CN102832973B - 自动抄表系统入网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动抄表系统入网方法，先由集中器侧的OFDM模块上电启动组建网络，然后电能表侧的OFDM模块上电加入该网络。本发明中OFDM模块采用双向认证加入网络机制，解决了S-FSK电力载波自动抄表系统加入网络不可靠的问题；本发明由主模块维护表档案，解决了现有技术集中器需要实时维护表档案工作的问题；同时，由于设置通信超时时长，在加入错误网络时可以自动脱离，从而有效解决现有技术中电能表加入错误网络时，不能自动脱离的问题。跟现有技术相比，本发明彻底有效的解决了现有技术存在的几大弊端，提供了一种可靠性更高的电力载波通信模块的入网方法。

Description

自动抄表系统入网方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统入网方法，特别涉及一种自动抄表系统入网方法。

背景技术

目前的电力线载波通信主要有窄带单载波通信机制，利用扩频技术来提高通信的抗干扰与抗截获能力，例如PSK（相位键控调制方式）和S-FSK（窄带双载波复用技术）电力线通信机制。这些方式不仅频带利用率很低，而且通信速率也低，无法采用信道编码、加解密、接入控制、高效路由等技术来有效提高通信效果。

现有S-FSK电力载波自动抄表系统，其S-FSK模块的入网处理是在电表应用层与集中器应用层之间实现的，没有单独的网络层。通过抄表主站下发表档案给集中器，集中器管理表档案。在电能表加入网络时通过集中器单相认证来决定电能表的加入与否。当电能表加入网络时，携带表地址至集中器，再由集中器单向认证是否电能表的表地址在表档案中，如果在，则允许加入，如果不在，则拒绝加入。当电能表加入错误的网络时，其不能自动脱离网络并重新找网。S-FSK电力载波自动抄表系统架构如图1所示。

上述加入网络的方法存在电能表不能加入网络或加入错误网络的不稳定性，同时存在电能表一旦加入错误网络后不能自动脱离的重大缺陷。不仅如此，集中器维护表档案工作量也较大。由于表档案的管理完全由集中器完成，在电能表故障或加入错误的网络时，因为集中器并不知情，所以电能表的删除必须由工作人员到现场进行修改更正完成，增加了维护的难度以及维修成本。

发明内容

本发明提供了一种可靠性高的且电能表能自动脱离错误网络的自动抄表系统入网方法。

本发明提供的这种自动抄表系统入网方法，所述方法包括：

步骤1，在集中器的应用层和载波通信模块之间增加网络层，在电能表的应用层和载波通信模块之间也增加网络层；在集中器侧的载波通信模块为主模块，在电能表侧的载波通信模块为从模块；集中器的应用层通过网络层与主模块相连，并通过主模块将指令信号经由电力线网络发送至与之通信的从模块，同时通过电力线网络接收由被抄读的电能表发出的数据信号；所述电能表的应用层通过网络层与从模块相连，并通过从模块将数据信号经由电力线网络发送至主模块，同时通过电力线网络接收由集中器发出的指令信号；

步骤2，网络层用于集中管理和解决载波通信模块的入网问题，其包括UDP封装模块、IPv6封装模块、白名单和EAP-PSK鉴权模块，UDP封装模块将终端应用层数据报文封装成UDP报文，IPv6封装模块将UDP报文封装成可在IPv6网络层传输的IPv6报文；白名单是电能表的表地址和模块设备ID相对应的一个表格；EAP-PSK模块用于完成电能表加入网络的鉴权过程；

载波通信模块采用OFDM模块，用于将网络层的信号调制成适宜于电力线网络传输的信号，同时将在电力线网络传输的信号解调成网络层能接收的信号；

步骤3，主模块上电复位；集中器设置主模块的PANID，即子网ID，同时将其管理的电能表档案下发给主模块；由该主模块建立白名单，并设置自己的模块设备ID；主模块开始网络，等待从模块发起注册；

步骤4，从模块上电复位，扫描网络，选择信号最强的PAN网加入；从模块携带对应的电能表表地址至主模块，发起加入网络申请；

步骤5，主模块检查该表地址是否在白名单中，如果在，主模块将该电能表的状态设置为有效，如果不在，则主模块将该电能表的状态设置为无效；

步骤6，从模块和主模块进行EAP-PSK鉴权，如果鉴权成功，则主模块将该电能表的状态设置为激活，从模块加入网络成功；如果鉴权失败，则主模块将该电能表的状态设置为未激活，由此将该节点位置的电能表从PAN网中解除；

