集中器通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)模塊的設(shè)計(jì)方案探討

蘇林志 魏忠初 陳晨輝

[摘 ? ?要 ]集中器是用來采集電能數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回采集系統(tǒng)，用于電能監(jiān)測(cè)、分析、研判。目前路橋公司共有集中器81332只，其中采用2G網(wǎng)絡(luò)的集中器共有22838只。隨著國家對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造，臺(tái)州各網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商計(jì)劃分批將2G通信網(wǎng)絡(luò)退出運(yùn)營。這意味著22838只集中器全部淘汰，而這將是一大筆支出。針對(duì)以上問題，文章提出了不更換集中器僅升級(jí)集中器通信網(wǎng)絡(luò)模塊的方案。

[關(guān)鍵詞]集中器;通信網(wǎng)絡(luò);升級(jí)模塊

[中圖分類號(hào)]TM76;TP332 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]A concentrator is a terminal device used to collect electrical energy data， which transmits data back to the acquisition system through a mobile network for electrical energy monitoring， analysis， and judgment. At present， Luqiao Company has a total of 81，332 concentrators， of which 22，838 concentrators using 2G networks. As the country upgrades and transforms mobile networks， network operators in Taizhou plan to phase out 2G communication networks from operation. This means that 22，838 concentrators are all eliminated， and this will be a large expenditure. In response to the above problems， the team proposed a plan to upgrade the communication network module of the concentrator without replacing the concentrator.

[Keywords]concentrator; communication network; upgrade module

1 需求分析

隨著國家通信網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略升級(jí)，2G網(wǎng)絡(luò)即將退出歷史舞臺(tái)，目前在用的大批僅支持2G網(wǎng)絡(luò)的老款集中器也面臨被淘汰的命運(yùn)，這將使供電企業(yè)產(chǎn)生一大筆支出，經(jīng)計(jì)算路橋公司需更換數(shù)量為22838，按每只集中器省公司中標(biāo)價(jià)格450元，材料成本費(fèi)用1027萬元。需求分析如表1。

隨著國家通信網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略升級(jí)，2G網(wǎng)絡(luò)將逐步淘汰。 公司集中器需轉(zhuǎn)型升級(jí)。

路橋公司目前在用的2G集中器有22838只，這一批集中器需淘汰。 需提供將1027萬元資金用于升級(jí)集中器。 經(jīng)計(jì)算需安排3787多工時(shí)進(jìn)行集中器更換及后臺(tái)調(diào)試。 降低這批集中器升級(jí)的成本。 單獨(dú)更換集中器通信模塊，降低升級(jí)成本。

路橋公司目前在用2G集中器有22838只。全部更換這批2G集中器，材料成本：按集中器450元成本計(jì)算，成本為1027.71萬元;人工成本;集中器更換需2人進(jìn)行，加上后臺(tái)調(diào)試，更換1個(gè)集中器平均耗時(shí)39.8 min。經(jīng)過計(jì)算22838只集中器全部更換并調(diào)試完成耗時(shí)=22838（只）×39.8（min）=908952.4（min）=15149.21（h），按每天8 h工作時(shí)間，約需要1893.65×2=3787.3名工人，按目前臺(tái)州人力市場(chǎng)工價(jià)350元計(jì)算可得人工成本約為132.56萬元?？偝杀緸?160.27萬元，單個(gè)升級(jí)成本為11602700÷22838=508.04元。而針對(duì)本批集中器更換項(xiàng)目，公司專項(xiàng)改造資金為450萬，每個(gè)集中器更換成本為4500000÷22838=197.04（元）。

通過需求分析，每個(gè)集中器的升級(jí)成本要控制在197.04元以內(nèi)。若要滿足要求，整機(jī)更換這個(gè)方案是行不通的，可以采用單獨(dú)更換通信模塊的方案來升級(jí)集中器，從而控制在成本范圍內(nèi)。

2 集中器通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)模塊的方案確定

2.1 提出方案

根據(jù)借鑒手機(jī)外掛基帶內(nèi)容，提出了具體模塊分解方案，將集中器通信網(wǎng)絡(luò)模塊分為PCB線路板、4G芯片、MCU、電壓轉(zhuǎn)換電路共4大組成部分。具體如圖1所示。

2.2 確定最佳方案

2.2.1 一級(jí)方案確定

根據(jù)借鑒手機(jī)外掛基帶內(nèi)容，提出了具體模塊分解方案，將集中器通信網(wǎng)絡(luò)模塊分為PCB線路板、4G芯片、MCU、電壓轉(zhuǎn)換電路共4大組成部分。

2.2.2 一級(jí)方案評(píng)價(jià)

通過矩陣分析，線路板主要考慮A1具有較高的機(jī)械性能和介電性能、A3較好的耐熱性、阻燃性，其中A1作為最主要的參考指標(biāo)。PCB線路板的選擇，對(duì)玻璃纖維PCB板和環(huán)氧樹脂PCB板兩種材料PCB板進(jìn)行品質(zhì)因素Q值測(cè)量，選擇Q值大于500的PCB板;經(jīng)過測(cè)試，玻璃纖維PCB板Q值為572.6，大于500，滿足要求;環(huán)氧樹脂PCB板Q值為521.8，大于500，滿足要求，但小于玻璃纖維PCB板Q值572.6。

