- 品牌/商標：菲尼克斯
- 企業類型：貿易商
- 新舊程度：全新
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1 引 言
低壓電力線是為傳輸50Hz 的工頻電能而鋪設的，是一種分布非常廣泛的線路資源，長久以來，人們一直試圖通過它傳輸數據和語音信號。隨著近幾年信號調制技術的進步、嵌入式軟硬件技術的發展和新型集成電路的不斷出現使得電力線通信（PLC）逐步從實驗室走向實用，成為具有良好發展前景的通信技術之一。本文給出了基于PLC 技術的遠程單相復費率電表（簡稱基于PLC技術的遠程電表）的設計與實現。
2 硬件總體設計
基于PLC 技術的遠程電表硬件部分包含MCF5271 主控板、電量采集板和PLC調制解調器，三部分電路板相對獨立，并沒有設計在一塊電路板中電量采集板負責采集電量，MCF5271 主控板通過SPI、I2C 等接口與電量采集板進行數據傳輸，同時通過符合IEEE802.3 規范的MII 接口與PLC 調制解調器進行以太幀數據傳輸，PLC 調制解調器負責以太幀和電力線通信數據之間的轉換。
3 MCF5271主控板設計
MCF5271主控板的設計參考了Freescale公司的MCF5271評估開發板的設計原理MCF5271評估開發板使用的ColdFire微處理器為196引腳的BGA封裝，焊接比較困難，而且160引腳QFP封裝的芯片與之功能相似，同樣可以滿足本設計需要的功能同時易于焊接，故使用QFP160封裝的芯片做主控板。主控板與PLC調制解調器接口的主要部分為MII接口，所以略去了主控板與PLC調制解調器接口的介紹，而代以介紹MCF5271微處理器與INT5500之間的通過MII接口的連接。
1、MCF5271主控板板的存儲器擴展
MCF5271具有外部總線接口，數據總線寬度為32位D[31∶0]，尋址范圍可以達到32位，與外界存儲器相連的地址總線寬度為24 位A。MCF5271主控板中擴展了一片1M×16位的Flash存儲芯片AM29LV 160DB，地址總線為20位，連接MCF5271的地址總線A[20∶1]，數據總線為16位，連接D[31∶16]。兩片8M字節的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址總線寬度為12位，數據總線寬度為16位，兩片芯片使用共同的地址總線A[21∶15]和控制信號，數據總線分別連接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。
2、MCF5271與INT5500的連接
INT5500工作在PHY模式下的時候類似于以太網物理層芯片，可以與帶有MII接口的MCU相連。由于此時INT5500工作在PHY模式下，所以MII接口的信號方向與Host/DTE模式下的方向相反。
MCF5271芯片MII接口的信號線可以分為三組：用作數據管理的信號線EMDIO和EMDC；反映介質狀態的信號線ECOL和ECRS；其余為接收/發送信號線。
EMDIO為雙向信號，在INT5500和MCF5271之間傳輸控制信息和狀態信息?？刂菩畔⒂?/span>MCF5271發給INT5500，狀態信息由INT5500反饋給MCF5271。EMDC為輸出信號，作為EMDIO數據傳輸的參考時鐘。
ECOL為輸入信號，該信號有效時，表示檢測到傳輸介質上有沖突。ECRS為輸入信號，該信號有效時，表示檢測到傳輸介質忙；否則表示傳輸通道處于空閑狀態，可以進行傳輸。
ERXD[0-3]用來接收INT5500發送的4位數據；ERXDV用來表示從INT5500接收到的數據是否有效，高電平為有效；ERXCLK為INT5500提供給MCF5271的數據接收時鐘信號，其工作頻率為數據接收速度的25%；ERXER為輸入信號，該信號有效時表示檢測到當前在INT5500上傳輸的幀出錯。
ETXD[0-3]用來向INT5500發送4位數據；ETXEN為輸出信號，該信號有效時表示MII總線上有數據，可以啟動發送操作。ETXCLK為輸出信號，作為數據發送的參考時鐘信號。
4 電量采集板
電量采集板電路包括電量采集電路、ADE7756與主控芯片的通信接口、實時時鐘芯片PCF8563的工作電路與對外通信接口。
1、電量采集電路
其中CT為電流互感器，電量采集芯片為ADE7756。電路中電壓和電流輸入通道均采用差分信號輸入。普通電力線中的電流經過電流互感器CT后接到實際負載上，電流互感器將電流轉換成電壓信號，再經過R1與C4、R10與C6組成的濾波電路濾波后進入ADE7756的差分信號輸入引腳V1P和V1N。電力線的220V電壓信號經過R7、R6和R8分壓及R8與C8組成的濾波電路濾波后轉換為250mV的電壓信號，作為AED7756的V2P的輸入。
