面向計(jì)量終端監(jiān)控的遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)升級(jí)設(shè)計(jì)

趙靜，陳祖秀，景彪，蔣波

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 玉溪供電局， 玉溪 653100)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面，電能在日常生活和生產(chǎn)過程的作用日益顯著，另一方面，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負(fù)載越來越復(fù)雜，這對(duì)電能計(jì)量提出了更高的要求，電能的計(jì)量對(duì)電能的發(fā)、供、用三者產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益影響，同時(shí)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有深遠(yuǎn)影響[1]。為了更好地實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，越來越多的計(jì)量終端被用于電能計(jì)量中去[2-4]。

計(jì)量終端的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電能計(jì)量過程有重要的影響。通常會(huì)引入監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)視和控制計(jì)量終端的運(yùn)行，以在最優(yōu)策略管理下對(duì)計(jì)量終端進(jìn)行維護(hù)管理。傳統(tǒng)方案存在著明顯的弊端。在監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)方案上，通過網(wǎng)絡(luò)端口及布線將終端互聯(lián)，在計(jì)量終端越來越多的情況下，帶來了極大的不便[5-6]。

為解決傳統(tǒng)方案存在的弊端，提高計(jì)量終端運(yùn)維的性能，本文在傳統(tǒng)方案上進(jìn)行升級(jí)改造，本文提出了一種互聯(lián)網(wǎng)計(jì)量終端遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)維的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案包括一個(gè)中央控制模塊和多個(gè)控制模塊。中央控制模塊嵌入了一個(gè)運(yùn)維網(wǎng)站和一個(gè)射頻收發(fā)模塊。用戶可以通過運(yùn)維網(wǎng)站遠(yuǎn)程對(duì)計(jì)量終端運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)情況，向中央控制模塊發(fā)送維護(hù)管理命令，中央控制模塊通過 MiWi 無線技術(shù)將命令廣播到各計(jì)量終端，這樣不管計(jì)量終端的數(shù)量，不存在布線問題。隨著智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的日益普及，計(jì)量終端遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的升級(jí)改造促進(jìn)了計(jì)量終端的自動(dòng)化和智能化管理，為電能計(jì)量工作帶了極大的便利[7-9]。

1 遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)測平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

如圖1 所示。

本文設(shè)計(jì)的面向計(jì)量終端監(jiān)控的遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)中央控制模塊和多個(gè)計(jì)量終端模塊。中央控制模塊有一個(gè)固定的 IP 地址連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)[10]和一個(gè)射頻收發(fā)器與計(jì)量終端模塊交換數(shù)據(jù)。中央控制模塊與計(jì)量終端采取的無線通信協(xié)議由微芯片開發(fā)的 MiWi 無線協(xié)議支持。

1.1 中央控制模塊

如圖2所示。

圖2 中央控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

是中央控制模塊的功能框圖。它主要包含單片機(jī)1、單片機(jī)2、以太網(wǎng)控制器和射頻收發(fā)器。單片機(jī) 1 是控制內(nèi)核，通過以太網(wǎng)控制器連接到Internet 網(wǎng)絡(luò)[11]。

微控制器1嵌入了一個(gè)網(wǎng)站， 它顯示了有關(guān)計(jì)量終端的操作界面。授權(quán)用戶可以在任何網(wǎng)絡(luò)空間使用任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備登錄網(wǎng)站。控制內(nèi)核檢測網(wǎng)站的信息更改，并將信息作為控制命令轉(zhuǎn)換為單片機(jī)2。單片機(jī)2使用 MiWi 協(xié)議接收控制命令并通過射頻收發(fā)器廣播運(yùn)維指令。單片機(jī) 2的設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的冗余度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。射頻收發(fā)器集成了物理和 MAC 地址， 并可通過 SPI 接口方便地與單片機(jī)連接[12]。

1.2 MiWi無線通信協(xié)議

MiWi 無線協(xié)議是利用微芯片技術(shù)開發(fā)的，采用基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的小型低功耗個(gè)域網(wǎng)無線通信技術(shù) (WPANs)。MiWi無線通信特別適合于低數(shù)據(jù)傳輸率和短距離、成本約束網(wǎng)絡(luò)。與Zigbee無線協(xié)議相比，MiWi更簡單有效[13]。在PIC單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)下，MiWi實(shí)現(xiàn)所需要的?？臻g要求僅為 3K-17K[14]，低于 Zigbee所需要的40 k-100 K[15-16]。顯然，WiMi在成本約束條件下更具優(yōu)勢。

