儀表測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)及共享裝置軟硬件設(shè)計(jì)

蔡勇超，余 勇，呂華良，曹小冬

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,廣東 佛山528000）

電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，貫穿電力系統(tǒng)發(fā)輸變配用各環(huán)節(jié)，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提[1-2]。作為電力通信網(wǎng)中的重要基礎(chǔ)設(shè)備，通信電源和通信光纜為通信設(shè)備提供動(dòng)力和通道，是整個(gè)通信系統(tǒng)的“心臟”和“血管”[3-4]。根據(jù)《南方電網(wǎng)通信電源現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》和《南方電網(wǎng)電力光纜檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》要求，通信班組檢修人員每年在通信設(shè)備年度定檢時(shí)，需要保存蓄電池的放電曲線和通信光纜的OTDR測(cè)試曲線，以此作為判斷蓄電池和通信光纜質(zhì)量?jī)?yōu)劣的依據(jù)[5-6]，因此及時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)從測(cè)試儀器導(dǎo)出并存儲(chǔ)至關(guān)重要。目前班組的做法是某個(gè)變電站定檢完成后當(dāng)天用U盤(pán)將曲線手動(dòng)從測(cè)試儀器中拷貝到電腦保存，導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新不及時(shí)或有時(shí)忘記拷貝數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)增加不同計(jì)算機(jī)之間感染木馬病毒的風(fēng)險(xiǎn)[7]，而且頻繁的插拔U盤(pán)，降低U盤(pán)的使用壽命。為提高測(cè)試數(shù)據(jù)的更新及時(shí)率和減輕班組每次定檢完都要拷貝數(shù)據(jù)的工作量，設(shè)計(jì)了一種便攜式的USB數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)和共享裝置，插入測(cè)試儀器的USB接口，利用無(wú)線通信技術(shù)，將測(cè)試儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)文件直接發(fā)送到數(shù)據(jù)中心保存，提高數(shù)據(jù)管理的效率和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前在用的蓄電池放電儀和OTDR大部分不支持網(wǎng)絡(luò)功能，若對(duì)其內(nèi)部改造增加通信模塊技術(shù)難度較大，經(jīng)濟(jì)性不高，因此只能從存儲(chǔ)介質(zhì)入手，采用帶無(wú)線傳輸功能的U盤(pán)替代傳統(tǒng)U盤(pán)。如圖1所示，將網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)插入蓄電池放電儀和OTDR的USB接口取代傳統(tǒng)的U盤(pán)，測(cè)試數(shù)據(jù)保存在網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)后，通過(guò)Wi-Fi或4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，用戶通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)時(shí)訪問(wèn)所需數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心在網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)，其具有普通U盤(pán)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，又能將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心?？紤]到變電站復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通常的低功耗無(wú)線通信技術(shù)，如藍(lán)牙、LoRa、Zigbee等在通信速率、傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定等方面都存在不足[8]，而Wi-Fi技術(shù)成熟可靠、運(yùn)用廣泛、覆蓋面廣，在有Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的變電站是最佳選擇。對(duì)于沒(méi)有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，可選擇目前應(yīng)用成熟、信號(hào)穩(wěn)定的4G無(wú)線公網(wǎng)通信，可滿足絕大部分場(chǎng)景下的應(yīng)用要求。