2、ADE7756與MCF5271主控板的接口模塊
ADE7756與MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反饋信號。使用兩片7404芯片對輸入輸出信號進行電壓轉換。7404芯片內部含有6路緩沖器，本設計中使用了每片芯片中的4路緩沖器，7404芯片為漏極開路輸出，所以從主控芯片方輸入的5V/3.3V信號經過7404后都可以轉換為5V信號。向主控芯片方輸出的信號可以轉換為3.3V信號。
IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS 和OUT_DOUT引腳為SPI接口的引腳；IN_RESET為從主控芯片方輸入的復位控制信號；OUT_IRQ為ADE7756的中斷請求輸出信號；OUT_ZX為通道2的電壓波形過零輸出引腳，用于對電力線進行過零檢測；OUT_SAG為電力線電壓過低和5V工作電壓過低檢測輸出信號。
3、實時時鐘模塊
PCFB_563通過紐扣電池供電，MCF5271主控板通過I2C接口與PCF8563進行通信，SCL為主控芯片發送的時鐘信號，SDA為數據雙向數據通信引腳。主控芯片可以設置PCF8563當前時間和讀取PCF8563當前時間。
5 系統軟件設計
基于PLC技術的遠程電表的軟件可以劃分為兩個部分：主控芯片方程序以及與后端軟件的接口，兩者相互獨立。主控芯片方軟件主要完成以下功能：
（1）定時電量采集：與ADE7756通信，通過SPI接口讀取電量數據；
（2）電量數據存儲：讀取實時時鐘獲得當前時間，判斷當前時段，將讀取到的電量數據按照時段進行相應存儲；
（3）數據通信和加密解密：接收和解析后端軟件發送的命令數據包、構造和發送應答數據包；并完成命令數據的解密和應答數據的加密；
（4）命令響應：對后端軟件發送的命令做出響應；
（5）掉電處理：檢測到電壓過低和掉電情況后及時進行重要數據存儲。
后端軟件接口主要包含通信協議的設計，如果將接口設計的比較合理，則對于后端軟件的開發人員來說相當方便。
根據以上功能分析，軟件共劃分為5個模塊：電量采集和存儲模塊、數據加密解密模塊、嵌入式以太網模塊、掉電處理模塊和命令響應模塊。
電量采集和存儲模塊完成定時電量采集和電量數據存儲功能；
數據加密解密模塊用來對后端軟件的命令解密和本地應答數據的加密；
嵌入式以太網模塊完成數據通信功能，該模塊包含與PLC 調制解調器的通信的底層驅動程序，同時包含網絡協議，負責網絡數據的解包打包功能；
掉電處理模塊完成檢測到電力線電壓低于閾值時對重要數據的存儲；
命令響應模塊對后端軟件的命令進行響應。
閱讀全文(258) | 回復(2)如果前段有PLC或者集抄器的話，完全可以采用另外一種方式，通過廈門四信的DTU作為傳輸模塊，通過GPRS網絡把PLC采集到數據穿回到數據中心。
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部分 概述
隨著工業自動化的發展，在原有的人工手動抄表中已經發展到遠程智能抄表，通過現有的網絡智能化的從遠端把需要的數據采集到一起，那么，在很多必須無人值守的設備或監測點，不適合搭建有線通訊網絡。若采用光纖或電臺的方式實現無線通訊，不僅設備投入耗資巨大，而且不適應移動的需要。
隨著新一代移動通訊業務的產生和全面投入，無線移動數據通訊的應用也越來越廣泛。安全的數據傳輸和永遠在線特點，配合按流量收費的資費方式，使GPRS通訊在工業控制、環境保護、道路交通、商務金融、移動辦公、零售服務等行業中的應用具有無可比擬的性價比優勢。采用GPRS無線通訊網絡的移動IP通訊，既可獨立作為數傳通道，也可作為已經架設光纖、數傳電臺等方式的輔助手段。
GPRS遠程抄表系統是廈門四信通信科技有限公司和系統集成商合作開發的基于GPRS技術的用電管理自動抄表系統。它由電度表、F2103 GPRS IP MODEM、采集器及中心服務器組成。采集器實時采集用戶的用電數據，通過GPRS網絡把數據匯集到服務器。具有采集數據快速準確，能快速生成用電統計分析,交費單據等特點，與傳統的人工抄表、電話線抄表相比，極大地提高了效率。
本系統除了準確、實時抄表外，還提供了設備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過載告警等；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數據保護功能，在停電48--72小時內仍可抄表和監控。本系統結合聯通公司的短信平臺，在告警時，可根據具體內容發短信給相關的管理人員。
