CN106408905A

CN106408905A - 一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置、系统及方法

Info

Publication number: CN106408905A
Application number: CN201510463040.4A
Authority: CN
Inventors: 栾文鹏; 崔延峰; 王鹏
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-15

Abstract

本发明公开了一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置、系统及方法，其中，该装置包括：微控制单元、射频芯片和数据存储器，微控制单元集成标准通信接口，且标准通信接口包括第一UART接口和第二UART接口；微控制单元与射频芯片相连，微控制单元基于6LoWPAN协议、通过射频芯片与外部的路由器进行通信，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；第一UART接口用于与外部的上位机相连；第二UART接口用于与外部的电力计量器相连；数据存储器与微控制单元相连。该电力信息采集装置基于6LoWPAN，获取分配的IPv6地址，从而可以满足大量部署电力信息采集装置的需求，进而快速高效地将采集的电力信息上传至集中器。

Description

一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置、系统及方法。

背景技术

远程通信是指采集装置和系统主站之间的数据通信。通过远程通信，系统主站与用户侧的采集设备间建立联系，下达指令和参数信息，收集用户用电信息。电力远程通信信道可采用光纤专网、GPRS/CDMA无线公网、无线专网和中压电力线载波等。

中压电力线载波，是远程有线通信最具代表性的一种通信方式。载波通信，即在利用现有的电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。

为了满足需求，无线通信方式也在电力远程通信中被研究，并得到应用。无线通讯方面大多采用WLAN、GPRS/CDMA、无线专网、ZigBee等网络。无线通信具有网络覆盖面广，接入相对容易，传输速率高等优点。

电力线载波通讯的优点是不用二次布线，使用现有的电力线作为通讯线路，大大降低了工程的成本。但缺点也很明显，首先，由于变压器的阻隔原因，载波信号不能穿过变压器传输，限制了通讯距离；第二，三相电力线间有很大的信号损失，通信距离较近时，不同相间会收到信号；第三，电力线存在固有的脉冲干扰。这种通信技术在小范围内使用具有优势，但是一旦通信距离加大，劣势就明显突出。

使用WLAN、GPRS/CDMA无线通讯网络在距离、通信质量等方面都可以满足要求，但是这些网络同样存在一定的缺陷。第一，能提供的带宽很低(一般只有几十kbit)；第二，网络存在不稳定性，尤其是在地下配电室、楼宇密集等区域对通信质量影响大；第三，运行资费高，且处理网络问题依赖第三方的协调。

在新兴的物联网技术方面，虽然费用较低，但是由于我国的ZigBee网络使用2.4GHz的无线频段，此频段还有蓝牙、WiFi等设备在使用，容易造成信号干扰、数据失密等。

发明内容

本发明是为了克服现有电力信息采集技术中存在的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置。

本发明实施例提供的一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置，包括：微控制单元、射频芯片和数据存储器，所述微控制单元集成标准通信接口，且标准通信接口包括第一UART接口和第二UART接口；

微控制单元与射频芯片相连，微控制单元基于6LoWPAN协议、通过射频芯片与外部的路由器进行通信，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；

第一UART接口用于与外部的上位机相连，用于获取上位机发送的配置参数；第二UART接口用于与外部的电力计量器相连，用于采集电力参数；

数据存储器与微控制单元相连，用于存储采集的参数数据。

在上述技术方案中：控制电路和天线电路，射频芯片通过控制电路与天线电路相连，且控制电路还与微控制单元相连；

射频芯片通过天线电路与外部的路由器进行通信，控制电路用于控制天线电路的通信。

在上述技术方案中，第一UART接口为232接口，第二UART接口为485接口。

在上述技术方案中，标准通信接口还包括SPI接口，射频芯片与微控制单元之间采用SPI通信，且射频芯片内部集成调制解调器。

在上述技术方案中，第一UART接口通过AT命令获取上位机发送的配置参数，配置参数用于配置电力信息采集装置。

本发明实施例提供的一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置，6LoWPAN网络是一种使IPv6协议在LoWPAN设备上实现的网络，该网络其实是一个IPv6的末端网络。通过具有庞大的地址空间IPv6技术，可以为每一个电力信息采集装置分配IPv6地址，从而可以满足大量部署电力信息采集装置的需求，进而快速高效地将采集的电力信息上传至集中器。

