CN102255635B

CN102255635B - 一种基于电力线与gprs的通信装置

Info

Publication number: CN102255635B
Application number: CN 201110073666
Authority: CN
Inventors: 唐旭
Original assignee: Hangzhou Zailing Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG NEW ZAILING TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102255635A

Abstract

一种基于电力线与GPRS的通信装置，其特征在于：包括通信头端、通信终端、GPRS无线终端，所述的通信头端通过第一串行接口与GPRS无线终端通信，所述的通信头端通过电力线与通信终端进行以太网通信。GPRS无线终端、通信头端、通信终端组合在一起可构成一个完整的远程无线多点以太网传输控制平台，并且具有数据带宽大，传输可靠性高的特点，所以适用于各种电力网监控或工业控制等应用。

Description

一种基于电力线与GPRS的通信装置

技术领域

本发明涉及电通信技术领域，尤其涉及一种基于电力线与GPRS的通信装置。

背景技术

随着数字化技术取得突飞猛进的发展，GPRS和PLC的技术应用已相当成熟。

GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种基于第二代移动通信系统GSM的无线分组交换技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS的传输速率最高可达171．2 kbps，实际应用中的平均速率也高达53．6kbps。GPRS为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无线接口和X．25服务。GPRS采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效利用。用户永远在线，按流量计费，降低了服务成本。

PLC（Power Line Communicatio，电力线通信技术），是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话上，以实现信息传递。

PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M～45M之间。PLC设备分为局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。

现有技术应用中的PLC方案使用的是低频载波串行控制信号，低频载波的信号传输带宽很小，只能连接较少的终端单元，而且传输数据量受到很大限制；电力载波信号集中器与各终端之间使用串行信号通信（如I2C，SPI等），有两个缺点：一是集中器对终端单元寻址，虽然串行通信信号中可以嵌入终端单元地址，但必须在安装时每个单元进行预定义；二是数据重传机制，电力线载波通信经常受到电力线电磁干扰的影响，出现数据丢失或者通信中断的现象，带宽小的情况下更为明显，此时数据重传机制对保证通信可靠性至关重要，但串行信号很难设计较好的重传机制，所以通信的可靠性存有隐患。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供高频、可靠性更高的一种基于电力线与GPRS的通信装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电力线与GPRS的通信装置，其特征在于：包括通信头端、通信终端、GPRS无线终端，所述的通信头端通过第一串行接口与GPRS无线终端通信，所述的通信头端通过电力线与通信终端进行以太网通信。

本发明的第一优选方案为，所述的通信头端包括主控器CPU模块、第一电力载波调制解调器、第一电力载波模拟前端、第一电源插头、第一交流供电模块；

所述的主控器CPU模块通过第一串行接口与GPRS无线终端连接并通信，主控器CPU模块与第一电力载波调制解调器通过MII接口连接，所述的第一电力载波调制解调器与第一电力载波模拟前端通过AFE接口连接；

所述的主控器CPU模块用于处理、接收及发送以太网信号；

所述的第一电力载波调制解调器用于以太网信号与电力载波信号间的相互转换；

所述的第一电力载波模拟前端与第一电源插头连接，用于电力载波信号在电力线上加载或剥离；

所述的第一交流供电模块与第一电源插头连接，用于转换交流电源为直流电源为通信头端供电。

本发明的第二优选方案为，所述的第一串行接口为RS232接口。

本发明的第三优选方案为，所述的通信终端可与外部网络设备连接，所述的通信终端包括主控器MCU模块、第二电力载波调制解调器、第二电力载波模拟前端、第二电源插头、第二交流供电模块；

主控器MCU模块与第二电力载波调制解调器通过MII接口连接，所述的第二电力载波调制解调器与第二电力载波模拟前端通过AFE接口连接；

所述的主控器MCU模块用于处理、接收及发送以太网信号；

所述的第二电力载波调制解调器用于以太网信号与电力载波信号间的相互转换；

所述的第二电力载波模拟前端与第二电源插头连接，用于电力载波信号在电力线上加载或剥离；

所述的第二交流供电模块与第二电源插头连接，用于转换交流电源为直流电源为通信头端供电；

所述的主控器MCU模块还设有第二串行接口，与外部网络设备连接。

本发明的第四优选方案为，所述的第二串行接口包括RS232。

本发明的第五优选方案为，所述的第一交流供电模块包括第一变压器、第一整流管、第一A/D转换器，交流电经第一变压器降压后传递给第一整流管整流，再经第一A/D转换器进行A/D转换。

本发明的第六优选方案为，所述的第二交流供电模块包括第二变压器、第二整流管、第二A/D转换器，交流电经第二变压器降压后传递给第二整流管整流，再经第二A/D转换器进行A/D转换。