本系統提供豐富的接口，可與電業系統的MIS系統鏈接或進行二次開發。
抄表軟件系統數據庫為ORACLE數據庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統，易于使用。軟件所能管理的用戶數量沒有限制。
第二部分 項目分析
本系統由電度表，采集器，F2103 GPRS IP MODEM傳輸終端，帶系統軟件的主站組成。手持終端是本系統的補充，在系統出現意外時進行人工抄表。
2.1系統組成
2.1.1 電能表： A）三相有功無功多功能表，有功0.5級、無功2級，具有RS485通訊接口，電力部DL/T645通訊規約。或者使用：B）三相有功復費率表，有功1級，具有RS-485通訊接口，電力部DL/T645通訊規約。
2.1.2 采集器：采集器主要特征如下：采用24個I/O口，可帶24戶電度表，停電數據保護，帶后備電源，停電后仍可抄表。
2.1.3 傳輸終端： 傳輸終端采用廈門四信的F2103，實時在線，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧，透明傳輸，同時支持RS232和RS485，支持多種工作模式，支持虛擬數據專用網。
2.1.4 中心軟件系統：基于ORACLE數據庫的抄表軟件，用戶數量無限制，安全可靠，運行和處理速度快 ，功能豐富完善。
2.2 系統總架構
多個電表通過RS485通信接口把電表數據傳到采集集中器上，采集集中器通過RS485通信接口和四信通信的IP modem（F2103）連接，遠程數據中心服務器可以使用APN專線或普通ADSL等作為網絡接入。當F2103通過GPRS網絡連接到遠程數據中心服務器主機，建立透明數據通道后，采集終端產生的數據只要送到串口，F2103就會把收到的數據原封不動地發送到數據中心服務器主機；同時服務器主機下發的命令通過通道傳輸到F2103后，F2103通過串口送到采集終端，從而實現了數據雙向透明傳輸。系統拓撲圖如下圖所示：
2.3系統功能
（1）設置電能表的參數，讀取各種計量和管理數據；
（2）抄表數據的統計、查詢、備份、報表、圖表生成；
（3）廠站管理；
（4）自動抄表、定時上報、實時查詢等；
（5）掉電數據保存；
（6）瞬時量數據的綜合處理；
（7）系統數據備份、存檔和向外輸出數據；
（8）歷史數據事件記錄功能；
（9）實時報警；
（10）根據線路上的表計關系計算線路損耗；
（11）可提供多路模擬量、開關量輸入，實現開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過壓告警、過流告警、過載告警、傾斜或移動報警等其他功能；
（12）遠程控制斷電功能；
（13）采集的參數豐富，如：a.當前、上月、正向有功、反向有功、無功四象限的總及尖、峰、平、谷四費率電量；b.正向、反向、有功、無功的需量及需量發生時間；c有功功率、無功功率、三相電壓、三相電流、功率因數；d失壓累計次數、失壓累計時間、集抄器停電起止時間等；e單位時間負荷曲線、三相電流曲線、三相電壓曲線、有功功率曲線、無功功率曲線、功率因數曲線。
第三部分 項目架構實施
3.1 傳輸模塊與采集終端連接
四信的F2103無線傳輸模塊同時支持RS232/485接口，可通過RS232/485與終端通訊。本系統采用的是485的接口方式。F2103和采集器的接線線序如下：
3.2 數據中心網絡接入方式分析
1. APN專線接入
中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP，客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。
為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。
用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地功能）。只有通過的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。
用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過的用戶分配用戶內部地址。
移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。
中心采用APN專線接入的方式，在實時性，安全性和穩定性表現優異，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之組網方式。