本发明实施例提供的一种基于6LoWPAN的电力信息采集系统，包括：上述的电力信息采集装置、路由器和数据处理中心；

路由器用于扫描信道，分配网络ID，并建立无线网络，在电力信息采集装置连接入网后，为电力信息采集装置随机分配一个IPv6地址；

电力信息采集装置在检测到路由器建立的无线网络后，向路由器发送入网请求，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；

电力信息采集装置还用于采集电力计量器的电力参数，并基于6LoWPAN协议将采集的电力参数打包后以无线通信的方式上传至路由器；路由器还用于将电力参数再次打包封装，上传至数据处理了中心。

在上述技术方案中，IPv6地址为识别电力信息采集装置的唯一网络标识。

本发明实施例提供的一种6LoWPAN的电力信息采集系统，6LoWPAN网络是一种使IPv6协议在LoWPAN设备上实现的网络，该网络其实是一个IPv6的末端网络。通过具有庞大的地址空间IPv6技术，可以为每一个电力信息采集装置分配IPv6地址，从而可以满足大量部署电力信息采集装置的需求，进而快速高效地将采集的电力信息上传至集中器。同时，由于每个电力信息采集装置都有路由功能，从而既增加了数据传输距离，也提高了数据传输的可靠性。

本发明实施例提供的一种基于6LoWPAN的电力信息采集方法，包括：

扫描信道和网络ID，检测是否存在无线网络；

当检测到存在无线网络时，向建立无线网络的路由器发送入网请求；

在与路由器建立连接后，获取随机分配的IPv6地址，并基于6LoWPAN协议将采集的电力参数打包后以无线通信的方式上传至路由器。

在上述技术方案中，该方法还包括：采集电力计量器的电力参数。

在上述技术方案中，该方法还包括：通过AT命令获取上位机发送的配置参数，配置参数用于配置电力信息采集装置。

本发明实施例提供的一种6LoWPAN的电力信息采集装置、系统和方法，6LoWPAN网络是一种使IPv6协议在LoWPAN设备上实现的网络，该网络其实是一个IPv6的末端网络。通过具有庞大的地址空间IPv6技术，可以为每一个电力信息采集装置分配IPv6地址，从而可以满足大量部署电力信息采集装置的需求，进而快速高效地将采集的电力信息上传至集中器。通过增加天线电路，可以增加电力信息采集装置的通信距离。同时，由于每个电力信息采集装置都有路由功能，从而既增加了数据传输距离，也提高了数据传输的可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中电力信息采集装置的第一结构图；

图2为本发明实施例中电力信息采集装置的第二结构图；

图3为本发明实施例中电力信息采集系统的结构图；

图4为本发明实施例中电力信息采集装置的组网流程图；

图5为本发明实施例中6LoWPAN协议栈示意图；

图6为本发明实施例中电力信息采集系统网络拓扑图；

图7为本发明实施例中电力信息采集方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本发明实施例，提供了一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置，参见图1所示，该电力信息采集装置包括：微控制单元100、射频芯片200和数据存储器300，微控制单元100集成标准通信接口，且该标准通信接口包括第一UART接口UART1和第二UART接口UART2。

其中，微控制单元100与射频芯片200相连，微控制单元100基于6LoWPAN协议、通过射频芯片200与外部的路由器进行通信，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；第一UART接口UART1用于与外部的上位机相连，用于获取上位机发送的配置参数；第二UART接口UART2用于与外部的电力计量器相连，用于采集电力参数；数据存储器300与微控制单元100相连，用于存储采集的参数数据。