本发明的技术优势在于：GPRS无线终端、通信头端、通信终端。其中通信头端通过串行接口连接GPRS无线终端，使用AT指令来通过GPRS网络收发无线网络数据，将数据封装成以太网数据帧，通过电力线载波发送给电力网络中多个通信终端，并接受终端发回的数据；并且通信头端和通信终端之间的电力载波通信使用高频载波的以太网数据报通信，数据传输带宽大，抗干扰能力强，基于TCP/IP协议的以太网通信有着成熟数据报文重传机制，保证了数据传输的稳定性与可靠性。

GPRS无线终端、通信头端、通信终端组合在一起可构成一个完整的远程无线多点以太网传输控制平台，并且具有数据带宽大，传输可靠性高的特点，所以适用于各种电力网监控或工业控制等应用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1 为本实施例通信头端电路模块示意图。

图2 为本实施例通信终端电路模块示意图。

具体实施方式

GPR无线终端，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。

GPRS无线终端就是用GPRS网络来传输数据的设备,它采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台,超大内存,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。具体功能参数如下：

无线参数：

　　1. 支持EGSM900/GSM1800MHz双频，800/900/1800/1900MHz四频可选；

　　2. GPRS multi-slot class 10；

　　3. 编码方案：CS1~CS4；

　　4. 符合SMG31bis技术规范；

　　5. Compliant to GSM phase 2/2+；

硬件系统：

　　1. CPU：工业级高性能ARM9嵌入式处理器，带内存管理MMU；

　　2. FLASH：8MB，可扩充到32MB；

　　3. SDRAM：32MB，可扩充到256MB；

　　4. 接口：

控制口：RS-232, 115200 bps, 8 data bits,1 stop bit, no parity (8N1)；

　　指示灯：具有电源POWER、通信ACT及在线指示灯Online；

　　天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧；

　　 SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口；

　　电源接口：标准的耳机座电源插孔；

软件功能：

　　1. TCP/UDP透明数据传输；支持多种工作模式，心跳包技术；

　　2. 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；

　　3. 支持RSA，RC4加密算法；

　　4. 支持虚拟值守VWM（Virtual Man Watch）功能，确保系统稳定可靠；

　　5. 支持虚拟数据专用网（APN/VPDN）；

　　6. 支持数据中心动态域名和IP地址访问；

　　7. 支持DNS动态获取，防止DNS服务器异常导致的设备当机；

　　8. 支持双数据中心备份；

　　9. 支持多数据中心同时接受数据；

　　10. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接；

　　11. 支持短消息备份及告警；

　　12. 多重软硬件看门狗；

　　13. 数据包传输状态报告；

　　14. 标准的AT命令界面；

GPRS无线终端使用RS232接口连接通信头端；亦可以将此模块集成到通信头端中，不再使用外部接口连接，将产品两部分转化成一部分。

参考图1，通信头端是用于连接GPRS网络与电力线通信网络的设备，一方面RS232接口连接GPRS无线终端，使用AT指令控制GPRS无线终端及收发无线网络数据，一方面使用第一电力载波调试解调器连接电力线网络，与网络中的通信终端进行以太网通信，从而实现远程管理中心与PLC终端的远程无线通信。

具体硬件结构及功能参数如下：

硬件系统

　　1.主控器 CPU模块：工业级高性能ARM9嵌入式处理器，带内存管理MMU，内置FLASH和RAM

　　2.第一电力载波调制解调器：通过标准MII接口连接主控器CPU模块，性能要求如下：

可提供85～200Mbps数据速率；

具有前向纠错(FEC)、CRC16和CRC32；

用户可编程频率选择；

快速DES/3DES引擎实现最高的数据安全性；

CSMA/CA控制多节点网络流量；

ARQ增强数据传输可靠性；

3. 第一电力载波模拟前端：功能为将电力载波信号于电力传输线路的加载或剥离，通过AFE接口连接第一电力载波调制解调器上，与其组合使用将从MII接口的数字信号与电力线上的模拟信号进行转换

　　4. 接口：

　　控制口：RS-232, 115200 bps, 8 data bits,1 stop bit, no parity(8N1)

