CN104243331A - 一种智能采集路由器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能采集路由器及其实现方法，所述路由器包括接口模块、路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块和网络管理模块；所述接口模块通过数据通道分别与路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块和网络管理模块连接；所述路由器外围接口为通信接口与智能电表连接的接口。所述方法包括直接路由转发方法和周期性采集方法。本发明极大程度地提高用电信息采集系统的可靠性，强化对未来新业务的兼容和扩展能力，提高采集网络的故障诊断能力和可管理性，能有效的降低其运维成本。

Description

一种智能采集路由器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种采集路由器，具体讲涉及一种智能采集路由器及其实现方法。

背景技术

现有的电力用户用电信息采集系统是一个分层系统，这样的典型系统结构由用电信息采集主站、集中器、智能电能表及通信网络组成。集中器是该系统的重要设备，它是整个系统中广域网和本地网络的交汇点。集中器通过本地网络连接智能电表，然后通过GPRS/3G等广域网络接入到主站。集中器通过一定的周期收集电能表的量测数据，并存储在集中器上。集中器再根据设置的任务，主动向主站上报数据；或主站根据需要从集中器上把数据取走。现有的集中器作为一个连接主站和智能电能表之间的终端设备，能较好地完成数据收集和上传的任务，但随着应用的进一步扩大和深入，集中器在网络的组织、管理和多业务支持等方面的局限性已经凸显。

集中器不是一个具有路由和交换功能的网络设备，它主要用于周期收集电能表数据，并根据业务需要对收集的数据进行处理和加工，然后存储于本地，主站到智能电能表的所有实时数据召测也是必须要通过集中器应用程序进行“硬转换”。由于集中器不具备路由器等网络设备的直接寻址、转换和网络管理能力，整个通信网络中可以被监视和管理的最小单元无法分配到最末端的设备(如智能电能表)，为此主站与末端设备的通信不是点对点方式，主站层面的网络管理系统也无法对末端设备实施管理，这样会给故障诊断、网元状态监视、网络安全及监管带来极大困难。

另外，集中器只是专用型采集设备，只能用于接入电表产品，很难扩展和兼容其他新业务。因此需要提供一种技术方案来构建一个更加开放和标准的本地网络通信架构，强化对未来新业务的扩展能力，兼容各类分布式电源并网、电动汽车充换电等业务，易于在同一通信平台上实现智能电能表及非表计设备的统一接入。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明一种智能采集路由器及其实现方法，为了更好地兼容大量新业务和保护现有投资，并提高采集网络的故障诊断能力和可管理性，降低其运维成本，本发明提出了一种集网络和采集功能于一体的智能采集路由器，网络方面采用基于TCP/IP的技术实现，用于代替现有的集中器。

本发明智能采集路由器是一种具有采集功能的网关设备，作为网关设备，它用于连接广域网与本地子网，具有判断网络地址和选择IP路径的功能。在本地子网的建立和管理方面，能兼容微功率无线或电力线载波等通信介质，组成IP化的本地网络。内嵌的采集功能，可通过预置的多种通信协议模块对表计设备进行定时自动数据抄收，并将采集数据先进行本地存储，随后自动上报或等待主站的召测，本智能采集路由器工作原理如图2所示。此外智能采集路由器除了使用指定的IP端口向用电信息采集主站发送数据外，也支持通过配置另外的端口，向多个其他的业务系统同时进行数据分发，实现“一源多发”的效果。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种智能采集路由器，其改进之处在于，所述路由器包括接口模块、路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块和网络管理模块；

所述接口模块通过数据通道分别与路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块和网络管理模块连接；

所述路由器外围接口为通信接口与智能电表连接的接口。

优选的，所述接口模块包括端口和转发单元，具有独立数据传输通道标识和报文转发功能；所述智能采集路由器上行采用Eth光/电口或GRPS/3G/LTE方式，并用广域网与用电信息采集主站连接，上行通信支持IPv4/IPv6双协议栈；下行兼容电力线载波、微功率无线通信介质，用于提供IP化本地网络的建立和管理。

