【文章內(nèi)容簡介】 還原出任何數(shù)據(jù)，因此擴頻方式具有固有的保密性。因為目前電力線路的帶寬有限，窄帶調(diào)制的主要思想就是最小化傳輸帶寬，相反，擴頻調(diào)制技術(shù)的傳輸帶寬比最小信號帶寬大幾個數(shù)量級。該技術(shù)對單用戶效率低，但是對多用戶來說，效率就比較高。 GPRS 技術(shù) [7] 整個系統(tǒng)根據(jù)通訊所使用的媒介不同而組成兩級不同的網(wǎng)絡(luò)形式。集中器與采集模塊之間是利用低壓電力網(wǎng)進行通訊的。這是因為通常集中器安裝于小區(qū)變壓器附近，而小區(qū)內(nèi)的所有電表（用戶）處于同一個臺區(qū)。由于電力網(wǎng)絡(luò)相當于一個共享媒體，因此集中器和它所負責的所有采集模塊組成了一個相當于以太網(wǎng)絡(luò)形式的廣播型網(wǎng)絡(luò)。集中器與所有的采集模塊相當于網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，每個節(jié)點有其相應(yīng)的唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。同以太網(wǎng)類似，集中器發(fā)送的讀數(shù)命令相當于帶有目的地址的幀，而每個節(jié)點只會對目的地址和本節(jié)點地址相同的幀響應(yīng)，其 他收到的幀則丟棄。在通信形式上是主從方式，每次通信都是由集中器發(fā)起，采集器在收到通信命令后，進行相應(yīng)的應(yīng)答處理。由于電力網(wǎng)絡(luò)并不屬于適合通信的信道，突發(fā)噪聲和白噪聲問題都比較大，干擾較強，所以一般情況下數(shù)據(jù)的傳輸距離只有 300 米至 600 米，基本上適應(yīng)一個小區(qū)的要求。在某些情況下，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，可在網(wǎng)絡(luò)的適當?shù)胤皆O(shè)置中繼器對數(shù)據(jù)進行中繼傳輸，中級器也具有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。由圖 21 可以看出，除了在采集模塊與集中器之間采用電力線載波方式進行通信外，我們在數(shù)據(jù)控制中心與集中器之間采用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)無線 通信該項目采用這種方案出于以下幾點考慮： (1) 覆蓋范圍廣： GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Servic,GPRS)的英文簡稱，是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng) （ Global System for Mobile Communication,GSM） 上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，是建立在 GSM 上的 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調(diào)制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。這種新的分組數(shù)據(jù)信道 與當前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)從一開始就可提供全面的 GPRS覆蓋。 (2) 通信速率高：每個電表數(shù)據(jù)采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在 10Kbps 之內(nèi)。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達 ，目前 GPRS 實際數(shù)據(jù)傳輸速率在 40Kbps 左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥ 10Kbps）的需求。 (3) 費用低： GPRS 采用的是分組交換，而不是電路交換，所以它采用基于流量的收費方式，而非基于時間的方式，故通信費用相當于移動通信短消息費用，因此費用低廉，經(jīng)濟。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計 6 (4) 效率高，通 信延遲短： GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。建立鏈接的時間短，有“永遠在線”之稱。 (5) 系統(tǒng)的傳輸容量大：數(shù)據(jù)控制中心要和每一個電表數(shù)據(jù)采集點保持實時連接。由于電表數(shù)據(jù)采集點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，?GPRS 技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。 總之，目前以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)得到了越 來越廣泛的應(yīng)用。GPRS 使互聯(lián)網(wǎng)進入了無線領(lǐng)域，一直延伸到手掌上。