CN105046935A - 一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，包括主站、集中器、采集器和智能电表等组成部分，主站通过公共通信网络连接集中器，集中器上连接有台区考核总表、多个三相智能电表、单相智能电表和采集器，采集器上连接有多个RS485智能电表；集中器、采集器、单相智能电表和三相智能电表之间采用无线通信网络或者载波通信网络连接，使双模的集中器路由模块和双模的电表模块或采集器模块协同工作，建立本台区下完的全覆盖的双通道通信网络，实现全网络的双通道多任务的双模通信。本发明中，多种通信模式互补短板，解决线路信号衰减或距离过远导致的通信失败的问题，极大地提高了通信成功率和通信效率。

Description

一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统

技术领域

本发明涉及一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，属于通信技术领域。

背景技术

传统的集抄系统采用电力线载波通信，优点是不用重新铺设线路，利用现有的电力线作为介质进行信号传输，但系统信道容易受现场伺服电机、大功率马达、变频空调等设备的影响，电力线信号传输存在高削减和高变形。近年来逐渐发展起来的微功率无线集抄系统，利用空间电磁场传输电磁波信号，无需考虑线路状况，但其在高楼间、屏蔽场所及有电磁干扰的环境信号衰减很大，系统抄表成功率也不高。

目前全国电力系统在用电信息采集系统，下行通信中用得较多的通信技术有低压载波或微功率无线两种，这两个通信方式都存在着明显的弊端：低压电力线路的通信环境恶劣，载波通信容易受电网阻抗变化、噪声、谐波等影响，造成通信不可靠，一次实抄率仅为96％；微功率无线通信受传输距离、建筑物阻挡、无线干扰等原因影响，抄表成功率也较低。由于电力线上负载动态变化范围大，信号衰减严重，噪声频谱成分复杂，从而导致目前电力载波通信稳定性差，其中载波通讯中的“孤岛”现象，就是一个比较突出的问题，从目前来看，载波还没有卓有成效的技术手段，可以避免线路上存在的这些问题。在寻求载波技术取得突破的同时，我们也在尝试载波与其他通道相结合的方案。

微功率无线通信受传输距离、建筑物阻挡、无线干扰等原因影响，抄表成功率也比较低。随着新业务对采集质量要求的不断提升，三层采集结构的采集稳定性、准确性和高效性都不能满足实际业务需求，而改变采集结构则需要投入大量人力、物力和财力。为了解决成功率的问题，采用窄带高速载波与微功率无线相结合的通信方式，同时以电力线与无线信道为媒介，充分利用双通道的互补特性，实现低压电力用户信息传输、交互、汇集的通信网络，构成了双网络解决方案。为了解决通讯成功率问题，采用低压载波与微功率无线相结合的通信方式，以低压载波为主，微功率无线为辅，两者互相协调，自动切换，构成双模的解决方案，克服了低压载波与微功率无线的缺陷，可极大的提高抄表成功率，使用电信息采集系统真正走向实用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，将两个功能集成在一个模块中，使其具有了电力线载波和微功率无线两种方式的通信功能，从而实现双模双网络通信，克服了电力线载波与微功率无线的缺陷，提供稳定可靠的网络环境，实现低压电力用户信息的传输，交互和汇集，极大的提高了通信的可靠性和通信效率。作为采集终端与电表之间的信息传输媒介，载波信道存在干扰信号失真或通信不成功时，路由控制策略自动尝试微功率无线通信，两种通信方式自动切换，取长补短，自动选择优质信道传输数据，高效高质的完成采集终端与电表的交互，解决三层采集结构的组网、传输瓶颈问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，包括主站、集中器、采集器、智能电表等组成部分。主站通过公用通信网络连接集中器，集中器上连接有多个三相智能电表、台区考核总表、单相智能电表和采集器，采集器上连接有多个RS485智能电表；集中器、采集器、单相智能电表和三相智能电表之间采用无线通信网络或者载波通信网络连接，使双模的集中器路由模块和双模的电表模块协同工作，通过组网、路由发现过程建立本台区下的完全覆盖的双通道通信网络，从而实现全网络的双通道多任务的双模通信系统。

进一步地，该系统中，载波通信中的载波芯片输出端连接有无线芯片和信号放大滤波电路，信号放大滤波电路输出端连接有信号耦合电路，信号耦合电路上外接有过零检测电路，无线芯片中设置有无线信号发射接收电路；载波芯片上还连接有接口电路及指示灯和接收滤波电路。

