塊作為構(gòu)建智能電表的接入設(shè)備，其工作電壓3.3V，滿足802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，具備UART、SPI、USB等多種通信接口。BCM8000支持STA和AP兩種組網(wǎng)模式，在AP模式下，BCM8000可在無需額外AP支持的情況下與其它設(shè)備建立Wi-Fi

15、連接，并支持DHCH服務(wù)。 WiFi-VDD為Wi-Fi電路電源，由電表內(nèi)部的3.3V數(shù)字電路V3P3提供，WiFi-VDD受K30的IO引腳PTE2控制。由于BCm8000內(nèi)部沒有復(fù)位電路，為保障模塊上電后能正常工作，對(duì)BCM8000復(fù)位也需要控制。因?yàn)镵30的IO引腳已經(jīng)全部被占用，所以新加MAX706來對(duì)BCM進(jìn)行上電復(fù)位；K30和BCM8000之間的數(shù)據(jù)交換通過串行通訊口UART進(jìn)行，由于兩者都是使用3.3V的TTL電平作為邏輯1，所以不需要電平轉(zhuǎn)換。BCM8000的RXDH和TXDH分別對(duì)應(yīng)連接到K30UART的TX和RX引腳。圖 5-1 WiFi通信電路設(shè)計(jì)六 軟件設(shè)計(jì)關(guān)于智能電表

16、的軟件設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和電表廠家已經(jīng)做了大量的工作。這里著重介紹在智能電表內(nèi)實(shí)現(xiàn) WiFi 通信的相關(guān)部分。智能電表借助于 BCM8000可以工作與 AP 模式和STA模式，同時(shí)采用TCP連接，智能電表建立偵聽，對(duì)收到的請(qǐng)求做出響應(yīng)，智能電表不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，考慮智能電表內(nèi)部資源的局限性，本文的設(shè)計(jì)中最大同時(shí)支持 3路TCP連接。應(yīng)用層的通信協(xié)議采用國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的DL/T645-2007通信規(guī)約。由于通信模塊TCM8000本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了TCP協(xié)議，本文的工作主要是使用 TCP 的編程命令對(duì)模塊進(jìn)行初始化和 TCP數(shù)據(jù)收發(fā)，所有的操作都是通過UART2串口通信進(jìn)行。WiFi通信的軟件實(shí)現(xiàn)分

17、為三大模塊：模塊初始化、編程命令通信和數(shù)據(jù)收發(fā)控制。( 1) 編程命令通信圖6-1 編程通信命令流程 編程命令通信是 WiFi模塊操控的基礎(chǔ)，WiFi模塊的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)收發(fā)都是通過串行通信接口的編程命令通信來進(jìn)行的。在本文的設(shè)計(jì)中，K30與 BCM8000采用 UART異步串行通信接口進(jìn)行通信，串口通信接口設(shè)置為：57600bps 波特率，1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，不采用奇偶校驗(yàn)。 UART的字節(jié)發(fā)送和接收都采用中斷的方式，在編程命令發(fā)送完畢后，K30反復(fù)檢測(cè)接收的數(shù)據(jù)，接收到正確的應(yīng)答則返回通信成功標(biāo)識(shí)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到正確的應(yīng)答，則重發(fā)編程命令。如果3次重發(fā)

18、都沒有收到正確的應(yīng)答，則判定此次編程命令通信失敗。由于BCM8000 內(nèi)置的處理器運(yùn)算能力較強(qiáng)，在正常的情況下，收到K30 發(fā)送的請(qǐng)求后會(huì)很快做出應(yīng)答，所以接收超時(shí)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，同時(shí)，本文的設(shè)計(jì)中，每次通信的數(shù)據(jù)量不超過256字節(jié)，在57600bps 的通信速率下，耗時(shí)也很小，所以本文中采用的超時(shí)時(shí)間為 100ms。( 2) 模塊初始化圖6-2 WIFi模塊初始化流程 模塊初始化包含模塊硬件復(fù)位、參數(shù)設(shè)置和軟件復(fù)位。硬件初始化是對(duì) WiFi塊重新掉上電，通過在WiF模塊電源控制引腳PTE2 輸出高電平使Wi-Fi模塊掉電，延時(shí)100ms 后，PTE2 恢復(fù)低電平。在 Wi-Fi 工作期間，PT

19、E2 始終保持低電平。參數(shù)設(shè)置包括無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和TCP 連接參數(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)包含 WiFi 模塊的 MAC地址，Wi-Fi信道、SSID、安全認(rèn)證機(jī)制及密碼等，如果 Wi-Fi模塊工作在 AP模式，還需設(shè)置IP地址和DHCP服務(wù)參數(shù)。TCP連接參數(shù)包括TCP偵聽端口、最大允許連接數(shù)、幀最大長(zhǎng)度、TCP連接超時(shí)時(shí)間等。所有這些參數(shù)都作為智能電表參數(shù)的一部分存放在智能電表的存儲(chǔ)芯片內(nèi)，在初始化過程中逐一通過Wi-Fi 模塊的編程命令設(shè)置到模塊中，如果在設(shè)置過程中有一個(gè)參數(shù)設(shè)置不成功，則判為所有參數(shù)設(shè)置失敗，需對(duì)Wi-Fi模塊掉上電后從第一個(gè)參數(shù)開始設(shè)置。 軟件復(fù)位是通過向模塊發(fā)送軟件復(fù)位命令來實(shí)現(xiàn)，

20、由于模塊收到復(fù)位命令后立即重啟，所以軟件復(fù)位命令無需等待模塊應(yīng)答。當(dāng)軟件復(fù)位完成后，需要通過命令查詢 TCP Server服務(wù)是否已啟動(dòng)來最終判斷初始化是否成功。 模塊初始化在智能電表上電后調(diào)用一次，如果這次初始化不能成功，智能電表會(huì)在后面的通信流程中進(jìn)行查詢初始化成功標(biāo)志，重新初始化。同時(shí)，在通信流程中，智能電表也會(huì)對(duì) Wi-Fi模塊的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)Wi-Fi 模塊工作異常時(shí)，也會(huì)對(duì)模塊重新初始化。( 3) 數(shù)據(jù)收發(fā)控制圖6-3 數(shù)據(jù)收發(fā)流程智能電表的Wi-Fi通信鏈路層采用TCP連接，應(yīng)用層遵循 DL/T645-2007 規(guī)約( 簡(jiǎn)稱 645 規(guī)約) 。645規(guī)約是一種半雙工的通信協(xié)議，接收和發(fā)送共用一個(gè)緩沖區(qū)。同時(shí)按照645 規(guī)約，智能電表不主動(dòng)對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，智能電表的通信都是接收驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)應(yīng)答方式。每次進(jìn)行通信前，智能電表會(huì)查詢 TCP Server 是否正常工作，如果 TCP Server出現(xiàn)異常，則必須對(duì) Wi-Fi模塊進(jìn)行復(fù)位并重新初始化。因?yàn)橹悄茈姳碜鳛?TCP