除了支持傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用， GPRS也可使無線終端支持 B2B,B2C 的電子商務(wù)，電子支付，股票交易和銀行轉(zhuǎn)賬等應(yīng)用。綜合上述幾個優(yōu)點， GPRS 網(wǎng)絡(luò)非常適合自動抄表系統(tǒng)的要求，因此，該項目遠程抄表系統(tǒng)實際上是將電力線載波通信與中國移動的 GPRS 無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來的。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計 7 第四章 集中器硬件設(shè)計 本系統(tǒng)主要是供電所針對城市居民用電管理的自動化系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié) 構(gòu)分為上層和底層。上層包括用電管理中心、集中器、和上層 GPRS通信網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)收集；底層包括集中器、采集器、電表和基于低壓電力線載波的底層通信網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)采集如圖 41 所示 圖 41自動集中抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 用戶現(xiàn)場可直接掛接電力載波電表，也可以采用全電子式電度表增加載波采集終端(采集器 )。由于現(xiàn)在的城市居民樓宇中，電度表一般采取了集中安裝的方法，即把一個單元的十幾戶的用戶表安裝于同一個大表箱中，一 個表箱裝一個采集器，多個電度表共用一個采集終端 (采集器 )，此種方法可以大量節(jié)約成本。所以本系統(tǒng)的設(shè)計是基于這種方式的；集中器掛接在同一臺配變下的電力線上，根據(jù)設(shè)置的要求定時或隨時通過電力線抄收臺變下所有載波表的測量數(shù)據(jù)并保存；主站計算機通過 GPRS移動公網(wǎng)對集中器發(fā)布設(shè)置、廣播命令或抄表命令，對集中器進行綜合數(shù)據(jù)的抄收，對集中器下的任一臺采集器進行召抄或通斷電控制，從而實現(xiàn)遠程抄表和監(jiān)控功能，極大減少電力部門的勞動力，提高社會效益和經(jīng)濟效益；為電力管理上等級和現(xiàn)代化管理水平的提高打下堅實的基礎(chǔ)。 集中器 1 電表 1 電表 2 電表 n 主站 (抄表管理 ) 集中器 n 電表 1 電表 2 電表 n 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計 8 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計 集中器與采集器之間高效和可靠的通信是整個系統(tǒng)成功的關(guān)鍵之一，在底層電力載波通信中，關(guān)鍵是電力載波 Modem的性能 [8] 電力線載波是以電力線作為通訊線路，各分散的終端設(shè)備以電力線為傳輸載體進行數(shù)據(jù)傳輸。具有通道可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點。雖然傳輸速率不高，但是安裝方便簡單，適合同一臺變下各終端設(shè)備之間的連接。電力線載波通訊以電力線路為介質(zhì)，電力線載波通信系統(tǒng)的信號發(fā)送部分由擴頻調(diào)制信號輸入、諧振功率放大器和信號耦合電路二部分組成。其 主要任務(wù)是高效率地輸出信號功率，并將載波信號有效地注入電力線。 由于發(fā)送部分和接收部分的電路結(jié)構(gòu)和元器件的選擇使得發(fā)送部分和接收部分的相互影響較小，因此，可以對發(fā)送部分和接收部分進行獨立的綜合和分析。經(jīng)研究和測量表明，電力線的阻抗分布在 ^8052(在 3kHz^525kHz頻率范圍 )之間，其阻抗主要依賴于用電負荷的大小、線路結(jié)構(gòu)、以及配電變壓器阻抗等多種因素。由于配電線路結(jié)構(gòu)和配電變壓器的阻抗特性相對比較穩(wěn)定，因此，用電負荷的大小對電力線阻抗的變化影響較大。我們知道，用電負荷具有隨機性，其主要表 現(xiàn)為在不同的時間，用電負荷的變化，即阻抗的時變性。研究電力線的輸入阻抗，對于提高信號的發(fā)送功率和有用信號的輸入功率能夠起到非常重要的作用。發(fā)送電路部分的設(shè)計如圖 42示。 圖 42 信號發(fā)送電路 TS5是一顆 20V的肖特基穩(wěn)壓管，但在這里沒有用到它的穩(wěn)壓特性，用到而是它的正向?qū)妷旱偷奶攸c，來保護 P溝道的 MOS管，考慮到產(chǎn)品的可靠性，這顆穩(wěn)壓二極管選用 1N5817或 SS12，或具有更低正向?qū)妷旱亩O管。注意 :不允許使用 1N4148, 1N4007等止向?qū)?壓 較高的二極管 !更不允許省掉 !否則會損傷 MOS管 ! 電阻 R8/，因為載波芯片采用的是 MOSFET工藝，不推薦驅(qū)動容性負載，而這套放大電路的輸入是容性的，所以在這里串聯(lián)一顆 電阻來保護載波芯片 。 