步骤7，从模块加入网络后，主模块分配一个模块设备ID给从模块，从模块以此标示自己，并作为路由子层寻址的节点地址，路由子层按照一定的算法组建路由；主模块和从模块的网络关系由此确立；

步骤8，从模块在由集中器组建的网络注册成功，标志自动抄表系统上电组建网络成功，主模块和从模块开始通信；若固定时间内，由集中器组建的网络中，无从模块注册成功，则表示主模块故障，建网失败，集中器断电，网络解除；

步骤9，主模块和从模块通信成功，完成抄表；若二者在设定时间内通信不成功，主模块将该电能表的状态设置为未激活，由此将该节点位置的电能表从PAN网中解除。

本发明在集中器和OFDM模块之间新增网络层，管理电能表入网的诸多问题。在网络层设置白名单，一方面管理电能表的表档案，一方面作为电能表入网的认证；同时增加EAP-PSK鉴权机制，实现电能表入网的双向认证。白名单中用表的出厂设备ID作为表地址，具有全球唯一性，用表地址的索引作为短地址，分配给从模块作为它的模块设备ID，成为网络节点标识。在白名单的链路通信时长设定超时时长，用来检查模块是否加入错误的网络。在白名单的状态域，设定四种表计状态，当需要删除故障的电能表或加入错误网络的电能表时，可以不用改动整个表格。

本发明中OFDM模块采用双向认证加入网络机制，解决了S-FSK电力载波自动抄表系统加入网络不可靠的问题；本发明由主模块维护表档案，解决了现有技术集中器需要实时维护表档案工作的问题；同时，由于在白名单中表计状态设置了无效，在加入错误网络时可以自动脱离，从而有效解决现有技术中电能表加入错误网络时，不能自动脱离的问题；在白名单中表计状态设置了“未激活”状态，在电能表故障时加入网络可以自动脱离，从而有效解决故障的电能表不能自动脱离的问题。跟现有技术相比，本发明彻底有效的解决了现有技术存在的几大弊端，提供了一种可靠性更高的自动抄表系统的入网方法。

附图说明

图1是S-FSK电力载波自动抄表系统入网示意图。

图2是本发明的系统架构图。

图3是本发明的OFDM模块结构图。

图4是本发明的网络层结构图。

图5是本发明的UDP帧格式图。

图6是本发明的IPv6帧格式图。

图7是本发明的实施方式结构示意图。

具体实施方式

OFDM机制具有抗衰减能力强、频带利用率高、适合高速数据传输以及抗码间干扰（ISI）能力强等优势，特别是其在抗多径衰落、抗干扰以及自适应编码调制方面具有性能优势，在自动抄表系统（AMR）、智能电网（Smart Grid）的发展中，是一种非常重要的通信技术。国内大多数公司研究主要侧重于在国外已有的芯片上进行应用开发，至今尚无OFDM电力线成熟产品。国际上，发达国家在这些方面走在了前列，欧洲制定了基于OFDM的PRIME（PRIME联盟发起的OFDM电力载波标准，主要由西班牙电力推动）和G3（G3联盟发起的OFDM电力载波标准，主要由法国电力和美信公司推动）两个窄带高速PLC标准。但是把OFDM高速电力线载波通信技术集成入电能表和集中器端，并组成自动抄表网络进行实际抄表系统，目前还未有相关产品。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图2所示，本发明的自动抄表系统包括终端应用层、网络层及OFDM模块。其中，终端包括电能表和集中器；OFDM模块是按照正交频分复用技术设计的多载波电力线调制解调器；网络层用于集中管理和解决OFDM模块入网的问题。为了提高OFDM电力载波入网的可靠性，减小集中器对表档案的管理工作量，避免现场人员对自动抄表网络的维护，在终端应用层和OFDM模块之间增加一层网络层，用来解决这些问题。

