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1 引 言
低压电力线是为传输50Hz 的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。随着近几年信号调制技术的进步、嵌入式软硬件技术的发展和新型集成电路的不断出现使得电力线通信（PLC）逐步从实验室走向实用，成为具有良好发展前景的通信技术之一。本文给出了基于PLC 技术的远程单相复费率电表（简称基于PLC技术的远程电表）的设计与实现。
2 硬件总体设计
基于PLC 技术的远程电表硬件部分包含MCF5271 主控板、电量采集板和PLC调制解调器，三部分电路板相对独立，并没有设计在一块电路板中电量采集板负责采集电量，MCF5271 主控板通过SPI、I2C 等接口与电量采集板进行数据传输，同时通过符合IEEE802.3 规范的MII 接口与PLC 调制解调器进行以太帧数据传输，PLC 调制解调器负责以太帧和电力线通信数据之间的转换。
3 MCF5271主控板设计
MCF5271主控板的设计参考了Freescale公司的MCF5271评估开发板的设计原理MCF5271评估开发板使用的ColdFire微处理器为196引脚的BGA封装，焊接比较困难，而且160引脚QFP封装的芯片与之功能相似，同样可以满足本设计需要的功能同时易于焊接，故使用QFP160封装的芯片做主控板。主控板与PLC调制解调器接口的主要部分为MII接口，所以略去了主控板与PLC调制解调器接口的介绍，而代以介绍MCF5271微处理器与INT5500之间的通过MII接口的连接。
1、MCF5271主控板板的存储器扩展
MCF5271具有外部总线接口，数据总线宽度为32位D[31∶0]，寻址范围可以达到32位，与外界存储器相连的地址总线宽度为24 位A。MCF5271主控板中扩展了一片1M×16位的Flash存储芯片AM29LV 160DB，地址总线为20位，连接MCF5271的地址总线A[20∶1]，数据总线为16位，连接D[31∶16]。两片8M字节的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址总线宽度为12位，数据总线宽度为16位，两片芯片使用共同的地址总线A[21∶15]和控制信号，数据总线分别连接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。
2、MCF5271与INT5500的连接
INT5500工作在PHY模式下的时候类似于以太网物理层芯片，可以与带有MII接口的MCU相连。由于此时INT5500工作在PHY模式下，所以MII接口的信号方向与Host/DTE模式下的方向相反。
MCF5271芯片MII接口的信号线可以分为三组：用作数据管理的信号线EMDIO和EMDC；反映介质状态的信号线ECOL和ECRS；其余为接收/发送信号线。
EMDIO为双向信号，在INT5500和MCF5271之间传输控制信息和状态信息。控制信息由MCF5271发给INT5500，状态信息由INT5500反馈给MCF5271。EMDC为输出信号，作为EMDIO数据传输的参考时钟。
ECOL为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质上有冲突。ECRS为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质忙；否则表示传输通道处于空闲状态，可以进行传输。
ERXD[0-3]用来接收INT5500发送的4位数据；ERXDV用来表示从INT5500接收到的数据是否有效，高电平为有效；ERXCLK为INT5500提供给MCF5271的数据接收时钟信号，其工作频率为数据接收速度的25%；ERXER为输入信号，该信号有效时表示检测到当前在INT5500上传输的帧出错。
ETXD[0-3]用来向INT5500发送4位数据；ETXEN为输出信号，该信号有效时表示MII总线上有数据，可以启动发送操作。ETXCLK为输出信号，作为数据发送的参考时钟信号。
4 电量采集板
电量采集板电路包括电量采集电路、ADE7756与主控芯片的通信接口、实时时钟芯片PCF8563的工作电路与对外通信接口。
1、电量采集电路
其中CT为电流互感器，电量采集芯片为ADE7756。电路中电压和电流输入通道均采用差分信号输入。普通电力线中的电流经过电流互感器CT后接到实际负载上，电流互感器将电流转换成电压信号，再经过R1与C4、R10与C6组成的滤波电路滤波后进入ADE7756的差分信号输入引脚V1P和V1N。电力线的220V电压信号经过R7、R6和R8分压及R8与C8组成的滤波电路滤波后转换为250mV的电压信号，作为AED7756的V2P的输入。
