CN102176681A - 基于洪泛算法远程集中电表抄表系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于洪泛算法远程集中电表抄表系统，其特征是：它包括抄表主站、GPRS网络、集中器、电力载波电表，抄表主站和集中器都设有GPRS模块，他们之间的通信通过GPRS网络连接，集中器与电力载波电表之间的通信通过电力线。本发明克服了传统抄表方式的弊端，完成数据采集、计量、传输、结算等功能，实现远程抄读、查询、缴费、智能控制等功能，具有无需布线、工作量小、传输数据量大、准确性高、费用低等优点，用现代自动化技术替代人工管理，提高了效率。

Description

基于洪泛算法远程集中电表抄表系统

技术领域

本发明涉及电表抄表，特别是基于洪泛算法远程集中电表抄表系统。

背景技术

传统人工抄表方法由电力管理部门分派工作人员每月固定时间上门抄表，工作人员把抄到的电表数据汇总，再计算用户应缴纳的电费。这种传统的人工抄表方法不仅工作量大而且效率低，逐渐被现代的自动化抄表取代。

预付费IC卡省去了读表的麻烦和解决收费难的问题，但对电力部门来说数据统计和实时监测仍然是个有待解决的难题。

目前自动抄表系统采用有线和无线的通信技术。有线通信技术，系统稳定性好，数据传送可靠性高，但需铺设专门的通信线路，距离越远成本越高，而且增加布线的难度，还容易受到人为的破坏。而以前无线通信技术一般采用电台，或者RF无线模块。如采用电台通信，则在监测中心需要建立相应的电台、专用电源和铁塔天线，这种通信方式维护困难，成本也高。采用RF无线模块，受到无线管理的限制，在一定的频段范围内使用，而且不能把发射的功率做得太大，通信距离有限，不适用于远程通信。

随着电力载波通信(PLC)技术的发展，在载波通信中应用直接序列扩频技术。直接序列扩频的优点：抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址、抗多径干扰、直扩通信速率高等。利用直接序列扩频的这些优点在电力线上传输数据更加可靠，抗干扰能力增强。电力载波通信技术适用范围相当广泛，低压电力网覆盖面广，如何利用其巨大的网络资源，实现高质量的数据传输是一个世界性热点问题。

现在我国移动通信技术快速发展，技术成熟，GPRS网络系统覆盖全球各个角落，基于GPRS网络通信技术已经广泛应用。

发明内容

本发明针对现在技术的不足，而公开一种基于洪泛算法远程集中电表抄表系统，该系统具有无需布线、工作量小、传输数据量大、准确性高、费用低等优点。

本发明基于洪泛算法远程集中电表抄表系统，包括抄表主站、GPRS网络、集中器、电力载波电表，抄表主站和集中器都设有GPRS模块，他们之间的通信通过GPRS网络连接，集中器与电力载波电表之间的通信通过电力线。

所述的集中器以STM32处理器为核心，外接有复位电路、时钟电路、红外模块、电力载波模块、GPRS模块等，集中器通过GPRS模块接收主站发过来的命令，解析该命令后执行相应的动作。

所述的电力载波电表由CEP3001AC、LCD显示模块、红外模块、EEPROM模块、电压电流采样电路模块、电力载波模块等组成。CEP3001AC为电力载波电表的中央处理器，协调其他模块，完成对用户用电量的采集、处理、分析、储存，传输等操作。

以CEP3001AC为核心，实现对用户的用电进行监测，通过电力载波的方式与集中器通信，把用户的用电量上传到集中器，再有集中器通过GPRS转发到抄表主站。CEP3001AC外接了EEPROM模块，用于保存用户的相关数据，掉电的时候不会丢失。红外模块方便手持式抄表仪器和电表进行通信。CEP3001AC是内嵌的增强型8051兼容微处理器，同时内嵌了电能计量电路、扩频通信调制/调解电路、4*32段LCD显示控制/驱动电路等，接收模块与发送模块以电力线耦合，电力线下挂电表。

本发明克服了传统抄表方式的弊端，完成数据采集、计量、传输、结算等功能，实现远程抄读、查询、缴费、智能控制等功能，具有无需布线、工作量小、传输数据量大、准确性高、费用低等优点，用现代自动化技术替代人工管理，提高了效率。

附图说明

图1是本发明的基于洪泛算法远程集中抄表的结构框图；

图2是本发明的集中器结构框图；

图3是本发明的载波电表结构框图；

图4是本发明的基于洪泛算法建立路由流程图；

图5本发明的抄表主站对目的载波电表进行抄表流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1，本发明基于洪泛算法远程集中抄表系统包括抄表主站1、若干个集中器3、若干个电力载波电表A/B/C/D/E，以及已经存在的GPRS网络2和电力线4。所述的集中器和电力载波电表的使用量依区域大小而定，本实施例的集中器为1个，电力载波电表为5个。