进一步地，该通信系统组网过程为：通过中央协调节点中的白名单对终端节点的认证，及网络短地址分配过程，网络组建过程需1次，当终端节点在被分配网络短地址后除事件上报外没有再主动发起通信的需求。中央协调节点在上电后发送信标请求帧，目的是识别相邻网络，确保网络ID的唯一，相邻网络的中央协调节点收到此信标请求后和自身的网络ID进行比对，如果发现ID相同，则认为是网络冲突，启动网络ID协调过程。如果确定网络ID为唯一的，则发送信标帧。节点通过信标帧中的网络号来决定是否需要进行注册，中央协调节点通过白名单对申请注册的终端节点进行身份认证，如果认证成功，中央协调节点将给申请节点回应注册成功报文分配一个全网唯一的网络地址给申请节点，否则应答注册失败报文。

进一步地，该通信网络中的路由发现机制为，路由发现过程发生在本地没有达到目的节点的路由信息或通信存在断路的情况下，路由发现过程的目的是重新建立到达目的节点的路由信息。路由请求发起节点发送请求，并等待目的节点的应答，如果请求失败，发起节点记录相关信息，并择机再次发送请求。中间节点收到请求后，首先在检索本地存储信息，如果此请求存在，则不再次转发此请求，但会优化通信路径。否则，在路由表中建立一条反向链接记录，并在请求表中加入此请求信息。当目的节点收到一个请求，则在本地路由请求表中查找是否有此记录，如果存在，则评价此次路径是否优于已存储的，如果是，则用此次请求的源节点代替原有反向节点，否则，丢弃此请求。回复传输到路由请求发起节点时，如果此节点为中继节点，那么将回复帧转换为点抄帧并回复给最终源节点。

进一步地，上述双模异构网络具有以下功能特点：

(1)双模网络：兼容基于OFDM的低压电力线载波信道和基于GFSK的微功率无线信道，两个信道相互独立，两个信道同时收发，微功率无线通信技术和电力线载波通信技术互补，构成了双模网络；

(2)利用CSMA载波侦听多路访问：在发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据；在发送数据时，边发送边继续监听；若监听到冲突，则立即停止发送数据；等待一段随机时间，再重新尝试；CSMA保证了数据传输的可靠稳定，但其算法需要精准和高效；

(3)双模通信网络节点平等：双模通信网络中的终端节点都具有存储和转发和路由等功能终端节点在网络中的地位平等；

(4)按需路由策略：节点与节点之间以一种松散的方式组合，采用按需路由策略可以组建并适应各种网络拓扑结构；

(5)双信道并行任务：确定双模通信网络中所有节点都具有双信道的配置后，则可以同时在两个信道上执行不同的汇集任务，并可以限定每个任务只能在制定的信道中运行，而不能跨信道；

(6)辅助信道：在进行点抄时，查找路由表并确定下一跳节点，如果PLC发送后，无线作为辅助信道紧跟着发送，目的节点在收到报文后，此节点具有双信道，那么以相同的信道应答ACK；如果目的节点从两个信道都收到报文，根据相同报文过滤规则也只会响应通过快速信道传输来的报文，因此两个信道速率无需匹配；

(7)并行信道：在进行组网或数据汇集时，双信道没有主从之分，代理节点往往要承载着较多的传输任务，原则是哪个信道空闲则使用哪个信道通信。首先代理节点会扫描两个信道，当有一个信道检测空闲时，代理节点会查找缓冲区中待发的报文，通过下一跳地址来查找路由表确定其是否具有双信道配置，且通过历史记录评价此信道的成功概率，并使用此信道发送。通过通信结果成功与否的反馈，最终在一段时间内可获得到某节点的最优信道，为下次选择提供参考依据。

(8)路由发现：路由发现过程发生在本地没有达到目的节点的路由信息或通信存在断路的情况下，路由发现过程的目的是重新建立到达目的节点的路由信息，并使相关节点记录最优路径。

该发明的有益效果在于：本发明中的双模通信系统克服了载波在有些区域受电力线噪声干扰的缺陷，也弥补了微功率无线对于障碍物、铁质表壳、商场超多电感式白炽灯等特殊场所信号差及干扰大的缺陷。系统收到集中器发出的抄表指令后，首先对两个信道的通信成功率进行预判，然后选择通信成功率较高的信道发送，若两个信道干扰都较大，则两个信道同时发送，提高通信成功的概率。本发明的低压电力线和微功率无线在通讯信道上，通过平衡算法，多种通信模式互补短板，解决线路信号衰减或距离过远导致的通信失败的问题，极大地提高了通信成功率和通信效率。

附图说明

图1是本发明专利具体实施例中的采集系统框图。

图2是本发明专利具体实施例中的模块系统框图。

图3是本发明专利具体实施例中从节点注册流程示意图。

图4是本发明专利具体实施例中路由发现流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本发明的提供一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，将两个功能集成在一个模块中，使其具有了电力线载波和微功率无线两种方式的通信功能，从而实现双模双网络通信，克服了电力线载波与微功率无线的缺陷，提供稳定可靠的网络环境，实现低压电力用户信息的传输，交互和汇集，极大的提高了通信的可靠性和通信效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是这样实现的：