2、ADE7756与MCF5271主控板的接口模块
ADE7756与MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反馈信号。使用两片7404芯片对输入输出信号进行电压转换。7404芯片内部含有6路缓冲器，本设计中使用了每片芯片中的4路缓冲器，7404芯片为漏极开路输出，所以从主控芯片方输入的5V/3.3V信号经过7404后都可以转换为5V信号。向主控芯片方输出的信号可以转换为3.3V信号。
IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS 和OUT_DOUT引脚为SPI接口的引脚；IN_RESET为从主控芯片方输入的复位控制信号；OUT_IRQ为ADE7756的中断请求输出信号；OUT_ZX为通道2的电压波形过零输出引脚，用于对电力线进行过零检测；OUT_SAG为电力线电压过低和5V工作电压过低检测输出信号。
3、实时时钟模块
PCFB_563通过纽扣电池供电，MCF5271主控板通过I2C接口与PCF8563进行通信，SCL为主控芯片发送的时钟信号，SDA为数据双向数据通信引脚。主控芯片可以设置PCF8563当前时间和读取PCF8563当前时间。
5 系统软件设计
基于PLC技术的远程电表的软件可以划分为两个部分：主控芯片方程序以及与后端软件的接口，两者相互独立。主控芯片方软件主要完成以下功能：
（1）定时电量采集：与ADE7756通信，通过SPI接口读取电量数据；
（2）电量数据存储：读取实时时钟获得当前时间，判断当前时段，将读取到的电量数据按照时段进行相应存储；
（3）数据通信和加密解密：接收和解析后端软件发送的命令数据包、构造和发送应答数据包；并完成命令数据的解密和应答数据的加密；
（4）命令响应：对后端软件发送的命令做出响应；
（5）掉电处理：检测到电压过低和掉电情况后及时进行重要数据存储。
后端软件接口主要包含通信协议的设计，如果将接口设计的比较合理，则对于后端软件的开发人员来说相当方便。
根据以上功能分析，软件共划分为5个模块：电量采集和存储模块、数据加密解密模块、嵌入式以太网模块、掉电处理模块和命令响应模块。
电量采集和存储模块完成定时电量采集和电量数据存储功能；
数据加密解密模块用来对后端软件的命令解密和本地应答数据的加密；
嵌入式以太网模块完成数据通信功能，该模块包含与PLC 调制解调器的通信的底层驱动程序，同时包含网络协议，负责网络数据的解包打包功能；
掉电处理模块完成检测到电力线电压低于阈值时对重要数据的存储；
命令响应模块对后端软件的命令进行响应。
阅读全文(258) | 回复(2)如果前段有PLC或者集抄器的话，完全可以采用另外一种方式，通过厦门四信的DTU作为传输模块，通过GPRS网络把PLC采集到数据穿回到数据中心。
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部分 概述
随着工业自动化的发展，在原有的人工手动抄表中已经发展到远程智能抄表，通过现有的网络智能化的从远端把需要的数据采集到一起，那么，在很多必须无人值守的设备或监测点，不适合搭建有线通讯网络。若采用光纤或电台的方式实现无线通讯，不仅设备投入耗资巨大，而且不适应移动的需要。
随着新一代移动通讯业务的产生和全面投入，无线移动数据通讯的应用也越来越广泛。安全的数据传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使GPRS通讯在工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等行业中的应用具有无可比拟的性价比优势。采用GPRS无线通讯网络的移动IP通讯，既可独立作为数传通道，也可作为已经架设光纤、数传电台等方式的辅助手段。
GPRS远程抄表系统是厦门四信通信科技有限公司和系统集成商合作开发的基于GPRS技术的用电管理自动抄表系统。它由电度表、F2103 GPRS IP MODEM、采集器及中心服务器组成。采集器实时采集用户的用电数据，通过GPRS网络把数据汇集到服务器。具有采集数据快速准确，能快速生成用电统计分析,交费单据等特点，与传统的人工抄表、电话线抄表相比，极大地提高了效率。
本系统除了准确、实时抄表外，还提供了设备管理功能，如告警：开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警等；控制：对欠费用户进行拉闸等。并提供停电数据保护功能，在停电48--72小时内仍可抄表和监控。本系统结合联通公司的短信平台，在告警时，可根据具体内容发短信给相关的管理人员。