通信时，首先由集中器给需要抄读数据的电能表（对端电能表）发出抄表指令，然后该电能表将此集中器需要的计量数据回传至此集中器。

具体通信过程是：集中器发出抄表指令，通过串口发给网络层；网络层将该抄表指令进行格式转换，然后通过串口发给主模块（集中器侧的OFDM模块），主模块将其调制成适宜于电力线传播的信号，通过电力线网络（PLC）发送到对端电能表（即与主模块通信的被抄读的电能表）。从模块（对端电能表侧的OFDM模块）将其解调出来，通过串口把从集中器发出的抄表指令发给网络层，网络层再通过串口将此抄表指令发给电能表应用层。由此，电能表知晓集中器需要抄读的计量信息。

对端的电能表将计量信息通过串口发给其网络层，该网络层将计量信息转换成适于从模块的帧格式，然后通过串口将此转换帧格式后的计量信息发至从模块，从模块将其调制成适宜于电力线传播的信号，通过电力线网络发送到集中器。主模块将其解调出来，通过串口把从电能表发出的计量信息发给本端的网络层，该网络层再通过串口将此计量信息发给集中器应用层。由此，集中器获得所需计量信息。

如图3所示，本发明中OFDM模块包括可配置电力线媒介、物理层、MAC子层及路由子层。路由子层负责底层的组网及路由，MAC子层负责信道特性管理及路由性能管理，物理层应用OFDM调制或解调方式进行底层信号的发送或接收，最后通过可配置电力线媒介耦合到电力线上。

如图4所示，网络层作为OFDM模块与终端应用层之间的中间层，起到沟通终端应用层与OFDM模块对话的功能，所以这一层将实现电能表入网管理和OFDM帧格式与终端应用层帧格式的统一。下面详细说明这部分的构架与实现。

本发明的网络层包括UDP封装模块、IPv6封装模块、白名单及EAP-PSK鉴权模块。其中UDP封装和IPv6封装的目的是将终端应用层帧封装成OFDM模块路由子层所需要的帧格式。如图5所示，UDP封装将终端应用层数据报文APDU封装成UDP报文。如图6所示，IPv6封装将UDP报文封装成可在IPv6网络层传输的IPv6报文，这两层封装的目的是终端可以通过网线接入Internet。

一个终端设备在接入由某集中器组建的PLC 局域网时必须首先通过EAP-PSK鉴权，再通过白名单认证，方可加入该网络。

EAP-PSK模块用于完成电能表加入网络的鉴权过程，从模块携带PSK码至网络层，网络层通过EAP-PSK鉴权算法确认是否允许电能表加入，并通告电能表。如果鉴权失败则直接拒绝电能表的加入；如果鉴权成功，则将此表的地址发到白名单模块。白名单为表地址与模块设备ID的一个对应表，当表地址到达白名单后，网络层在白名单中查找有没有一致的表地址，当确定表地址是在白名单后，允许此表加入网络并分配相应的模块设备ID，如果发现白名单中没有一致的表地址后，则拒绝此表的加入。EAP-PSK鉴权算法采用现有成熟的鉴权算法。

本发明的白名单，见表一。

表一：

白名单是网络层的核心，是表地址和模块设备ID相对应的一个表格。此处的表地址是电能表的出厂设备ID，具有全球唯一性。而模块设备ID是分配给相应的从模块的短地址，作为它的设备ID。用模块设备ID作为建立网络的节点标识。短地址是白名单表地址的索引。

其中电能表的表计状态定义如下。

表计状态为“0”，表示电能表“无效”；其表地址已经从白名单中删除或无此表地址，这一对应的表信息认为是空。

表计状态为“1”，表示电能表“未激活”；该表已经通过白名单认证并接入网络，但在限定时间内无通信，并将其从网络中移除。此时，认为该表出现下面三种情况：

（1）     该表接入错误网络；

（2）     该表所在的节点已移除；

（3）     该表故障。

表计状态为“2”，表示电能表“激活”；且该表已经通过白名单认证并接入网络，并且正常通信。

表计状态为“3”，表示电能表“有效”；待接入的表的地址在白名单中，但是还未接入网络。

本发明采用“链路通信时长”这一指标对加入网络的电能表进行判断，看其是正常表，还是故障表、加入错误网络的表或该表所在的节点已移除。具体实施中，设定“链路通信时长”的最大值是240分钟，在这一时间范围内，若电能表无通信，则将其从网络中脱离。