具体的，在本发明实施例中，该电力信息采集装置采用“MCU+RF”模式设计电路，MCU即为微控制单元100、RF为射频芯片200。该射频芯片200具有连续频段覆盖范围，且可以灵活选择无线工作频率，不会因更换工作频率而更换射频芯片。该微控制单元100采用Cortex为内核的低功耗MCU，且该微控制单元100所集成的标准通信接口还包括SPI接口，射频芯片200可以采用一款高度集成、宽频段(240MHz～930MHz)、输出功率高的数传芯片，与MCU之间采用SPI通信(即通过SPI接口连接)。

数据存储器300用于存储采集的参数数据，为了保证数据存储的可靠性，本发明实施例中还可以选择基于I²C-BUS的数据存储器(E²PROM)。同时，由于目前电力计量器具多数使用RS485接口，所以第二UART接口UART2设计为485协议接口。为配置该电力信息采集装置的工作参数，上位机配置软件通过第一UART接口UART1与电力信息采集装置通信，第一UART接口UART1设计为232协议接口。

优选的，参见图2所示，该装置还包括：控制电路400和天线电路500，射频芯片200通过控制电路400与天线电路500相连，同时，控制电路400还与微控制单元100相连。其中，射频芯片200通过天线电路500与外部的路由器进行通过信，控制电路400用于控制天线电路500的通信。由于天线不能同时收发，故需要通过控制电路来控制天线电路的通信。

射频芯片200内部集成调制解调器，方便外部天线电路的设计。通过增加天线电路，可以增加电力信息采集装置的通信距离。

优选的，第一UART接口UART1通过AT命令获取上位机发送的配置参数，配置参数用于配置该电力信息采集装置。

本发明实施例中，为了方便电力信息采集装置工作参数的修改、配置，电力信息采集装置的用户应用程序支持AT命令，可以通过UART1发送AT命令。

AT命令是以“at+命令”开头(不区分大小写)，以“\r\n”(回车符)作为命令结尾，命令最大长度为20个字节。例如，读取电力信息采集装置MAC，“at+getmac/r/n”；读取IP，“at+getip/r/n”；设置PAN地址，“at+setpanid＝<id>/r/n”。

特别要说明的是，AT命令“at+send_data＝<dst_addr>,<data>\r\n”和“at+rece_data＝<src_addr>,<len>,<data>\r\n”只能作为电力信息采集装置与路由器之间通信使用。这两个指令不能配置或修改电力信息采集装置的工作参数，且命令长度没有限制。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种基于6LoWPAN的电力信息采集系统，参见图3所示，包括：如上所述的电力信息采集装置10、路由器20和数据处理中心30。

其中，路由器20用于扫描信道，分配网络ID，并建立无线网络，在电力信息采集装置10连接入网后，为该电力信息采集装置10随机分配一个IPv6地址；

电力信息采集装置10在检测到路由器建立的无线网络后，向路由器20发送入网请求，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；

电力信息采集装置10还用于采集电力计量器的电力参数，并基于6LoWPAN协议将采集的电力参数打包后以无线通信的方式上传至路由器20；路由器20还用于将电力参数再次打包封装，上传至数据处理了中心30。

本发明实施例中，首先路由器运行确定网络协调器，扫描信道，分配网络ID，建立一个无线网络(即无线局域网)，然后等待电力信息采集装置申请连接入网。若申请入网的电力信息采集装置符合6LoWPAN协议，则保存电力信息采集装置地址以及随机分配的IP。该电力信息采集装置入网时同样需要扫描信道和网络ID，如果有符合设置的无线网络则发送入网请求，直到接收到路由器的入网应答。

电力信息采集装置成功入网后，就可以实现路由器与电力信息采集装置的数据传输。其中，电力信息采集装置入网有两种方式，一种是直接连接，另一种是通过已入网节点连接。电力信息采集装置成功入网的时候，路由器会随机分配一个IPv6的地址，该地址作为设备在网络内识别、管理的唯一网络标识。电力信息采集装置的组网流程参见图4所示。

电力信息采集装置运行成功后，可以定时采集电力参数，数据打包后以无线通信的方式上传到路由器。路由器将数据再次打包封装，上传至数据处理了中心。也可以通过数据处理中心发送指令到路由器，重新封装指令后再发送到指定电力信息采集装置，指示该电力信息采集装置上传电力信息。