抄表主站1通过GPRS网络2与集中器3进行双向通信，通过集中器3读取载波表的相关数据，为用户提供相关的数据查询服务，对用户的管理等。

集中器3上行通过GPRS网络与抄表主站1双向通信，下行通过电力线4与载波电表进行双向通信，集中器3和载波电表通信可以是直接通信的，也可以间接通信。集中器3具有解析上行与下行的通信协议，并且能相互转换相应的协议包发送。

电力载波电表完成对用户的监测，用电量的计量，数据传输等功能，主要通过电力线4与集中器3进行双向通信。此外，还支持手持式抄表PDA对该电表的数据读写。

图2是本发明的集中器3的结构框图。集中器3使用STM32处理器为核心，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。STM32外接GPRS模块，用于接收抄表主站下发的报文，同时向抄表主站发送应答的报文。红外模块用于与手持式抄表通信。电力载波模块通过电力线与载波电表通信。

图3是本发明的电力载波电表的结构框图。它包括CEP3001AC、红外模块、LCD、EEPROM、电压电流采样、电力载波发送接收模块。电力载波电表采用北京福星晓程公司尘产的一款芯片CEP3001AC。该芯片特点采用0.35um超大规模数/模混合CMOS制造工艺、内置高精度数字多功能电能计量电路、内嵌增强型8051兼容微处理器、内置扩频通信调制/解调电路、内置两个可灵活配置的全双工多功能UART、内置4*32段LCD显示控制/驱动电路等。CEP3001AC集电量测量、载波通信、LCD显示、时钟等功能于一起，是专门为电力载波电表量身定做的一款SOC，大大简化了硬件结构。

CEP3001AC集成了载波通信直接序列扩频单元，其优点在于：扩频通信技术可以在较低信噪比下实现可靠通信；由于在扩频通信中使用伪随机码作为扩频码，扩频码的一个很重要特点是其有足够的独立地址数实现码分多址的要求。所谓码分多址，是在通信系统中分配给每个用户一套正交码，通过正交性，对不同用户进行区分。PN码一般由反馈型线性移位寄存器产生，通过调整线性移位寄存器的结构可以产尘不同的伪随机序列。本方案使用的扩频单元伪随机码序列有Gold序列，Gold序列是m序列的复合码。它由两个码长相led等、码时钟速率相同的m序列优选对模2和构成，由此产生的序列码数要遥远多于m序列。在使用电力线载波技术入行抄表的系统中，PL3201是众多智能电表中的一个亮点，该芯片集成了CDMA电力线载波扩频通信内核，恰当地适应了抄表系统码分多址的特性。通过设置PL3201的内部通信寄存器，可以选择扩频使用的码地址。这样做的好处是，在规划集抄网络时，同一片台区的集中器和终端可以采用同一扩频码址，而相邻台区采用另一扩频码址。设置了不同扩频码址的设备之间的通信完全透明，彼此只相当于噪声干扰，因此只要在安装规划时统一设置不同的扩频码，不同台区之间就可以同时进行各自的抄收通信而无冲突影响。

CEP3001AC集成了电能计量模块，通过对电压、电流的采样，然后经过放大电路放大，通过A/D转换器转换成为数字信号，接下来经过数字滤波、移相以及相乘、积分等处理，最终得到有效的电能计量数据，从而完成对有功/无功功率、瞬时电流和电压的有效值以及当前的交流频率值的计算，计量。

参阅图4，基于洪泛算法建立路由的程序流程包含以下步骤：

在步骤S401中，抄表主站发送查询某载波电表路由报文，抄表主站以广播形式发送要查询某电力载波电表路由消息；

在步骤S402中，集中器接收广播报文并向下行广播，集中器接收广播报文，并且转为载波协议包以广播形式发送到下行通信信道；

在步骤S403中，载波电表接收广播报文并解析，电力载波电表接收到集中器发来的广播报文，解析该报文，提取相关的数据，如果第一次接收该报文相应的标志位置位，若不是第一次接收该报文则相应的标志位清零；

在步骤S404中，该表第一次接收该报文，电力载波电表判断收到的报文是否第一次接收到，如果已经接收过该报文，则执行步骤S409；如果是第一次接收该报文，则要对该报文进行处理，进入步骤S405；

在步骤S405中，目的地址与自身地址一致，从报文中提取目的地址与自身地址进行比较是否相等，假如相等，表明已经找到目的地址，执行步骤S406；假如不相等，表示目的地址还没有找到，要求继续寻找目的地址，执行步骤S407；

在步骤S406中，按原路返回应答消息，抄表主站记录路由，目的地址找到后，在电力载波电表按照收到报文的路由返回应答消息并且停止转发报文，执行步骤S410，抄表主站接收到应答消息后提取相关数据，生成该电力载波电表的路由表；