2.3 4G芯片的選擇

通過矩陣分析，4G芯片主要考慮B1功耗低，B4體積小，其中B1作為最主要的參考指標(biāo)。4G芯片的選擇通過用功率計(jì)測(cè)量?jī)煞N制式芯片的功耗，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;測(cè)試、對(duì)比分析LTETDD制式芯片和LTEFDD制式芯片的功耗情況;經(jīng)過測(cè)試，LTETDD制式芯片功率為0.75 W<1 W。滿足要求;LTEFDD制式芯片功率為0.858 W<1 W，滿足要求，但功耗比LTETDD大。

2.4 MCU的選擇

通過矩陣分析，MCU主要考慮C1功耗低、C3運(yùn)行速度，其中C3作為最主要的參考指標(biāo)。通過查閱相關(guān)工作手冊(cè)，得到16位MCU和32位MCU芯片的參數(shù)，可以選擇合適的MCU。經(jīng)過分析16位MCU運(yùn)行速度可達(dá)275 ns的指令周期，大于200 ns;32位MCU運(yùn)行速度可達(dá)125 ns的指令周期，小于200 ns

2.5 電壓轉(zhuǎn)換電路的選擇

通過矩陣分析，電壓轉(zhuǎn)換電路主要考慮D1輸出電壓穩(wěn)定、誤差小、D2壽命長(zhǎng)，其中D1作為最主要的參考指標(biāo)。用電壓表測(cè)量LDO電壓轉(zhuǎn)換電路和齊納二級(jí)管電壓轉(zhuǎn)換電路2種電路輸出電壓的誤差。經(jīng)過測(cè)試，從表2中可以看出LDO電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓誤差小于5%;齊納二級(jí)管電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓誤差大于5%。如表2所示。

通過上述方案評(píng)價(jià)分析，最后選擇各模塊的第一級(jí)分級(jí)方案確定。

3 二級(jí)方案確定

通過以上分析，需要對(duì)4G芯片中采用何種系列LTE TDD制式芯片、MCU中采用何種系列32位MCU進(jìn)一步選擇，最后選擇各模塊的分級(jí)方案。

3.1 4G芯片的選擇

通過矩陣分析，4G芯片主要考慮B4整個(gè)4G通信模塊面積10 cm2，包含4G芯片、MCU、電壓轉(zhuǎn)換電路，4G芯片體積要小，截面積需小于4 cm2、B5低延時(shí)，延時(shí)低于0.1 ms。這兩個(gè)方面，其中B4作為最主要的參考指標(biāo)。用電壓表測(cè)量移遠(yuǎn)EC200T-CNDA和優(yōu)信SIM800C2種4G芯片的尺寸;經(jīng)過測(cè)量，移遠(yuǎn)EC200T-CNDA的尺寸滿足要求;優(yōu)信SIM800C的尺寸為2.2cm×2.2cm，橫截面積大于4 cm2，在4G模塊里面放不下，不滿足要求。

3.2 MCU的選擇

通過矩陣分析，MCU主要考慮C2體積要小，截面積需小于3 cm2。C3代碼執(zhí)行效率高，占用內(nèi)存資源少，其中C3作為最主要的參考指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)2G指令轉(zhuǎn)4G指令的代碼量小于2 M，測(cè)量兆易GD32F305RGT6和STM32F405RGT6兩種4G芯片的橫截面尺寸;經(jīng)過測(cè)試，兆易GD32F305RGT6的代碼占用為1.8 M，小于2 M，滿足要求;STM32F405RGT6的代碼占用為3.5 M，大于2 M，不滿足要求。

4 最終方案確定

針對(duì)方案進(jìn)一步的細(xì)化分解，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析最終確定細(xì)化后最終方案如圖2所示。

5 制定對(duì)策

如表3，根據(jù)細(xì)化后的最佳方案及5W1H原則，制定了詳細(xì)對(duì)策。

6 結(jié)束語

6.1 目標(biāo)檢查

經(jīng)過成本計(jì)算，每個(gè)集中器4G通信模塊的成本大大降低，節(jié)約了資金。每個(gè)集中器4G通信模塊的成本是168.5元，遠(yuǎn)低于目標(biāo)值197.04元。通過以上分析，目標(biāo)超額實(shí)現(xiàn)。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益驗(yàn)證

集中器通信模塊的成功研制，降低了集中器升級(jí)的成本，節(jié)省了大量的人力、財(cái)力，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)的全面退出，目前公司在用的2G集中器有22838只，按整機(jī)更換方案每個(gè)的升級(jí)成本為508.04元，隨著本模塊的成功研制，單獨(dú)更換模塊，成本只要168.5元，大大降低了升級(jí)成本，總共節(jié)省成本700多萬元，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱琳，高德云，羅洪斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的RPL路由協(xié)議研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（8）：1-4.