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为远程抄表系统构建智能化电力载波通信网络作者：于常涛 弥亚微产品应用工程师 项目经理前言：在电力远程抄表这一领域，电力线载波通信（PLC）经历了十多年的发展，到目前已取得了长足的进步，并逐步进入规模实用阶段。特别是最近电力远程抄表(AMR)系统在黑龙江、湖南等地的成功规模化商用，标志着PLC技术、芯片组及其网络系统已日渐成熟，市场有望步入快速增长乃至井喷阶段。电力线网络作为一种通信媒介，是世界上分布范围最广的、最现成的通信资源。把这种无所不在的通信资源加以利用，构建成为技术过硬，架构简洁，成本低廉的AMR系统，将是电力线载波通信技术具有的最大优势。然而，我国的低压电网具有网上用户众多，网络拓扑非常复杂，负荷设备特性迥异，信道随机性很强等特点。非平稳的时变干扰，以及动态低线路阻抗所引起的信号衰减，对于构建一个稳定可靠的PLC通信网络来说是一个富于挑战性的课题。目前，行业内芯片设计者主要着眼于物理层通信性能的提升，尤其是在抑制噪声、提高PLC通信的抗干扰能力等方面；而对网络阻抗严重不匹配造成的信号衰减，乃至载波陷阱等则显得无能为力。正因如此，近年来中继技术，自动路由技术渐成为克服线路衰减，提高通信信噪比的又一主要手段。但行业内对这一技术手段的研究仍处于刚刚起步阶段，不仅可靠性得不到保证，而且不论在系统网络初期构建还是后期维护均需要大量的人工手动参与，从而使产品大规模产业化面临极大的挑战。弥亚微电子历经两年时间的研究开发，将于近期向市场推出基于智能网络构建技术的电力载波通信系统解决方案MASTERTMA100电力载波通信平台。该电力载波通信平台将为用户提供从物理层、链路层、网络层以及应用层接口等各项协议功能的的系统解决方案，以实现高可靠的电力载波通信和智能化网络构建与维护，以解决目前大面积推广远程抄表系统的瓶颈。下文将从用户关心的若干角度系统的阐述MASTERTMA100电力载波通信平台基本特性。一、物理层可靠的通信能力是构建通信网络的基础MASTERTMA100平台基于弥亚微电子高性能电力载波通信芯片Mi200E来构建底层载波通信系统。Mi200E凭借准确的低压载波信道模型设计、准确的市电检测算法、专有技术的调制解调算法，可以完全应对电网的恶劣环境。Mi200E利用了电力线信道周期性平稳这一特性，有效地避开了重负载时区，深度挖掘了物理层的通信潜力。比如在Mi200E芯片的设计中充分考虑了电网环境中的电子日光灯镇流器、开关电源、家用电器、电动机等各类干扰与信号衰减。Mi200E采用了独特的数字功放技术，能以极高的效率对输出信号进行线性放大，提高了有效输出功率，并将输出信号的带外控制在-40dB以下。并且内置数字功放和模拟数字转换电路的存在，不需要额外模拟前端电路，应用简洁，大幅度降低了载波表的成本。 同时Mi200E 的各项物理指标均满足EN50065-1 以及IEC61000-3-8 的标准要求。图1： Mi200E 系统结构图图2： Mi200E EMI特性检测图Mi200E拥有1600bps、800bps、400bps和200bps四种通信速率可选。通过 MASTERTMA100平台可以经主站对整个系统的通信速率进行自适应调整。通过网络速率的调整，可以实现网络性能的最优化，在信道质量比较好的情况下，可以选用高的通讯速率，提高效率，而在信道质量相对较差的情况下，则可以选用较低的通讯速率，以保证数据有效的传输。二、高效智能化网络协议实现系统“自动组网、自动维护”MASTERTMA100平台内置的弥亚微先进的网络协议MPP（Miartech Powerline Protocal）。该协议遵循OSI分层体系架构，提供简单易用API函数，拥有自动路由、自动中继功能，能智能化的实现高效自动组网功能。同时为了有效电力线网络中的衰减，MPP提供的中继深度高达16级，在实际应用中采用8级即可满足一般网络需求。网络自动构建MASTERTMA100平台通过MPP可以实现自动获取台区下所有电表的信息，智能地完成网络构建。现今，业内若干的载波通讯系统并不具备智能组网的功能，以一个小区抄表系统的构建为例，常规的方法为，一个台区下的众多载波表全部安装完毕后，集中器无法获知网络中电表的信息，需要靠人力对台区下所有电表档案进行整理，输入系统主站抄表软件中，然后告知集中器，集中器依据获取的电表信息来完成网络构建。很显然，如果档案归档错误，那么必然导致归档错误电表没有办法加入到网络中来，并且人力的档案输入是一项繁重的工作。与此完全不同的MASTERTMA100系统，会自动获取台区下所有电表的信息，智能地完成网络构建，并且会将电表信息传送至主站抄表软件，大大降低了人力的工作量，高效准确。组网效率，以200户住宅小区为例，组网时间最快10分钟完成。