本系统提供丰富的接口，可与电业系统的MIS系统链接或进行二次开发。
抄表软件系统数据库为ORACLE数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT的操作系统，易于使用。软件所能管理的用户数量没有限制。
第二部分 项目分析
本系统由电度表，采集器，F2103 GPRS IP MODEM传输终端，带系统软件的主站组成。手持终端是本系统的补充，在系统出现意外时进行人工抄表。
2.1系统组成
2.1.1 电能表： A）三相有功无功多功能表，有功0.5级、无功2级，具有RS485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约。或者使用：B）三相有功复费率表，有功1级，具有RS-485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约。
2.1.2 采集器：采集器主要特征如下：采用24个I/O口，可带24户电度表，停电数据保护，带后备电源，停电后仍可抄表。
2.1.3 传输终端： 传输终端采用厦门四信的F2103，实时在线，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈，透明传输，同时支持RS232和RS485，支持多种工作模式，支持虚拟数据专用网。
2.1.4 中心软件系统：基于ORACLE数据库的抄表软件，用户数量无限制，安全可靠，运行和处理速度快 ，功能丰富完善。
2.2 系统总架构
多个电表通过RS485通信接口把电表数据传到采集集中器上，采集集中器通过RS485通信接口和四信通信的IP modem（F2103）连接，远程数据中心服务器可以使用APN专线或普通ADSL等作为网络接入。当F2103通过GPRS网络连接到远程数据中心服务器主机，建立透明数据通道后，采集终端产生的数据只要送到串口，F2103就会把收到的数据原封不动地发送到数据中心服务器主机；同时服务器主机下发的命令通过通道传输到F2103后，F2103通过串口送到采集终端，从而实现了数据双向透明传输。系统拓扑图如下图所示：
2.3系统功能
（1）设置电能表的参数，读取各种计量和管理数据；
（2）抄表数据的统计、查询、备份、报表、图表生成；
（3）厂站管理；
（4）自动抄表、定时上报、实时查询等；
（5）掉电数据保存；
（6）瞬时量数据的综合处理；
（7）系统数据备份、存档和向外输出数据；
（8）历史数据事件记录功能；
（9）实时报警；
（10）根据线路上的表计关系计算线路损耗；
（11）可提供多路模拟量、开关量输入，实现开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过压告警、过流告警、过载告警、倾斜或移动报警等其他功能；
（12）远程控制断电功能；
（13）采集的参数丰富，如：a.当前、上月、正向有功、反向有功、无功四象限的总及尖、峰、平、谷四费率电量；b.正向、反向、有功、无功的需量及需量发生时间；c有功功率、无功功率、三相电压、三相电流、功率因数；d失压累计次数、失压累计时间、集抄器停电起止时间等；e单位时间负荷曲线、三相电流曲线、三相电压曲线、有功功率曲线、无功功率曲线、功率因数曲线。
第三部分 项目架构实施
3.1 传输模块与采集终端连接
四信的F2103无线传输模块同时支持RS232/485接口，可通过RS232/485与终端通讯。本系统采用的是485的接口方式。F2103和采集器的接线线序如下：
3.2 数据中心网络接入方式分析
1. APN专线接入
中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP，客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。
为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。
用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地功能）。只有通过的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。
用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过的用户分配用户内部地址。
移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。
中心采用APN专线接入的方式，在实时性，安全性和稳定性表现优异，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之组网方式。