同时，本发明实施例提供的电力信息采集系统使用6LoWPAN技术实现自组网。同ZigBee技术一样，6LoWPAN技术也采用IEEE802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6LoWPAN技术在网络层上使用IETF规定的IPv6，即在IPv6的网络层和MAC层之间加入一个适配层，以提供对IPv6必要的支持。6LoWPAN协议栈见图5所示。

由于使用了IEEE802.15.4和自组网技术，电力信息采集装置支持单跳星型和多跳对等拓扑两种网络结构。虽然用户不能控制每个电力信息采集装置的数据上传路径，但是由于每个电力信息采集装置都有路由功能，从而既增加了数据传输距离，也提高了数据传输的可靠性。电力信息采集系统网络拓扑图如图6所示。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种基于6LoWPAN的电力信息采集方法，参见图7所示，该方法包括：

步骤701：扫描信道和网络ID，检测是否存在无线网络；

步骤702：当检测到存在无线网络时，向建立无线网络的路由器发送入网请求；

步骤703：在与路由器建立连接后，获取随机分配的IPv6地址，并基于6LoWPAN协议将采集的电力参数打包后以无线通信的方式上传至路由器。

优选的，该方法还包括：采集电力计量器的电力参数。

优选的，该方法还包括：通过AT命令获取上位机发送的配置参数，配置参数用于配置电力信息采集装置。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图7为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于6LoWPAN的电力信息采集装置，其特征在于，包括：微控制单元、射频芯片和数据存储器，所述微控制单元集成标准通信接口，且所述标准通信接口包括第一UART接口和第二UART接口；

所述微控制单元与所述射频芯片相连，所述微控制单元基于6LoWPAN协议、通过所述射频芯片与外部的路由器进行通信，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；

所述第一UART接口用于与外部的上位机相连，用于获取上位机发送的配置参数；所述第二UART接口用于与外部的电力计量器相连，用于采集电力参数；

所述数据存储器与所述微控制单元相连，用于存储采集的参数数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：控制电路和天线电路，所述射频芯片通过所述控制电路与所述天线电路相连，且所述控制电路还与所述微控制单元相连；

所述射频芯片通过所述天线电路与外部的路由器进行通信，所述控制电路用于控制所述天线电路的通信。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一UART接口为232接口，所述第二UART接口为485接口。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述标准通信接口还包括SPI接口，所述射频芯片与所述微控制单元之间采用SPI通信，且所述射频芯片内部集成调制解调器。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一UART接口通过AT命令获取上位机发送的配置参数，所述配置参数用于配置所述电力信息采集装置。

6.一种基于6LoWPAN的电力信息采集系统，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一所述的电力信息采集装置、路由器和数据处理中心；

所述路由器用于扫描信道，分配网络ID，并建立无线网络，在所述电力信息采集装置连接入网后，为所述电力信息采集装置随机分配一个IPv6地址；

所述电力信息采集装置在检测到所述路由器建立的无线网络后，向所述路由器发送入网请求，且在入网成功后获取随机分配的IPv6地址；

所述电力信息采集装置还用于采集电力计量器的电力参数，并基于6LoWPAN协议将采集的电力参数打包后以无线通信的方式上传至所述路由器；所述路由器还用于将所述电力参数再次打包封装，上传至所述数据处理了中心。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述IPv6地址为识别所述电力信息采集装置的唯一网络标识。

8.一种基于6LoWPAN的电力信息采集方法，其特征在于，包括：

扫描信道和网络ID，检测是否存在无线网络；

当检测到存在无线网络时，向建立所述无线网络的路由器发送入网请求；

在与路由器建立连接后，获取随机分配的IPv6地址，并基于6LoWPAN协议将采集的电力参数打包后以无线通信的方式上传至所述路由器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：采集电力计量器的电力参数。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括：通过AT命令获取上位机发送的配置参数，所述配置参数用于配置电力信息采集装置。