US6M2內(nèi)部具有一顆 P溝道的 MOS管和一顆 N溝道的 MOS管， P溝道的耐流為 1A， N溝道 的耐流為 ，這就使整個載波電路的耐流為 lA}所以供給這個放大電路的電源的功率不能太大，假如電源能提供的功率非常大，當外界的阻抗很小時， 就會有很大的電流流北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計 9 過 US6M2這顆器件，當超過它的額定值時，有可能會把 US6M2燒掉，所以推薦載波通信電路采用變壓器供電。 這部分電路所起的作用是當 15V電源電壓被拉低到 V左右的時候控制其輸出電流，保證 15V電源電壓不至于被拉低到太低而致使整個系統(tǒng)無法 正 常工作，其最突出的是可優(yōu)點以很好的保證低電壓試驗?zāi)軌蛲ㄟ^。 圖 43 功率控制部分 信號接收部分由信號耦 合電路、帶通濾波器 BPF和模擬前端 AFE二部分組成，其主要功能是對來自電力線上的擴頻通信信號進行有效的接收和模擬解調(diào)。其中，信號接收電路的設(shè) 計日標是提高頻帶內(nèi)的信號接收功率 (信號禍合電路設(shè)計的一部分，需要同發(fā)送部分統(tǒng)一設(shè)計。 )，并最大限度地抑制來自電力線上的噪聲十擾，目使無源濾波網(wǎng)絡(luò)的插入損耗最小。信號接收電路原理圖如圖 44所示。 圖 44 信號接收電路 AFE3361是一個低功耗窄帶 FM中頻模擬解調(diào)集成電路，其內(nèi)部含有完整的窄帶調(diào)頻解調(diào)系統(tǒng)，包括 : (1) 振蕩器 (Oscillator) (2) 混頻器 (Mixer) (3) 限幅放大器 (Limiting Amplifier) (4) FM解調(diào)器 (Demodulator) (5) 交鑒頻器 (Quadrature Discriminator) (6) 濾波放大器 (Filter Amplifier) (7) 靜噪電路 (Squelch Circuit)。 AFE3361主要特點 (1) 工作電壓范圍 :Vcc = — (2) 功耗小，典型值為 (在 Vcc= ) (3) 靈敏度高，輸入一 3dB限幅電壓為 μ Vrms(典型值 ) 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計 10 (4) 所擊外圍器件少 (5) 最高工作頻率為 60MHz。 利用 AFE3361來完成 載 波通信，作為信號接收部分。電路原理 圖如 43所示 12N c h3 456P c hU S 6M 2T S 5S S 1 20. 15 uF / 31 0V A CR 903kR 4115k3.3nFV 112S B 1 13 21m H / 10 0m AV s s100uH/100mAR 5010k33 0 pFC 55C 2010 0 uF / 35 VR 521N46791N4679R 5110 u H / 1. 2AP6KE22CA31456T1C i H u a n 50 0u H 1 : 1V s sC 54 33 n FV s s33 n F12VFSKS S C O U TL I N EN E U T R A L信號耦合信號發(fā)送信號接收A F E 3 36 1 圖 45電力載波通信硬件電路 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于低壓電力載波通信方式不能實現(xiàn)跨變壓器通信，因此只能用于同一變壓器內(nèi)的數(shù)據(jù)通信。而要實現(xiàn)自動抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遠傳，我們則需在集中器和管理中心之間選擇另外的通信方式，在這里我們使用 GPRS網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠傳。 GPRS(GeneralPaeketRadioServiCe)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，它是第 通信系統(tǒng)，是 GSM向 3G過渡的一個橋梁。 GPRS是在 GSM系統(tǒng)基 礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。集中器 GPRS模塊與管理微機的 GPRS模塊建立數(shù)據(jù)通信前的連接工作本系統(tǒng)采用上位機固定 IP地址的方法作為上位機 (數(shù)據(jù)中心 )，實現(xiàn)多點對一點的數(shù)據(jù)，這樣 GPRS無線通信模塊通過撥號登陸 GPRS網(wǎng)絡(luò)，獲得 IP地址后，就可以主動和接入工nter的上位機聯(lián)絡(luò)，將自己的 IP和端口號發(fā)送給上位機，進而實現(xiàn)雙方的通信與數(shù)據(jù)采集，結(jié)構(gòu)框圖如圖 44所示 圖 46 GPRS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖 集 中 器 數(shù) 據(jù) 中 心 GPRS 通信網(wǎng)絡(luò) 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 低壓電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計 11 第 五章 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)存儲格式 通信協(xié)議的設(shè)計 [9] 集中器與抄表服務(wù)器之間