在步骤S407中，TTL-1＝0，电力载波电表收到广播报文分析不是自身的地址，则洪泛时间TTL减1处理，假如TTL等于0，表示洪泛超时，该数据包已经无效，执行步骤S410；假如不等于0，表示该数据包还在生命周期内，执行步骤S408；

在步骤S408中，整理报文、转发报文，洪泛时间TTL不等于0，整理报文，以自身地址为源地址，目的地址不变，以广播形式继续发送报文，继续寻找目的地址，然后重复步骤S403；

在步骤S409中，丢弃改报文，电力载波电表已经收到过该报文，丢弃该报文，执行步骤S410；

在步骤S410中，结束，目的地址已经找到对应的电力载波电表或者TTL等于0，电力载波电表结束洪泛算法建立路由程序流程；如果主站超时没接收到电力载波电表的应答消息，主站重发该程序，如果重发3次该程序都没收到电力载波电表的应答消息，则表明不存在该目的电力载波电表，或者该电力载波电表存在异常状况。

参阅图5，抄表主站对目的电力载波电表进行抄表流程包含以下步骤：

在步骤S501中，读入载波电表地址，即目的地址；

在步骤S502中，抄表主站查询该路由存在，抄表主站查询该目的地址的路由表，如果该目的地址的路由表已经存在在抄表主站，则执行步骤S503；如果该目的地址的路由表还没存在在抄表主站，则执行步骤S507，调用洪泛算法建立路由程序，确定路由后再与电力载波电表通信；

在步骤S503中，主站按该路由发握手信号，抄表主站根据存在的目的地址的路由表，向目的地址发出握手信号，表示将要与该表进行通信；

在步骤S504中，主站收到握手应答消息，抄表主站按照路由表对目的地址发出握手信号以后，等待目的地址的应答消息，并且开始计时，超过一定的时间没有应答消息，则执行步骤S508；如果在时间范围内收到了目的地址的应答消息，表示抄表主站与目的地址之间已经建立了通信路由，这时执行步骤S505；

在步骤S505中，主站发送对该表操作消息，抄表主站与电力载波电表建立通信路由以后，抄表主站按照该路由发出对目的地址的电力载波电表进行操作的消息，操作包括该电力载波电表的当前正向有功总电能、上1-12结算日正向有功总电能、电表有功常数、电表时钟、通信地址、继电器状态等；

在步骤S506中，主站接收操作应答消息，抄表主站发出对电力载波电表的操作消息以后，开始计时并等待电力载波电表的应答消息，在计时时间内，如果抄表主站接收到了电力载波电表的应答消息，则执行步骤S511；如果超出了计时时间没接收到电力载波电表的应答消息，则执行步骤S509；

在步骤S507中，洪泛建立路由，当抄表主站没有保存有目的地址的路由表或者抄表主站连续发送三次握手消息都没接收到目的地址的应答消息时，则要调用洪泛算法建立路由程序，确定路由以后抄表主站按照该路由重新发握手消息；

在步骤S508中，重发计数i＝3，抄表主站在等待接收握手应答消息时，启动计时器，当计时时间溢出还没收到握手应答消息时，抄表主站重发握手消息，连续发三次都没接收到握手应答消息，执行步骤S507，调用洪泛算法建立路由程序；

在步骤S509中，重发计数i＝3，抄表主站在等待接收操作应答消息时，启动计时器，当计时时间溢出还没有收到操作应答消息时，抄表主站对该表重发操作消息，如果连续重发三次都没收到操作应答消息，执行步骤S510；

在步骤S510中，异常处理，当抄表主站连续三次都没收到该表的操作应答消息时，而该表和抄表主站能正常通信，表明该表存在异常情况，需要做异常处理，然后执行步骤S511；

在步骤S511中，结束，抄表主站接收到操作应答消息或者异常处理完成以后，一次完整的抄表过程结束，对相关的数据进行处理后，可以开始下一个电力载波电表的操作。

Claims (5)

1.基于洪泛算法远程集中电表抄表系统，其特征是：它包括抄表主站、GPRS网络、集中器、电力载波电表，抄表主站和集中器都设有GPRS模块，他们之间的通信通过GPRS网络连接，集中器与电力载波电表之间的通信通过电力线。

2.根据权利要求1所述的基于洪泛算法远程集中电表抄表系统，其特征是：所述的集中器以STM32处理器为核心，外接有复位电路、时钟电路、红外模块、电力载波模块、GPRS模块，集中器通过GPRS接收主站发过来的命令，解析该命令后执行相应的动作。