优选的，

所述路由表维护模块与接口模块相连；

所述共享内存模块用系统总线与接口模块相连；

所述CPU中央处理模块分别与采集功能模块、接口模块、时钟模块相连；

所述采集功能模块通过接口模块与表计终端连接。

进一步地，所述上行通信接口支持GPRS/HSDPA/LTE、FE电口/FE光口/GE光口；所述下行通信接口支持SubGHz、以太网RJ45、MVPLC、RS485及WIFI；DI接口用于传入数字量信息；RS232接口为控制串口。

进一步地，所述GPRS/HSDPA/LTE是无线公共广域网接口；FE电口为通用快速以太网百兆网电缆接口，用于连接以太网电缆；FE光口为通用快速以太网光纤接口；GE光口为千兆传输速率的以太网光纤接口。

本发明基于另一目的提供的一种智能采集路由器实现方法，其改进之处在于，所述方法包括直接路由转发方法和周期性采集方法。

优选的，所述直接路由转发方法包括通过采集路由器的路由和寻址功能，建立主站系统和末端设备之间的端到端通信链路，主站系统和末端设备通过采集路由器直接交换数据。

优选的，所述直接路由转发方法包括

(1.1)由数据通道将带有地址、数据信息的完整数据帧送至接口模块；

(1.2)接口模块将数据包复制到数据包缓冲区中，产生中断指令给CPU；

(1.3)CPU接收中断请求信号，继而完成路由表查询，选择转发接口模块，指定转发通道，进行数据压缩、过滤、初始化缓存任务；

(1.4)处理后的数据包经由帧首部重写后，从数据包缓存通过总线送至接口模块；

(1.5)在接口模块内经CRC校验后送达指定转发通道。

优选的，所述周期性采集方法包括

(2.1)智能采集路由器按设定的任务对智能电表进行定时自动数据抄收，并存储采集数据；

(2.2)主站根据预定的采集任务下发命令至智能采集路由器接口模块，网络管理模块进行监管；

(2.3)接口模块将数据包复制到数据包缓冲区，产生中断；

(2.4)CPU接收中断完成路由表查询，选择转发接口模块，指定转发通道，报文通过规约解析模块解析数据包；

(2.5)抽取执行采集功能模块中的历史查询模块的数据，数据流按照协议要求经由接口模块封装处理；

(2.6)接口模块将数据上送至主站系统，完成历史数据查询。

优选的，所述周期性采集方法采集智能电表15分钟、30分钟或一小时间隔的量测数据，并将其保存在集中器中，用于提高主站系统对智能电表数据采集的成功率。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

(1)本发明同时具备网络和采集功能，在具有路由和交换等网络管理优点的同时，内嵌的采集功能，极大程度地提高用电信息采集系统的可靠性。

(2)本发明智能采集路由器能构建一个更加开放和标准的IP化本地网络通信，强化对未来新业务的兼容和扩展能力。

(3)本发明支持主站与末端设备的点对点通信，提高采集网络的故障诊断能力和可管理性，能有效的降低其运维成本。

附图说明

图1为本发明提供的智能采集路由器结构图。

图2为本发明提供的智能采集路由器工作原理图。

图3为本发明提供的智能采集路由器外围接口示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种智能采集路由器包括接口模块、路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块、网络管理模块。

其中，所述接口模块包括端口和转发单元；具有独立数据传输通道标识和报文转发功能。接口模块把接收到的IP报文解析出来，在发送报文时把IP报文封装到数据帧中，转发功能主要完成接收报文、查找路由转发表、查找报文在网络中的下一节点、寻找输出端口、把报文发送到转发模块，继而转发到输出端口；

路由表维护模块与各个接口模块相连，负责维护路由信息；

共享内存模块通过系统总线与接口模块相连。负责为每个接口模块分配存储空间；

CPU中央处理模块与采集功能模块、接口模块、时钟模块相连；

采集功能模块通过接口模块与表计终端连接。通过下行信道自动抄收并存储智能电表的数据，具有自动任务和定时任务采集、采集数据的上报、本地存储及历史数据文件的查询和上传功能；