自动路由、自动中继MASTERTMA100平台依据MPP网络协议，具备自动路由、自动中继的功能。网络中的所有节点，除了节点本身应该具备的用户应用功能外，同时兼具路由器与中继器的功能。对于下行，集中器负责整个网络拓扑的管理负责整个网络拓扑的管理，维护着学习到的、所有到达网络从节点的多条路由链路信息，并筛选出最优的链路作为到达从节点的当前路径选择。如果当前路径存在问题，则会依据筛选则，替换当前的路径选择。对于上行，加入到网络中的节点会根据不同的情况，自动做出上行路由选择上的调整。自我学习型网络MASTERTMA100平台支持一个自我学习型的网络。电力线信道是一个变化的信道，如白天和晚上、夏季与冬季，信道都有可能发生一定的变化。信道的变化可能会导致的一个结果就是，网络构建当时或者初期的一段时间内，系统可以正常的工作，但是随着时间的推移，系统性能会变差，特别是业内部分载波通信系统是依据固定路由而组建的网络，这个问题会更加突出。鉴于此，载波通信系统必须具备自动路由维护功能。MASTERTMA100平台具备功能完善的自动路由维护功能，不论集中器还是网络从节点，都会从加入到网络中的那一刻起，主动学习与自身相关的路由链路信息并加以筛选和存储。双向通信网络MASTERTMA100平台通过智能MPP网络协议，可以实现一个双向的通信网络。与国内普遍的主从式网络不同，MASTERTMA100平台可以实现集中器与表端的双向通信，即表端亦可向集中器主动上报数据。数据主动发起功能可以体现在网络新节点的加入上，对于新的节点，会自动将自身的信息上报至集中器端，实现“即挂即用”。三、选择高效的ARM处理器作为系统的核心，以响应智能化网络的数据处理需求随着网络规模的扩大、网络性能的提高、系统管理功能的增强，要求电力载波通信系统具备高要求的数据处理能力，嵌入式处理器与操作系统的联合应用是一个必然的趋势，MASTERTMA100电力载波通信平台以先进的ARM处理器为核心，使远程抄表系统具备功能强大的数据处理能力，包括整个网络拓扑的管理、后台数据库的管理、多项应用功能的实现等等，都可以完全应付。以远程抄表系统为例，一个台区下属的电表数目可达到1000左右的规模，并且需要每隔一定时间就要对系统所有节点抄读一边，对于这些众多节点路由的管理、对于所有操读数据的管理都要求系统必须具备很强的数据处理能力。另外，系统的上段信道是不固定的，会因用户的需求而定制，其中包括GPRS、PSTN、CDMA、TCP/IP等不同的方式，对这些不同信道通信的支持，同样对系统的处理能力提出要求。四、系统平台设计必须考虑成本及可扩展性开源的Linux操作系统，为MASTERTMA100电力载波通信平台提供了低成本的运行平台，并且随着Linux系统应用范围的扩大，有很多开源的资源可以获取，大大减低了开发的难度。MASTERTMA100平台对于Linux操作系统的成功应用为系统的可扩展性提供了很大的空间。首先，平台规划了设备抽象层接口，为使系统协议能够具备最大的通用性，协议将所有外部设备驱动独立为设备抽象层，为用户提供了相应的驱动函数接口，而协议的主体为用户提供API。这样用户对于协议的使用或者再次开发增加新功能，具有很大的自由度，可以根据自身的功能需求，调用这些接口函数，来完成新功能的增加。设备抽象层接口，主要包括多串口扩展的应用、LCD接口、键盘接口、红外接口、USB接口、SD存储卡接口、IIC接口、网口等。其次，系统协议遵循OSI分层体系。如图所示，蓝色部分为系统固有部分，绿色部分为用户自定义功能部分。基于现有的系统架构，用户可以添加应用程序。 图3：集中器架构五、MASTERTMA100平台将免费开放给用户，以促进电力载波通信和远程抄表技术的发展弥亚微的MASTERTMA100平台是专门为国内电力远程抄表（AMR）系统定制的一个高效可靠的电力线载波通信平台，将免费提供给国内的AMR设备生产商。MASTERTMA100平台是一套电力载波通信和网络技术的系统解决方案，由基于Mi200E芯片构成的PLC通信模块参考设计，智能通信网络协议（MPP），及集中器硬件系统平台组成，如下图所示：图4： MASTERTMA100平台架构结束语：以上基本描述了MASTERTMA100电力载波通信平台所具备的特性。通过在规模化居民小区现场测试数据表明，MASTERTMA100能确保整个远程抄表系统高效可靠地运转，其中日抄收成功率（24小时）为100%，点抄成功率高达98%。这些测试数据表明MASTERTMA100是一个能适用于国内低压电网环境的远程抄表系统的电力载波通信解决方案。无论通信基本性能和可靠性，还是成本方面与业内现存的众多电力载波通信方案比较，MASTERTMA100平台均会为远程抄表（AMR）系统设备生产商带来巨大的竞争优势。电力线载波通信技术经历了十多年漫长的发展过程，这个过程中芯片设计商、设备生产商与系统集成商均投