如图1所示的基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，包括主站，主站上利用通信线路连接有集中器，集中器上连接有多个三相智能电表、台区考核总表、单相智能电表和采集器，采集器上连接有多个RS485智能电表；集中器、采集器、单相智能电表和三相智能电表之间采用无线通信网络或者载波通信网络连接，使双模的集中器路由模块和双模的电表模块协同工作，建立本台区下完全覆盖的双模通信网络，从而实现全网络的双通道多任务的双模通信系统。

图2为本发明专利具体实施例中的模块系统框图。载波芯片输出端连接有无线芯片和信号放大滤波电路，信号放大滤波电路输出端连接有信号耦合电路，信号耦合电路上外接有过零检测电路，无线芯片中设置有无线信号发射接收电路；载波芯片上还连接有接口电路及指示灯和接收滤波电路。

图3所示位双模通信网络的组网过程，是通过中央协调节点中的白名单对终端节点的认证，及网络短地址分配过程，网络组建过程需1次，当终端节点在被分配网络短地址后除事件上报外没有再主动发起通信的需求。中央协调节点在上电后发送信标请求帧，目的是识别相邻网络，确保网络ID的唯一，相邻网络的中央协调节点收到此信标请求后和自身的网络ID进行比对，如果发现ID相同，则认为是网络冲突，启动网络ID协调过程。如果确定网络ID为唯一的，则发送信标帧。节点通过信标帧中的网络号来决定是否需要进行注册，中央协调节点通过白名单对申请注册的终端节点进行身份认证，如果认证成功，中央协调节点将给申请节点回应注册成功报文分配一个全网唯一的网络地址给申请节点，否则应答注册失败报文。

图4所示的路由发现机制为，路由发现过程发生在本地没有达到目的节点的路由信息或通信存在断路的情况下，路由发现过程的目的是重新建立到达目的节点的路由信息。路由请求发起节点发送请求，并等待目的节点的应答，如果请求失败，发起记录相关信息，并择机再次发送请求。中间节点收到请求后，首先在检索本地存储信息，如果此请求存在，则不再次转发此请求，但会优化通信路径。否则，在路由表中建立一条反向链接记录，并在请求表中加入此请求信息。当目的节点收到一个请求，则在本地路由请求表中查找是否有此记录，如果存在，则评价此次路径是否优于已存储的，如果是，则用此次请求的源节点代替原有反向节点，否则，丢弃此请求。回复传输到路由请求发起节点时，如果此节点为中继节点，那么将回复帧转换为点抄帧并回复给最终源节点。

上述双模异构网络需要实现以下功能：

(1)双信道选择：双模模块的优势在于拥有两个独立的通信信道，进而可形成两个相互独立的网络体系，而同一时刻最少可运行两个不同的任务。

(2)辅助信道：在进行点抄时，查找路由表并确定下一跳节点，如果PLC发送后，无线作为辅助信道紧跟着发送，目的节点在收到报文后，此节点具有双信道，那么以相同的信道应答ACK。如果目的节点从两个信道都收到报文，根据相同报文过滤规则也只会响应通过快速信道传输来的报文，因此两个信道速率无需匹配。

(3)并行信道：在进行组网或数据汇集时，双信道没有主从之分，代理节点往往要承载着较多的传输任务，原则是哪个信道空闲则使用哪个信道通信。首先代理节点会扫描两个信道，当有一个信道检测空闲时，代理节点会查找缓冲区中待发的报文，通过下一跳地址来查找路由表确定其是否具有双信道配置，且通过历史记录评价此信道的成功概率，并使用此信道发送。通过通信结果成功与否的反馈，最终在一段时间内可获得到某节点的最优信道，为下次选择提供参考依据。

(4)双信道并行任务：确定双模通信网络中所有节点都具有双信道的配置后，则可以同时在两个信道上执行不同的汇集任务，并可以限定每个任务只能在制定的信道中运行，而不能跨信道。

(5)汇集任务，是指集中器发起针对全网或多个终端节点的抄表任务，终端节点收到命令后，向中央协调节点返回抄表内容的过程。

(6)CSMA载波侦听多路访问：其工作原理是：发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据；在发送数据时，边发送边继续监听；若监听到冲突，则立即停止发送数据；等待一段随机时间，再重新尝试。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，其特征在于：包括主站、集中器、采集器和智能电表，所述主站通过公共通信网络连接集中器，所述集中器上连接有多个三相智能电表、台区考核总表、单相智能电表和采集器，所述采集器上连接有多个RS485智能电表；所述集中器、采集器、单相智能电表和三相智能电表之间采用无线通信网络或者载波通信网络连接，使通过双模的集中器路由模块和双模的电表模块协同工作，通过组网、路由发现过程建立本台区下的完全覆盖的双通道通信网络，从而实现全网络的双通道多任务的双模通信系统。