网络管理模块支持标准的网络管理协议SNMPv3，能够在安全的前提下作为一个IP网元被通用网管系统管理；

网络安全模块提供防火墙功能，对登录用户提供身份验证，对于申请加入通信网络的终端节点，提供身份验证机制，拒绝非认证节点非法加入通信网络；

数据安全模块采用业界公认的安全的加密算法，对采集数据的存储和传输都进行了加密；

本地及远程维护功能模块提供本地和远程的升级功能，并提供日志和告警功能。

如图3所示，本发明智能采集路由器外围接口。

上行通信接口可以支持GPRS/HSDPA/LTE、FE电口/FE光口/GE光口，GPRS/HSDPA/LTE是无线公共广域网接口；FE电口为通用快速以太网接口，即百兆网电缆(RJ45)接口，用于以太网电缆连接；FE光口为通用快速以太网光纤接口；GE光口为千兆传输速率的以太网光纤接口；下行通信接口支持SubGHz、以太网RJ45、MVPLC、RS485、及WIFI，用于与智能电表连接；DI接口用于传入数字量信息；RS232接口为控制串口。

智能采集路由器上行采用Eth光/电口或GRPS/3G/LTE方式，通过广域网连接到用电信息采集主站，上行通信支持IPv4/IPv6双协议栈。下行兼容电力线载波、微功率无线等通信介质，提供IP化本地网络的建立和管理能力。智能采集路由器作为连接广域网和本地子网的网关设备，具有路由、寻址、Qos及时钟等功能，采集路由器采用标准化的IP网元设计，支持主站层面电信级的网络管理系统，可以在网管图形界面上直观的进行监控和维护。另外智能采集路由器具有划分本地多个子网和流量控制的能力，能支持配电自动化、电动汽车充换电、分布式电源并网等多项业务同时接入，并根据业务优先级进行服务质量控制。智能采集路由器基于嵌入式操作系统平台开发，有linux、window等不同型号，且为应用程序提供了一套完备的SDK和虚拟主机运行环境，用户可以根据新的业务采用SDK开发应用程序，并部署在智能采集路由器上运行。

本发明智能采集路由器对用电信息数据有两种工作模式，即直接路由转发模式和周期性采集模式，具体说明如下：

直接路由转发模式一般用于对智能电表的即时数据召测、事件报警、参数设置及通信心跳等方面，该方式利用采集路由器的路由和寻址功能，建立主站系统和末端设备之间的端到端通信链路，主站系统和末端设备通过采集路由器直接交换数据。

具体实时性数据路由交换过程如下：

1、带有地址、数据信息的完整数据帧首先经由数据通道被送至接口模块；

2、接口模块负责把数据包复制到数据包缓冲区中，并产生一个中断指令给CPU；

3、CPU接收中断请求信号，继而完成路由表查询，选择转发接口模块，指定转发通道，并在此期间完成数据压缩、过滤、初始化缓存等任务；

4、处理后的数据包经由帧首部重写后，从数据包缓存通过总线送至接口模块；

5、在接口模块内经过一系列CRC校验等过程后最终被送达指定转发通道，完成路由数据交换的全过程。

周期性采集模式主要考虑到本地网络信道稳定性差、数据容易丢失的特点，智能采集路由器定期采集智能电表15分钟、30分钟或小时间隔的量测数据，保存在集中器中，以提高主站系统对智能电表数据采集的成功率。

具体周期性用电数据采集过程如下：

1、采集路由器按设定的任务对智能电表进行定时自动数据抄收，并将采集数据存储在采集路由器存储设备上；

2、主站系统根据业务需要，按预定的采集任务下发命令至采集路由器接口模块，接受网络管理模块的监管，接口模块负责把数据包复制到数据包缓冲区，并产生中断；

3、CPU接收中断完成路由表查询，选择转发接口模块，指定转发通道，报文经过规约解析模块完成对数据包的解析过程；

4、按照召测类型对执行采集功能模块中历史查询模块的数据进行抽取，然后数据流按照协议要求经由接口模块封装处理；

5、将需要上送主站的数据通过接口模块送至主站系统，完成历史数据查询的应答过程。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能采集路由器，其特征在于，所述路由器包括接口模块、路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块和网络管理模块；