利用表地址的索引作为与表地址对应的模块设备ID，所以在白名单中没有模块设备ID列。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

设现有集中器1，电能表1，电能表2，电能表3；假定此时集中器1需要抄读的对象是电能表1。

首先，由集中器1组建PLC局域网网络，即主模块1上电启动组建网络过程。

步骤一，主模块1上电复位；

步骤二，集中器1设置主模块的PANID1，即子网ID，PANID1规定为两个字节，且不能重复；

步骤三，主模块1设置自己的模块设备ID为十六进制的0000；

步骤四，EAP-PSK鉴权模块初始化；

步骤五，集中器1将自己管理的电能表2和电能表3的档案下都发给主模块1，主模块1建立白名单，即此两块电能表的表地址到对应模块设备ID的映射关系表；

步骤六，主模块1开始PAN1网络，等待对应从模块发起注册。

实施例一：电能表1加入PAN1网络（电能表1是此PAN1网中的表）。

步骤1，从模块1上电复位；

步骤2，扫描网络，发现全部PANID，选择PAN1网加入； 

步骤3，从模块1携带电能表1的表地址至主模块1，发起加入PAN1网络申请，主模块1检查该表的表地址是在白名单中，并将电能表1的“表计状态”从默认的“0”改为“3”；

步骤4，从模块1和主模块1进行EAP-PSK鉴权，鉴权成功，主模块1将电能表1的“表计状态”由“3”改为“2”，从模块加入网络成功；

步骤5，加入网络后，主模块1分配一个两个字节的模块设备ID给从模块1，从模块1据此标示自己，并作为路由子层寻址的节点地址，路由子层按照一定的算法组建路由；

步骤6，主模块1和从模块1的网络关系通过以上步骤组建起来。

电能表1成功加入由集中器1组建的PLC局域网之后，开始于集中器1实施数据通信。集中器1下发抄表指令给电能表1，电能表1接收到该抄表指令后，将自己的计量信息传送至集中器1，由此完成一次自动抄表。此处通信按照前面所述步骤予以实施。

实施例二：电能表2同时加入PAN1网络（电能表2的表地址在白名单中，但不是此PAN1网中的电能表，所以鉴权码不在此网络）。

步骤1，从模块2上电复位；

步骤2，扫描网络，发现全部PANID，选择PAN1网加入； 

步骤3，从模块2携带电能表2的表地址至主模块1，发起加入PAN1网络申请，主模块1检查该表的表地址是在白名单中，并将电能表2的“表计状态”从默认的“0”改为“3”；

步骤4，从模块2和主模块1进行EAP-PSK鉴权，鉴权失败。

此时，从模块2在“表计状态”为“3”时，即“有效”；但在非“激活”状态时，主模块1不能对其通信。

实施例三：电能表3同时加入PAN1网络（电能表3是PAN1网络中的表，但是该表所在的节点移除了，或者该表加入了错误的PAN1网，或者该表故障）。

步骤1，从模块3上电复位；

步骤2，扫描网络，发现全部PANID，选择PAN1网加入； 

步骤3，从模块3携带电能表3的表地址至主模块1，发起加入PAN1网络申请，主模块1检查该表的表地址是在白名单中，并将电能表3的“表计状态”从默认的“0”改为“3”；

步骤4，从模块3和主模块1进行EAP-PSK鉴权，鉴权成功，主模块1将电能表3的“表计状态”由“3”改为“2”，从模块加入网络成功；

步骤5，加入网络后，主模块1分配一个两个字节的模块设备ID给从模块3，从模块3据此标示自己，并作为路由子层寻址的节点地址，路由子层按照一定的算法组建路由；主模块1和从模块3的网络关系通过以上步骤组建起来；

步骤6，集中器1首次抄读电能表3，但是没有应答；

步骤7，主模块1减小电能表3的“链路通信时长”的值；集中器1连续抄读电能表3，但是始终没有回应，电能表3“链路通信时长”持续减少；

步骤8，电能表3“链路通信时长”减小至“0”时，主模块1将电能表3的“表计状态”修改为“1”表示未激活，并通知集中器1；由此，主模块1将此电能表3从网络中解除。

如果是该表所在的节点移除了，或者该表加入了错误的PAN1网，则不需要工作人员进行任何操作，仅由上述主模块1对电能表3的表计状态进行对应设置就可实现电能表3从PAN1网的移除。