2.根据权利要求1所述的基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，其特征在于：所述双模通信系统中的载波芯片和无线芯片共同收发；载波芯片输出端连接有信号放大滤波电路，信号放大滤波电路输出端连接有信号耦合电路，信号耦合电路上外接有过零检测电路，无线芯片中设置有无线信号发射接收电路；载波芯片上还连接有接口电路及指示灯和接收滤波电路。

3.根据权利要求1所述的基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，其特征在于：所述通信系统组网过程为：通过中央协调节点中的白名单对终端节点的认证，及网络短地址分配过程，网络组建过程需1次，当终端节点已被分配网络短地址后除事件上报外没有再主动发起通信的需求；中央协调节点在上电后发送信标请求帧，目的是识别相邻网络，确保网络ID的唯一，相邻网络的中央协调节点收到此信标请求后和自身的网络ID进行比对，如果发现ID相同，则认为是网络冲突，启动网络ID协调过程；如果确定网络ID为唯一的，则发送信标帧；节点通过信标帧中的网络号来决定是否需要进行注册，中央协调节点通过白名单对申请注册的终端节点进行身份认证，如果认证成功，中央协调节点将给申请节点回应注册成功报文分配一个全网唯一的网络地址给申请节点，否则应答注册失败报文。

4.根据权利要求1所述的基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，其特征在于：所述通信网络中的路由发现机制为，路由发现过程发生在本地没有达到目的节点的路由信息或通信存在断路的情况下，路由发现过程的目的是重新建立到达目的节点的路由信息；路由请求发起节点发送请求，并等待目的节点的应答，如果请求失败，发起节点记录相关信息，并择机再次发送请求；中间节点收到请求后，首先在检索本地存储信息，如果此请求存在，则不再次转发此请求，但会优化通信路径；否则，在路由表中建立一条反向链接记录，并在请求表中加入此请求信息；当目的节点收到一个请求，则在本地路由请求表中查找是否有此记录，如果存在，则评价此次路径是否优于已存储的，如果是，则用此次请求的源节点代替原有反向节点，否则，丢弃此请求；回复传输到路由请求发起节点时，如果此节点为中继节点，那么将回复帧转换为点抄帧并回复给最终源节点。

5.根据权利要求1所述的基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，其特征在于：所述双模异构网络具有以下功能特点：

(1)双模网络：兼容基于OFDM的低压电力线载波信道和基于GFSK的微功率无线信道，两个信道相互独立，两个信道同时收发，微功率无线通信技术和电力线载波通信技术互补，构成了双模网络；

(2)利用CSMA载波侦听多路访问：在发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据；在发送数据时，边发送边继续监听；若监听到冲突，则立即停止发送数据；等待一段随机时间，再重新尝试；CSMA保证了数据传输的可靠稳定，但其算法需要精准和高效；

(3)双模通信网络节点平等：双模通信网络中的终端节点都具有存储和转发和路由等功能，终端节点在网络中的地位平等；

(4)按需路由策略：节点与节点之间以一种松散的方式组合，采用按需路由策略可以组建并适应各种网络拓扑结构；

(5)双信道并行任务：确定双模通信网络中所有节点都具有双信道的配置后，则可以同时在两个信道上执行不同的汇集任务，并可以限定每个任务只能在制定的信道中运行，而不能跨信道；

(6)辅助信道：在进行点抄时，查找路由表并确定下一跳节点，如果PLC发送后，无线作为辅助信道紧跟着发送，目的节点在收到报文后，此节点具有双信道，那么以相同的信道应答ACK；如果目的节点从两个信道都收到报文，根据相同报文过滤规则也只会响应通过快速信道传输来的报文，因此两个信道速率无需匹配；

(7)并行信道：在进行组网或数据汇集时，双信道没有主从之分，代理节点往往要承载着较多的传输任务，原则是哪个信道空闲则使用哪个信道通信；首先代理节点会扫描两个信道，当有一个信道检测空闲时，代理节点会查找缓冲区中待发的报文，通过下一跳地址来查找路由表确定其是否具有双信道配置，且通过历史记录评价此信道的成功概率，并使用此信道发送；通过通信结果成功与否的反馈，最终在一段时间内可获得到某节点的最优信道，为下次选择提供参考依据；

(8)路由发现：路由发现过程发生在本地没有达到目的节点的路由信息或通信存在断路的情况下，路由发现过程的目的是重新建立到达目的节点的路由信息，并使相关节点记录最优路径。