3.根据权利要求1所述的基于洪泛算法远程集中电表抄表系统，其特征是：所述的电力载波电表由CEP3001AC对采样得到的电压电流信号进行数字化处理，得到用户的用电量信息，并将相应的数据量储存于EEPROM，另外通过电力载波模块完成数据的传输，也可以通过红外模块完成数据的传输，同时还可以在LCD上显示相应的信息。

4.基于洪泛算法远程集中电表抄表方法，包括如下步骤：

(1)读入电力载波电表地址，即目的地址；

(2)抄表主站查询该目的地址的路由表，如果该目的地址的路由表已经存在在抄表主站，则执行步骤(3)；如果该目的地址的路由表还没存在在抄表主站，则执行步骤(7)调用洪泛算法建立路由程序，确定路由后再与电力载波电表通信；

(3)抄表主站根据存在的目的地址的路由表，向目的地址发出握手信号，表示将要与该表进行通信；

(4)抄表主站按照路由表对目的地址发出握手信号以后，等待目的地址的应答消息，并且开始计时，超过一定的时间没有应答消息，则执行步骤(8)；如果在时间范围内收到了目的地址的应答消息，表示抄表主站与目的地址之间已经建立了通信路由，这时执行步骤(5)：

(5)抄表主站与电力载波电表建立通信路由以后，抄表主站按照该路由发出对目的地址的电力载波电表进行操作的消息，操作包括该电力载波电表的当前正向有功总电能、上1-12结算日正向有功总电能、电表有功常数、电表时钟、通信地址、继电器状态等；

(6)抄表主站发出对电力载波电表的操作消息以后，开始计时并等待电力载波电表的应答消息，在计时时间内，如果抄表主站接收到了电力载波电表的应答消息，则执行步骤(11)；如果超出了计时时间没接收到电力载波电表的应答消息，则执行步骤(9)；

(7)当抄表主站没有保存有目的地址的路由表或者抄表主站连续发送三次握手消息都没接收到目的地址的应答消息时，则要调用洪泛算法建立路由程序，确定路由以后抄表主站按照该路由重新发握手消息；

(8)抄表主站在等待接收握手应答消息时，启动计时器，当计时时间溢出还没收到握手应答消息时，抄表主站重发握手消息，连续发三次都没接收到握手应答消息，执行步骤(7)调用洪泛算法建立路由程序；

(9)抄表主站在等待接收操作应答消息时，启动计时器，当计时时间溢出还没有收到操作应答消息时，抄表主站对该表重发操作消息，如果连续重发三次都没收到操作应答消息，执行步骤(10)异常处理；

(10)当抄表主站连续三次都没收到该表的操作应答消息时，而该表和抄表主站能正常通信，表明该表存在异常情况，需要做异常处理，然后执行步骤(11)；

(11)：抄表主站接收到操作应答消息或者异常处理完成以后，一次完整的抄表过程结束，对相关的数据进行处理后，可以开始下一个电力载波电表的操作。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：基于洪泛算法建立路由的程序流程，包含以下步骤：

(1)抄表主站以广播形式发送要查询某电力载波电表路由消息；

(2)集中器接收广播报文，并且转为载波协议包以广播形式发送到下行通信信道；

(3)电力载波电表接收到集中器发来的广播报文，解析该报文，提取相关的数据，如果第一次接收该报文相应的标志位置位，若不是第一次接收该报文则相应的标志位清零；

(4)电力载波电表判断收到的报文是否第一次接收到，如果已经接收过该报文，则执行S009丢弃该报文，并且该表结束流程；如果是第一次接收该报文，则要对该报文进行处理，进入步骤(5)；

(5)从报文中提取目的地址与自身地址进行比较是否相等，假如相等，表明已经找到目的地址，执行步骤(6)；假如不相等，表示目的地址还没有找到，要求继续寻找目的地址，执行步骤(7)；

(6)目的地址找到后，在电力载波电表按照收到报文的路由返回应答消息并且停止转发报文，执行步骤(10)，抄表主站接收到应答消息后提取相关数据，生成该电力载波电表的路由表；

(7)电力载波电表收到广播报文分析不是自身的地址，则洪泛时间TTL减1处理，假如TTL等于0，表示洪泛超时，该数据包已经无效，执行步骤(10)；假如不等于0，表示该数据包还在生命周期内，执行步骤(8)；

(8)洪泛时间TTL不等于0，整理报文，以自身地址为源地址，目的地址不变，以广播形式继续发送报文，继续寻找目的地址，然后重复步骤(3)；

(9)电力载波电表已经收到过该报文，丢弃该报文，执行步骤(10)；

(10)目的地址已经找到对应的电力载波电表或者TTL等于0，电力载波电表结束洪泛算法建立路由程序流程；如果主站超时没接收到电力载波电表的应答消息，主站重发该程序，如果重发3次该程序都没收到电力载波电表的应答消息，则表明不存在该目的电力载波电表，或者该电力载波电表存在异常状况。

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