　　 GPRS接口：RS-232, 115200 bps, 8 data bits,1 stop bit, no parity

　　第一电源插头：标准的3芯品字型电源插座

5．电源部分：

外接电源：交流220V 50Hz~60Hz

电力载波部分：由第一电力载波模拟前端的驱动器接口直接连接外接交流电源；

第一交流供电模块：使用第一变压器将外部输入电流降压，再用第一整流管做交直流转换，最后使用第一A/D转换器的DC-DC芯片将直流供电转换为各各内部器件所需的电压。

软件功能：

　　1. 通过控制口（RS232）可使用优先级高的通信终端对通信头端进行配置和修改；

　　2. 软件系统内置GPRS操作模块，通过标准AT指令控制外接的GPRS 无线终端，达到连接GPRS网络，收发数据的功能；

　　3. 设置后的通信头端支持自动远程登陆管理中心服务器，接受服务器的监测与控制；

　　4. 设置后的通信头端将在所连接的电力线网络中自动搜索通信终端并建立连接关系；

　　5. 支持通过通信头端的控制口设置已连接的通信终端

　　6. 内置TCP/IP协议栈，负责对电力线上的传输数据行进IP报文的封装；

　　7. 支持在数据报文重传机制；

　　8. PLC头端支持与32个PLC终端的以太网连接；

　　9. 支持远程管理中心通过PLC头端管理所连接的所有PLC终端；

　　10. 支持信息备份及告警。

参考图2. 通信终端是用于监测与管理电力线通信网络终端的设备，一方面使用电力载波调试解调器连接电力线网络，与网络中的通信头端进行以太网通信，一方面通过各种外部接口连接电力终端设备，对其监测及管理，从而实现远程管理中心对电力网络终端设备的无线远程管理。具体硬件结构及功能参数如下。

硬件系统：

　　1.主控器 MCU模块：工业级高性能单片机或M0级ARM，内置FLASH和RAM；

　　2.第二电力载波调制解调器：通过标准MII接口连接主控器 MCU模块，性能要求如下：

可提供85～200Mbps数据速率

具有前向纠错(FEC)、CRC16和CRC32

用户可编程频率选择

快速DES/3DES引擎实现最高的数据安全性

CSMA/CA控制多节点网络流量

ARQ增强数据传输可靠性；

　　3. 第二电力载波模拟前端：功能为将电力载波信号于电力传输线路的加载或剥离，通过AFE接口连接第二电力载波调制解调器上，与其组合使用将从MII接口的数字信号与电力线上的模拟信号进行转换；

　　4. 主控器 MCU模块接口：

　　控制口：RS-232, 115200 bps, 8 data bits,1 stop bit, no parity (8N1)，既可以做设备初始化的控制口，也可以作为连接电力网终端设备的工控接口

　　工控接口：根据需求可选配RS485、I2C、SPI、MII等多种工业控制接口

　　第二电源插头：标准的3芯品字型电源插座

5．外接电源：交流220V 50Hz~60Hz

电力载波部分：由电力载波模拟前端的驱动器接口直接连接外接交流电源

第二交流供电模块：使用第二变压器将外部输入电流降压，再用第二整流管做交直流转换，最后使用二A/D转换器的DC-DC芯片将直流供电转换为各各内部器件所需的电压，

软件功能：

　　1. 通过RS232接口可使用超级终端对通信终端进行初始化配置和修改；

　　2. 设置后的通信终端可与通信头端在电力线网络中进行以太网通信，接受通信头端的监测与控制；

　　3. 执行通信头端发送的管理信息，对自身进行操作或控制多连接的工控设备；

　　4. 支持收集所连接的工控设备的反馈信息，并传送给通信头端；

　　5. 内置TCP/IP协议栈，负责对电力线上的传输数据行进IP报文的封装；

　　6. 支持在数据报文重传机制。

利用上述技术的智能民用电力节能系统。该系统的实施分为三个部分：

安装电力节能控制设备：该设备为每个民用电力用户使用，安装于用户电表与电力线出口之间，并提供一个工控接口；作用为按照工控接口接受的指令对用户供电参数进行调节，达到电力节能的目的，并将用户实时电力参数通过工控接口进行反馈。

首先将初始化配置过的通信终端安装在每个用户端的节能设备处，用工控接口与节能设备连接，电力线接口与节能设备共用；在一个片区的电力线出口处（根据用户数量而定，可以是几个楼层，或是一个单元，甚至整栋楼）安装一个通信头端与一个GPRS 无线终端（每个DTU都需要插入独立的SIM卡），使用标准电源插口安装通信头端于电力线出口处，用GPRS接口连接GPRS 无线终端，在用控制口对通信头端进行设置，使其能正确利用GPRS无线终端登陆GPRS无线网络，搜索电力线网络中的通信终端并与它们建立以太网连接。

设置远程管理中心：管理者在远程的管理中心中需要组建控制中心和数据库服务器，控制中心为计算机安装专用的管理软件，数据库服务器为服务器电脑安装专用的数据库软件；将两者放于用一局域网并通过ADSL或专网连接到Internet。

该系统的运行流程如下：

安装好所有设备并完成初始化配置以后，开通信头端将与所在区域的通信终端建立以太网连接，并通过GPRS 无线终端登陆GPRS网络，从而连接Internet。

管理员在控制中心上使用本系统专用管理软件连接Internet，添加各个通信头端到管理界面里，每个通信头端附属的通信终端也同时被添加到管理界面里；此时各个通信终端将通过工控接口接收到节能设备的反馈信息发送给通信头端，通信头端再将数据封装后通过Internet发送给控制中心，管理员将在管理软件界面上浏览到所有终端用户的供电参数。