2. ADSL撥號連接（動態公網IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的?？蛻粝扰cDNS服務商聯系開通動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。
3. 通過固定公網IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。雖然申請固定IP費用比較貴，但其運行可靠穩定，組網方式簡易方便，深受廣大用戶的青睞，一般推薦此種方案。
3.3 無線數據傳輸方式
傳輸設備采用廈門四信的F2103，其功能齊全，性能穩定，簡單易用，它是一款工業級別的無線傳輸終端，已經廣泛地應用在各種各樣的工業，金融場合。
終端設備和傳輸設備連接好后，設置好各種通訊參數，工作模式后，在傳輸設備F2103中填入數據中心的地址和應用程序的端口號。這樣當終端設備數據傳給傳輸設備F2103，F2103就會把數據透明地傳輸到中心。
終端設備支持多種中心模式（主備中心，多中心），多種激活模式（電話，短信，數據），多種工作模式（TCP，UDP，telnet等），方便用戶組網和各種系統需求。心跳包機制，注冊包機制，數據幀可控，重連機制等多種機制不僅保證設備實時在線，而且穩定可靠，同時方便客戶根據現場的情況，來設置各種傳輸參數，進而達到效果。
3.4 數據中心軟件平臺構建
抄表系統的部分是系統軟件，它遵循DL/T645部標通訊規約，并有擴展性。
具有四信通信的GPRS無線模塊的中心端軟件建有多種方式，對于傳入數據的方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實現中心端的數據接收和現場設備的管理。
目前四信提供三種方式的中心接口：
首先是對于組態軟件，目前很多組態軟件廠家已經集成了四信通信的驅動了，可以直接配置使用；其次對于原本是讀串口的程序，為了兼容原來的系統而不做開發工作，我們提供一個虛擬串口軟（TCP2COM）；后是對于想開發自己獨有的數據中心軟件的客戶，會提供一個動態鏈接庫及四信公司的測試版數據中心軟件，不僅開放源碼還全程協助客戶進行自己數據中心軟件和功能的開發。客戶可能通過動態鏈接庫快速開發一個靈活的，穩定的，功能齊全的終端管理和數據交互的中心軟件。
如下是該系統的中心站軟件：個圖式web界面的，第二個圖是用VB開發的中心站。
在系統安全方面，本公司除了采用大型、多用戶的ORACLE數據庫、系統對用戶實現分級授權管理和提供防火墻功能及完善的數據備份功能外，對網絡無線數據監控中心還提供了安全技術解決方案，以確保數據安全可靠。
三．設備的特點和參數
1.電能表
DTS866型三相四線電子式有功電子式電能表，使用在供電部門、工廠、企業、商業、農業的動力、照明設備的有功電能計量。用于計量頻率為50Hz的交流三相有功電能,并電量采用計度器顯示，讀數直觀便于抄表,本儀表可擴展紅外和RS485通訊功能，為三相電能測量提供先進、可靠的計量工具。本儀表符合標準DL/T 645-1997《多功能表通訊規約》和GB/T 17215.321-2008《1級和2級靜止式交流有功電度表》。
2.F2103通信模塊
F2103 GPRS IP MODEM采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。公司產品已廣泛應用于金融，水利，環保，電力，郵政，氣象等行業。
它具有豐富的軟件功能：
1. 智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虛擬數據專用網（APN）
4. 透明數據傳輸與協議轉換，支持多種工作模式
5. 支持數據中心動態域名和IP地址訪問
6. 支持雙數據中心備份
7. 支持多數據中心
8. 支持短信、語音、數據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。
9. 支持短消息備份及告警。
10. 多重軟硬件看門狗
11. 數據包傳輸狀態。
12. 標準的AT命令界面
13. 可以用做普通撥號MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持遠程配置，遠程控制
16. 通過串口軟件升級
17. 同時支持LINUX和WINDOWS操作系統
四．總結
GPRS電力遠程抄表系統采用廈門四信通信的F2103 GPRS傳輸終端，實現了實時在線，永遠在線，穩定可靠的數據傳輸。在成熟的GPRS網絡上構建無線數據網絡，使在電力遠程抄表實現無線數據傳輸的成本和技術大為降低。而且廈門四信通信的F2103 GPRS傳輸終端工業級設計，組網靈活，安全可靠，實時在線的特點很適合運用在電力行業。