2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
3. 通过固定公网IP连接
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。虽然申请固定IP费用比较贵，但其运行可靠稳定，组网方式简易方便，深受广大用户的青睐，一般推荐此种方案。
3.3 无线数据传输方式
传输设备采用厦门四信的F2103，其功能齐全，性能稳定，简单易用，它是一款工业级别的无线传输终端，已经广泛地应用在各种各样的工业，金融场合。
终端设备和传输设备连接好后，设置好各种通讯参数，工作模式后，在传输设备F2103中填入数据中心的地址和应用程序的端口号。这样当终端设备数据传给传输设备F2103，F2103就会把数据透明地传输到中心。
终端设备支持多种中心模式（主备中心，多中心），多种激活模式（电话，短信，数据），多种工作模式（TCP，UDP，telnet等），方便用户组网和各种系统需求。心跳包机制，注册包机制，数据帧可控，重连机制等多种机制不仅保证设备实时在线，而且稳定可靠，同时方便客户根据现场的情况，来设置各种传输参数，进而达到效果。
3.4 数据中心软件平台构建
抄表系统的部分是系统软件，它遵循DL/T645部标通讯规约，并有扩展性。
具有四信通信的GPRS无线模块的中心端软件建有多种方式，对于传入数据的方式的不同，我们提供不同的软件来帮助客户快速地实现中心端的数据接收和现场设备的管理。
目前四信提供三种方式的中心接口：
首先是对于组态软件，目前很多组态软件厂家已经集成了四信通信的驱动了，可以直接配置使用；其次对于原本是读串口的程序，为了兼容原来的系统而不做开发工作，我们提供一个虚拟串口软（TCP2COM）；后是对于想开发自己独有的数据中心软件的客户，会提供一个动态链接库及四信公司的测试版数据中心软件，不仅开放源码还全程协助客户进行自己数据中心软件和功能的开发。客户可能通过动态链接库快速开发一个灵活的，稳定的，功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件。
如下是该系统的中心站软件：个图式web界面的，第二个图是用VB开发的中心站。
在系统安全方面，本公司除了采用大型、多用户的ORACLE数据库、系统对用户实现分级授权管理和提供防火墙功能及完善的数据备份功能外，对网络无线数据监控中心还提供了安全技术解决方案，以确保数据安全可靠。
三．设备的特点和参数
1.电能表
DTS866型三相四线电子式有功电子式电能表，使用在供电部门、工厂、企业、商业、农业的动力、照明设备的有功电能计量。用于计量频率为50Hz的交流三相有功电能,并电量采用计度器显示，读数直观便于抄表,本仪表可扩展红外和RS485通讯功能，为三相电能测量提供先进、可靠的计量工具。本仪表符合标准DL/T 645-1997《多功能表通讯规约》和GB/T 17215.321-2008《1级和2级静止式交流有功电度表》。
2.F2103通信模块
F2103 GPRS IP MODEM采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。
它具有丰富的软件功能：
1. 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虚拟数据专用网（APN）
4. 透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式
5. 支持数据中心动态域名和IP地址访问
6. 支持双数据中心备份
7. 支持多数据中心
8. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。
9. 支持短消息备份及告警。
10. 多重软硬件看门狗
11. 数据包传输状态。
12. 标准的AT命令界面
13. 可以用做普通拨号MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持远程配置，远程控制
16. 通过串口软件升级
17. 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统
四．总结
GPRS电力远程抄表系统采用厦门四信通信的F2103 GPRS传输终端，实现了实时在线，永远在线，稳定可靠的数据传输。在成熟的GPRS网络上构建无线数据网络，使在电力远程抄表实现无线数据传输的成本和技术大为降低。而且厦门四信通信的F2103 GPRS传输终端工业级设计，组网灵活，安全可靠，实时在线的特点很适合运用在电力行业。