所述接口模块通过数据通道分别与路由表维护模块、CPU处理、共享内存、采集功能模块、时钟模块、QoS服务模块、数据/网络安全模块和网络管理模块连接；

所述路由器外围接口为通信接口与智能电表连接的接口。

2.如权利要求1所述的一种智能采集路由器，其特征在于，所述接口模块包括端口和转发单元，具有独立数据传输通道标识和报文转发功能；所述智能采集路由器上行采用Eth光/电口或GRPS/3G/LTE方式，并用广域网与用电信息采集主站连接，上行通信支持IPv4/IPv6双协议栈；下行兼容电力线载波、微功率无线通信介质，用于提供IP化本地网络的建立和管理。

3.如权利要求1所述的一种智能采集路由器，其特征在于，

所述路由表维护模块与接口模块相连；

所述共享内存模块用系统总线与接口模块相连；

所述CPU中央处理模块分别与采集功能模块、接口模块、时钟模块相连；

所述采集功能模块通过接口模块与表计终端连接。

4.如权利要求2所述的一种智能采集路由器，其特征在于，所述上行通信接口支持GPRS/HSDPA/LTE、FE电口/FE光口/GE光口；所述下行通信接口支持SubGHz、以太网RJ45、MVPLC、RS485及WIFI；DI接口用于传入数字量信息；RS232接口为控制串口。

5.如权利要求4所述的一种智能采集路由器，其特征在于，所述GPRS/HSDPA/LTE是无线公共广域网接口；FE电口为通用快速以太网百兆网电缆接口，用于连接以太网电缆；FE光口为通用快速以太网光纤接口；GE光口为千兆传输速率的以太网光纤接口。

6.一种权利要求1～5项的任一项的智能采集路由器实现方法，其特征在于，所述方法包括直接路由转发方法和周期性采集方法。

7.如权利要求6所述的一种智能采集路由器实现方法，其特征在于，所述直接路由转发方法包括通过采集路由器的路由和寻址功能，建立主站系统和末端设备之间的端到端通信链路，主站系统和末端设备通过采集路由器直接交换数据。

8.如权利要求7所述的一种智能采集路由器实现方法，其特征在于，所述直接路由转发方法包括

(1.1)由数据通道将带有地址、数据信息的完整数据帧送至接口模块；

(1.2)接口模块将数据包复制到数据包缓冲区中，产生中断指令给CPU；

(1.3)CPU接收中断请求信号，继而完成路由表查询，选择转发接口模块，指定转发通道，进行数据压缩、过滤、初始化缓存任务；

(1.4)处理后的数据包经由帧首部重写后，从数据包缓存通过总线送至接口模块；

(1.5)在接口模块内经CRC校验后送达指定转发通道。

9.如权利要求6所述的一种智能采集路由器实现方法，其特征在于，所述周期性采集方法包括

(2.1)智能采集路由器按设定的任务对智能电表进行定时自动数据抄收，并存储采集数据；

(2.2)主站根据预定的采集任务下发命令至智能采集路由器接口模块，网络管理模块进行监管；

(2.3)接口模块将数据包复制到数据包缓冲区，产生中断；

(2.4)CPU接收中断完成路由表查询，选择转发接口模块，指定转发通道，报文通过规约解析模块解析数据包；

(2.5)抽取执行采集功能模块中的历史查询模块的数据，数据流按照协议要求经由接口模块封装处理；

(2.6)接口模块将数据上送至主站系统，完成历史数据查询。

10.如权利要求6所述的一种智能采集路由器实现方法，其特征在于，所述周期性采集方法采集智能电表15分钟、30分钟或一小时间隔的量测数据，并将其保存在集中器中，用于提高主站系统对智能电表数据采集的成功率。