如果该表故障，先将其从PAN1网中移除，即先退出网络，再进行人工维修。修复好后，该表的从模块上电重新加入PAN1网。

Claims (4)

1.一种自动抄表系统入网方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，在集中器的应用层和载波通信模块之间增加网络层，在电能表的应用层和载波通信模块之间也增加网络层；在集中器侧的载波通信模块为主模块，在电能表侧的载波通信模块为从模块；集中器的应用层通过网络层与主模块相连，并通过主模块将指令信号经由电力线网络发送至与之通信的从模块，同时通过电力线网络接收由被抄读的电能表发出的数据信号；所述电能表的应用层通过网络层与从模块相连，并通过从模块将数据信号经由电力线网络发送至主模块，同时通过电力线网络接收由集中器发出的指令信号；

步骤2，网络层用于集中管理和解决载波通信模块的入网问题，其包括UDP封装模块、IPv6封装模块、白名单和EAP-PSK鉴权模块，UDP封装模块将终端应用层数据报文封装成UDP报文，IPv6封装模块将UDP报文封装成可在IPv6网络层传输的IPv6报文；白名单是电能表的表地址和模块设备ID相对应的一个表格；EAP-PSK鉴权模块用于完成电能表加入网络的鉴权过程；

所述两个载波通信模块均采用OFDM模块，用于将网络层的信号调制成适宜于电力线网络传输的信号，同时将在电力线网络传来的信号解调成网络层能接收的信号； 

步骤3，主模块上电复位；集中器设置主模块的PANID，同时将其管理的电能表档案下发给主模块；由该主模块建立白名单，并设置自己的模块设备ID；主模块开启网络，等待从模块发起注册； 

步骤4，从模块上电复位，扫描网络，选择信号最强的PAN网加入；从模块携带对应的电能表表地址至主模块，发起加入网络申请；

步骤5，主模块检查该表地址是否在白名单中，如果在，主模块将该电能表的状态设置为有效，如果不在，则主模块将该电能表的状态设置为无效；

步骤6，从模块和主模块进行EAP-PSK鉴权，如果鉴权成功，则主模块将该电能表的状态设置为激活，从模块加入网络成功；如果鉴权失败，则主模块将该电能表的状态设置为未激活，由此将该电能表所在的节点从PAN网中解除； 

步骤7，从模块加入网络后，主模块分配一个模块设备ID给从模块，从模块以此标示自己，并作为路由子层寻址的节点地址，路由子层按照一定的算法组建路由；主模块和从模块的网络关系由此确立；

步骤8，从模块在由集中器组建的网络注册成功，标志自动抄表系统上电组建网络成功，主模块和从模块开始通信；若固定时间内，由集中器组建的网络中，无从模块注册成功，则表示主模块故障，建网失败，集中器断电，网络解除；

步骤9，主模块和从模块通信成功，完成抄表；若二者在设定时间内通信不成功，主模块将该电能表的状态设置为未激活，由此将该电能表所在的节点从PAN网中解除。

2.根据权利要求1所述的自动抄表系统入网方法，其特征在于，所述白名单是表地址和模块设备ID相对应的一个表格，表地址是电能表的出厂设备ID，模块设备ID是分配给相应的从模块的短地址，用模块设备ID作为建立网络的节点标识，该短地址是白名单表地址的索引。

3.根据权利要求1所述的自动抄表系统入网方法，其特征在于，所述白名单中设置表计状态，用于删除不能进行入网或者不能通信的电能表，包括不在白名单的电能表、所在节点已移除的电能表、加入错误网络的电能表或故障的电能表；在对后面这三种情况的电能表进行移除网络操作时，设置电能表的表计状态即可，均不用更改整个白名单表格。

4.根据权利要求1所述的自动抄表系统入网方法，其特征在于，所述白名单中设置链路通信时长，用于判定是否是能正常通信的电能表；当此链路通信时长的值为零时，认为出现了这几种情况之一：1）该表接入错误网络；2）该表所在的节点已移除；3）该表故障；主模块将包含此从模块的电能表的表计状态设置为未激活，由此将该电能表所在的节点从该网络中解除。

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