管理员通过监测供电参数来发现用户用电异常，然后可以下发控制指令到通信终端，通过工控接口操作节能设备完成对用户供电参数的控制，从而实现远程管理用户供电参数，达到集中监控，节能限电，避免异常的效果。

控制中心的管理软件还可以与数据库服务器同步，将所有操作信息和监测信息备份，以供数据统计分析。

本发明不仅限于上述实施例所示的保护范围，所有基于本实施例的发明思想，皆在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于电力线与GPRS的通信装置，其特征在于：包括通信头端、通信终端、GPRS无线终端，所述的通信头端通过第一串行接口与GPRS无线终端通信，所述的通信头端通过电力线与通信终端进行以太网通信；

所述的通信头端包括主控器CPU模块、第一电力载波调制解调器、第一电力载波模拟前端、第一电源插头、第一交流供电模块；所述的主控器CPU模块通过第一串行接口与GPRS无线终端连接并通信，主控器CPU模块与第一电力载波调制解调器通过MII接口连接，所述的第一电力载波调制解调器与第一电力载波模拟前端通过AFE接口连接；所述的主控器CPU模块用于处理、接收及发送以太网信号；所述的第一电力载波调制解调器用于以太网信号与电力载波信号间的相互转换；所述的第一电力载波模拟前端与第一电源插头连接，用于电力载波信号在电力线上加载或剥离；所述的第一交流供电模块与第一电源插头连接，用于转换交流电源为直流电源为通信头端供电；所述的第一串行接口为RS232接口；所述的第一交流供电模块包括第一变压器、第一整流管、第一A/D转换器，交流电经第一变压器降压后传递给第一整流管整流，再经第一A/D转换器进行A/D转换；

所述的通信终端可与外部网络设备连接，所述的通信终端包括主控器MCU模块、第二电力载波调制解调器、第二电力载波模拟前端、第二电源插头、第二交流供电模块；主控器MCU模块与第二电力载波调制解调器通过MII接口连接，所述的第二电力载波调制解调器与第二电力载波模拟前端通过AFE接口连接；所述的第二电力载波调制解调器用于以太网信号与电力载波信号间的相互转换；所述的第二电力载波模拟前端与第二电源插头连接，用于电力载波信号在电力线上加载或剥离；所述的第二交流供电模块与第二电源插头连接，用于转换交流电源为直流电源为通信头端供电；所述的主控器MCU模块还设有第二串行接口，与外部网络设备连接；所述的第二串行接口包括RS232；所述的第二交流供电模块包括第二变压器、第二整流管、第二A/D转换器，交流电经第二变压器降压后传递给第二整流管整流，再经第二A/D转换器进行A/D转换；

还包括电力节能控制设备，所述电力节能控制设备为每个民用电力用户使用，安装于用户电表与电力线出口之间，并提供一个工控接口；所述电力节能控制设备的作用为按照工控接口接受的指令对用户供电参数进行调节，达到电力节能的目的，并将用户实时电力参数通过工控接口进行反馈；首先将初始化配置过的通信终端安装在每个用户端的电力节能控制设备处，用工控接口与电力节能控制设备连接，电力线接口与电力节能控制设备共用；在一个片区的电力线出口处安装一个通信头端与一个GPRS 无线终端，每个GPRS 无线终端都需要插入独立的SIM卡，使用标准电源插口安装通信头端于电力线出口处，用GPRS接口连接GPRS 无线终端，在用控制口对通信头端进行设置，使其能正确利用GPRS无线终端登陆GPRS无线网络，搜索电力线网络中的通信终端并与它们建立以太网连接；

还包括远程管理中心，管理者在远程管理中心中需要组建控制中心和数据库服务器，控制中心为计算机安装专用的管理软件，数据库服务器为服务器电脑安装专用的数据库软件；将两者放于同一局域网并通过ADSL或专网连接到Internet，安装好所有设备并完成初始化配置以后，打开通信头端将与所在区域的通信终端建立以太网连接，并通过GPRS 无线终端登陆GPRS网络，从而连接Internet；管理员在控制中心上连接Internet，添加各个通信头端到管理界面里，每个通信头端附属的通信终端也同时被添加到管理界面里；此时各个通信终端将通过工控接口接收到电力节能控制设备的反馈信息发送给通信头端，通信头端再将数据封装后通过Internet发送给控制中心，管理员将在管理软件界面上浏览到所有终端用户的供电参数；管理员通过监测供电参数来发现用户用电异常，然后可以下发控制指令到通信终端，通过工控接口操作电力节能控制设备完成对用户供电参数的控制，从而实现远程管理用户供电参数，达到集中监控，节能限电，避免异常的效果。