Wi-Fi傳輸采用IEEE 802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率高，傳輸距離遠(yuǎn)[9]，同時(shí)與采用IEEE 802.11協(xié)議的設(shè)備高度兼容，滿足測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸要求。4G傳輸采用TD-LTE技術(shù)協(xié)議，能夠靈活調(diào)整上下行通信時(shí)隙，滿足系統(tǒng)以發(fā)送數(shù)據(jù)為主的非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)需求，提高通信效率[10]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要以網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)設(shè)計(jì)為主，在普通U盤(pán)的基礎(chǔ)上增加Wi-Fi和4G通信模塊，總體設(shè)計(jì)如圖2所示。MCU是系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和外部通信，采用STM32H743為主CPU，最高運(yùn)行主頻可達(dá)480 MHz，集成2M Flash和1M SRAM，并支持多種外擴(kuò)功能，滿足測(cè)試數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)和及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的要求[11]。Wi-Fi通信模塊采用聯(lián)發(fā)科MT7681芯片，具有體積小、功耗低、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并支持IEE 802.11b/g/n協(xié)議[12]。4G通信模塊采用芯訊通的SIM 7600CE芯片，支持多種頻段和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，定位精度在2.5 m內(nèi)，上行最大傳輸速率達(dá)50 Mbit/s[13]。數(shù)據(jù)接口電路通過(guò)USB接口連接到測(cè)試儀表設(shè)備，將測(cè)試數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，電源管理模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源供應(yīng)，滿足各芯片電壓等級(jí)需求及功耗管理。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Wi-Fi通信模塊電路設(shè)計(jì)

Wi-Fi芯片采用聯(lián)發(fā)科推出的MT7681，完美支持IEE 802.11協(xié)議，具有高度集成、超低功耗、封裝體積小等優(yōu)點(diǎn)，可輕松為嵌入式設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，能夠滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)要求。同時(shí)，MT7681提供GPIO和PWM智能控制，以及UART、SPI和I2C等通信擴(kuò)展接口，便于系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)。

Wi-Fi通信模塊電路如圖3所示，MT7681發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TX和MCU接受數(shù)據(jù)引腳RX相連，MCU發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TX直接至多路復(fù)用器74LVC3157，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離和選擇后連接到Wi-Fi芯片的RX腳，提高通信的抗干擾能力。MCU和MT7681的復(fù)位腳通過(guò)開(kāi)關(guān)K2控制，實(shí)現(xiàn)同步復(fù)位；當(dāng)有數(shù)據(jù)通信時(shí)，IO4驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管閃爍，指示通信鏈路正常。

圖3 Wi-Fi電路原理圖

2.2 4G模塊天線設(shè)計(jì)

4G通信芯片采用芯訊通公司的SIM7600CE，支持LTE-TDD/LTE-FDD等全網(wǎng)通4G網(wǎng)絡(luò)，性能穩(wěn)定、外觀小巧，可以在低功耗模式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，滿足系統(tǒng)對(duì)功耗管理的需求。

變電站內(nèi)環(huán)境較復(fù)雜，信號(hào)衰減較大，因此系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。SIM7600CE共有3個(gè)天線集單元，分別是主集（MAIN_ANT）、分集（AUX_ANT）和GPS天線（GNSS_ANT）。GNSS天線可采用有源天線和無(wú)源天線，本系統(tǒng)采用有源天線設(shè)計(jì)，天線匹配電路如圖4所示。天線由主板供電，R1為限流電阻，阻值為10Ω，C1、C2、C3和L1的值根據(jù)天線進(jìn)行匹配，天線調(diào)諧后通常由天線供應(yīng)商提供，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，L1為47 nH，C1、C4為33 pF，C2和C3預(yù)留給調(diào)優(yōu)，R2為0Ω，天線信號(hào)最優(yōu)。主集和分集天線采用相同的設(shè)計(jì)，R3和R4阻值推薦為0Ω，C5、C6、C7、C8預(yù)留給調(diào)優(yōu)。