如圖3所示。

圖3 MiWi協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

為 MiWi 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它支持多達(dá)8個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，包括啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的個(gè)域網(wǎng) (PAN) 協(xié)調(diào)器。它還支持多達(dá)4個(gè)從端設(shè)備到端設(shè)備的躍點(diǎn), 或者2個(gè)從 PAN 協(xié)調(diào)器到任何端設(shè)備的躍點(diǎn)。為了簡化路由結(jié)構(gòu)，一個(gè)協(xié)調(diào)器只能與 PAN網(wǎng)絡(luò) 協(xié)調(diào)器互連，不能與其他協(xié)調(diào)器互連。如果協(xié)調(diào)器無法到達(dá)PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，或者網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有8協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將自動(dòng)成為終端設(shè)備。本文中中央控制模塊充當(dāng)PAN 協(xié)調(diào)器，多個(gè)計(jì)量終端模塊是網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。由于 RF 模塊在芯片中中集成了唯一物理和 MAC 地址，因此 PAN 協(xié)調(diào)器可以將該命令按地址格式廣播到所需的最終設(shè)備。

2 遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)測軟件升級(jí)設(shè)計(jì)

2.1 中央控制模塊程序設(shè)計(jì)

中央控制模塊程序執(zhí)行以下功能，連接到互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)界面，命令廣播開對(duì)計(jì)量終端進(jìn)行維護(hù)管理。這些程序在單獨(dú)的微控制器上運(yùn)行。程序流程圖如圖4、圖5所示。它主要運(yùn)行網(wǎng)站程序并提供友好的操作界面。 用戶可以根據(jù)特定的需求在界面進(jìn)行操作。為微控制器2上RF收發(fā)器基于MiWi無線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的流程圖，如圖5所示。

圖4 中央控制模塊微處理器1控制流程圖

2.2 計(jì)量終端監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

計(jì)量終端是系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)獲取區(qū)域電流、電壓及相關(guān)設(shè)備工況等實(shí)時(shí)信息。計(jì)量終端運(yùn)行的監(jiān)測程序與中央控制模塊的單片機(jī)2類似。通過數(shù)據(jù)采集模塊計(jì)量終端的運(yùn)行狀態(tài)，包括終端計(jì)量數(shù)據(jù)，用戶用電情況等，并通過MiWi無線協(xié)議上傳到中央控制模塊。同時(shí)，接收中央控制模塊下發(fā)的運(yùn)維控制指令。

由此，一個(gè)中央控制模塊和計(jì)量終端模塊組成了一個(gè)本地小型網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制技術(shù)，如圖5所示。

圖5 中央控制模塊微處理器2控制流程圖

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

基于上述的體系結(jié)構(gòu), 本文完成了中央控制模塊和電源控制模塊的樣機(jī)模塊設(shè)計(jì)。如圖6所示。

圖6 中央控制模塊實(shí)物圖

為本設(shè)計(jì)的中央控制模塊，中央控制模塊安裝在在網(wǎng)絡(luò)出口處，方便與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，在規(guī)劃的位置下布置各計(jì)量終端，完成系統(tǒng)搭建設(shè)計(jì)。

3.2 遠(yuǎn)程訪問測試

系統(tǒng)測試完成系統(tǒng)安裝后, 用戶可以登錄網(wǎng)站測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本設(shè)計(jì)嵌入的網(wǎng)站有一定固定IP地址，并且申請(qǐng)?jiān)L問網(wǎng)站地址為http://www.f200.com。打開網(wǎng)頁將出現(xiàn)登錄窗口, 如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程訪問界面

輸入許可的用戶名和密碼將顯示監(jiān)測界面。

在遠(yuǎn)程訪問設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)提供了友好的操作界面，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)安全要求，對(duì)不同用戶設(shè)置了不同權(quán)限。根據(jù)不同權(quán)限，用戶能進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測或者下發(fā)運(yùn)維控制指令[17-18]。

獲得授權(quán)的用戶，可以計(jì)量終端上報(bào)的數(shù)據(jù)監(jiān)測圖，如圖8所示。

圖8 電能計(jì)量監(jiān)測管理系統(tǒng)

包括區(qū)域電流、電壓及相關(guān)設(shè)備工況等實(shí)時(shí)信息[19]。

4 總結(jié)

本工作采用 MiWi 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)量終端遠(yuǎn)程監(jiān)控和運(yùn)維服務(wù)。所設(shè)計(jì)方案包括一個(gè)中央控制模塊及多個(gè)計(jì)量終端模塊。模塊之間采用MiWi無線通信協(xié)議，并設(shè)置了不同數(shù)據(jù)幀格式實(shí)現(xiàn)模塊之間快速、穩(wěn)定地通信。同時(shí)，中央控制模塊嵌入了一個(gè)運(yùn)維網(wǎng)站，通過TCP/IP協(xié)議連接到服務(wù)器網(wǎng)站。

所設(shè)計(jì)運(yùn)維平臺(tái)在傳統(tǒng)的方案進(jìn)行了升級(jí)改造，在布線、操作、尺寸、成本等方面較傳統(tǒng)的線材式方案有明顯的優(yōu)勢。并且，所開發(fā)的系統(tǒng)可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他應(yīng)用程序。不同用戶可以根據(jù)設(shè)定權(quán)限對(duì)計(jì)量終端進(jìn)行監(jiān)測、運(yùn)維管理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的方案，能夠有效對(duì)計(jì)量終端進(jìn)行自動(dòng)化、智能化管理，為電能計(jì)量工作帶了極大的便利。