圖4 4G天線設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

采用Keil公司的嵌入式軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MDK5，具有界面美觀，易用性好等優(yōu)點(diǎn)，源文件編輯器采用UItraEdit，使用J-Link仿真器，下載和跟蹤調(diào)試都簡(jiǎn)潔方便。軟件分為應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)軟件，利用ST官方提供的固件庫(kù)，減少底層驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)難度，主要包括Wi-Fi和4G芯片的驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)整體軟件流程如圖5所示，裝置開(kāi)機(jī)后對(duì)系統(tǒng)初始化設(shè)置，完成后進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有測(cè)試數(shù)據(jù)輸入后，將數(shù)據(jù)保存在本地，若要發(fā)送數(shù)據(jù)，則通信程序被激活，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用Wi-Fi或4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心保存。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備和無(wú)線接入點(diǎn)采用IEE 802.11協(xié)議，無(wú)線接入點(diǎn)和交換機(jī)之間采用IEE 802.3協(xié)議，它們都是IEEE 802協(xié)議集。802.11定義了2種類(lèi)型的設(shè)備，一種是無(wú)線站，即文章設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)，另一個(gè)稱(chēng)為無(wú)線接入點(diǎn)，它的作用是提供無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接。傳輸鏈路如圖6所示，IEE 802.11的數(shù)據(jù)鏈路層由邏輯鏈路層（logic link control，LLC）和媒體控制層（media access control，MAC）組成[14]，802.11的MAC層和802.3的MAC層非常相似，都是在一個(gè)共享媒體之上支持多個(gè)用戶共享資源，這使得無(wú)線和有線的橋接非常方便，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送和存儲(chǔ)。

為了傳輸數(shù)據(jù)的安全性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)和無(wú)線接入點(diǎn)要經(jīng)過(guò)掃描、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)3個(gè)階段才能完成通信鏈路建立。無(wú)線客戶端可通過(guò)主動(dòng)掃描和被動(dòng)掃描2種方式與無(wú)線接入點(diǎn)建立連接[15]，被動(dòng)掃描是指無(wú)線客戶端通過(guò)監(jiān)聽(tīng)周?chē)鸁o(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)幀獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息，而主動(dòng)掃描則是無(wú)線客戶端在掃描網(wǎng)絡(luò)時(shí)主動(dòng)發(fā)送一個(gè)探測(cè)請(qǐng)求幀獲取網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，由于裝置需要隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此選擇主動(dòng)掃描方式。為了保證無(wú)線鏈路的安全，無(wú)線接入點(diǎn)需要完成對(duì)無(wú)線終端的認(rèn)證，認(rèn)證方式有開(kāi)放系統(tǒng)認(rèn)證和共享密鑰認(rèn)證[16]，本系統(tǒng)采用共享密鑰認(rèn)證，加密方法為有線等效保密（WEP），防止非法用戶竊聽(tīng)或侵入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。最后無(wú)線客戶端通過(guò)指定的SSID選擇變電站內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)的鏈路認(rèn)證后，就會(huì)立即向無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，關(guān)聯(lián)成功后即可開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸通道。

4 應(yīng)用測(cè)試

將裝置和OTDR的USB存儲(chǔ)接口連接，選擇保存路徑為USB存儲(chǔ)器，此時(shí)OTDR的測(cè)試文件數(shù)據(jù)將保存在裝置中，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)U盤(pán)應(yīng)用測(cè)試圖

此時(shí)的測(cè)試文件數(shù)據(jù)保存在本地裝置上，若要發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，則可以和現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)終端建立連接，然后在終端上選擇需要發(fā)送的文件，則數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。移動(dòng)終端可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)文件選擇復(fù)制、分享、發(fā)送等操作，提升數(shù)據(jù)管理的靈活性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在電力物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代，各種測(cè)試設(shè)備和應(yīng)用終端都將互聯(lián)互通，針對(duì)傳統(tǒng)通信測(cè)試儀表無(wú)法連接互聯(lián)網(wǎng)，測(cè)試數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、人工拷貝易丟失等問(wèn)題，研制了一款USB網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)裝置，可直接將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送和分享到其他用戶，應(yīng)用結(jié)果表明該裝置攜帶方便，即插即用，減輕作業(yè)人員拷貝數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，提升運(yùn)維作業(yè)智能化水平。

接下來(lái)將繼續(xù)擴(kuò)展該裝置的應(yīng)用范圍，融合各專(zhuān)業(yè)檢修數(shù)據(jù)，建立電力設(shè)備檢修大數(shù)據(jù)云平臺(tái)。