CN108989112A - 用于模拟节点间通信的系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种用于模拟节点间通信的系统，包括控制单元，虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端；控制单元分别与所述虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端一一连接；所述硬件模拟器还与一用于加载协议层、应用层软件的上层模块连接；虚拟集中器，能模拟集中器发送操作命令及收取操作结果的功能；所述硬件模拟器，能模拟电力载波通信网络的某一通信节点的报文收发功能，并受控于所述上层模块；所述虚拟数据采集终端，能模拟数据采集终端产生报文的功能以及报文收发的功能；控制单元，用于配置所述硬件模拟器、所述虚拟集中器以及虚拟数据采集终端；以及将所述硬件模拟器和所述虚拟数据采集终端连接为一模拟的电力载波通信网络。

Description

用于模拟节点间通信的系统

技术领域

本发明涉及通信系统的仿真技术领域，具体涉及一种用于模拟节点间通信的系统。

背景技术

电力线载波通信(PLC)是指以电力线为传输媒介的通信方式,主要应用于:远程自动抄表、配电网自动化控制、家庭内部互连、智能小区以及多媒体通信最后一公里网络接入等。近年来,宽带电力线通信相关技术的发展提高了电力线通信的数据传输速率,特别是正交频分复用技术的发展使高速PLC得以实现。

采用电力线宽带载波通信技术的远程自动抄表系统是一种能够取代人工抄表的全自动化电表数据采集通信系统,是建设智能电网的重要环节。电力线载波通信技术既能满足抄表对通信速率和通信可靠性的要求,又具有成本低、安装维护方便等优势。为此，电力行业还颁布了相关的技术标准如DL/T 645-2007《多功能电表通信协议》(简称645协议)和DL/T698.41-2010《电能信息采集与管理系统第4-1部分：通信协议——主站与电能信息采集终端通信》(简称698.41协议)以及《DLT 376.2-第2部分：集中器本地通信模块接口协议》(简称376.2协议)。

图1所示的，是电力线宽带载波通信网络应用于远程自动抄表系统时的常见的网络构架，该网络中除了中央控制器、采集器和普通从节点这些通信节点之外，该系统还需要集中器和电表，其中：

中央控制器(CCO)，该电力载波通信网络中的主节点，也称主站，启动后会定时发送信标(beacon)，控制整个网络状态，从节点监听信标后，会发送入网请求，由CCO决定是否允许该节点入网，并决定由网络中哪个节点充当该子节点的代理节点。CCO会通过串口与集中器通信，集中器下发的任何命令都是由CCO发送到其下的各个从节点，电表上报的报文由CCO转译成集中器识别的协议(如376.2协议)，并上报到集中器；

普通从节点(STA),该电力载波通信网络的从节点中的一种，其下只能挂一个电表，启动后会通过串口搜索下挂的电表，获取电表的MAC地址。CCO下发的命令会通过该节点转译成与电表间协议(如645协议)，发送到电表，电表回复或主动上报的报文也是由该模块上传给CCO；

采集器(Collector)，此类从节点下面可挂多个电表，其它功能与STA一致；

集中器(CCTT)，该设备主要是由操作人员控制往CCO发送操作命令(如抄表、从节点注册、查询网络状况等)，并可显示统计操作结果。

在用于上述电力载波通信网络中各通信节点上的电力宽带载波通信芯片的开发过程中，协议层、应用层软件若只能基于真实硬件平台开发，除了实体设备采购成本高外，不同厂家的集中器、电表支持的功能不尽完备，基本只能手动操作,可控制性弱；这就使得软件开发不仅开发周期长，调试困难，还无法对各种异常情况及不同应用场景进行完备性测试。

发明内容

本发明意在提供一套能够虚拟电表和集中器的功能以及节点间的底层通信的系统，为上层软件开发提供一低成本，高可控性的测试环境。

本发明中的用于模拟节点间通信的系统包括控制单元，虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端；

所述控制单元分别与所述虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端一一连接；所述硬件模拟器还与一用于加载协议层、应用层软件的上层模块连接；

所述虚拟集中器，能模拟集中器发送操作命令及收取操作结果的功能；

所述硬件模拟器，能模拟电力载波通信网络的某一通信节点的报文收发功能，并受控于所述上层模块；

其中，至少包含一个用于模拟中央控制器的第一硬件模拟器，且至少包含一个用于模拟普通从节点或采集器的第二硬件模拟器；

所述虚拟数据采集终端，能模拟数据采集终端产生报文的功能以及报文收发的功能；

所述控制单元，用于配置所述硬件模拟器、所述虚拟集中器以及虚拟数据采集终端；

以及将所述硬件模拟器和所述虚拟数据采集终端连接为一模拟的电力载波通信网络。

本专利中上层模块是指执行协议层、应用层软件等上层软件的模块。

本方案利用仅实现与报文相关的功能的虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端，并利用控制单元进行它们的配置，十分方便实现；由于软件针对的仅仅是报文的解析和收发控制，本方案实现了足以支撑软件的测试与开发的模拟电力载波通信网络，无需采用实体设备；同时以控制单元进行配置的方式，可随意的控制虚拟集中器、虚拟数据采集终端实现对于软件的测试与开发所必需的功能，形成测试所需的虚拟网络，克服了不同厂家的集中器、电表支持的功能不尽完备，基本只能手动操作,可控制性弱的缺点。而且网络的规模也方便的通过增加和减少硬件模拟器和虚拟数据采集终端的手段来实现，可大大缩短软件开发周期，降低调试困难，本方案组网灵活，能快速实现各类应用场景，因为一切可控，所以运行稳定，这就避免了因各种异常情况及不同应用场景无法进行完备性测试的情况。

进一步，所述硬件模拟器为功能可变换的通用硬件模拟器，其根据所述控制单元的配置模拟中央控制器、普通从节点以及采集器中的任意一种。

如此，则不必为每类节点设计一单独的硬件模拟器，只需利用控制单元的配置即可得到所需的不同节点，大大方便了网络的组建和变化调整。

进一步，所述硬件模拟器包括发射管理模块，所述发射管理模块用于根据所述上层模块发来的报文类型，控制硬件模拟器执行相应的报文发送方式；所述报文发送方式包括时分复用方式和载波监听方式。

使得本系统可以应对不同的报文发送方式，适应性更广。

进一步，所述发射管理模块包括载波监听模块，所述控制单元内存有表示信道占用情况的信号量参数；

所述载波监听模块用于当收到上层模块发来的报文包是载波监听类型的报文包时，向控制单元请求信号量参数，直至控制单元发来的信号量参数表示信道可用时，则发送该报文包，否则不发送；

以及，在报文包开始发送时，通知控制单元使得所述信号量参数定量的向表示信道不可用的方向发展，在报文包发送结束时，通知控制单元使得所述信号量参数同样定量的向表示信道可用的方向发展。

此方案建立了一个与真实的载波监听等效的信道模型，可快速简便的模拟真实信道的载波监听。不必使用物理信道即可模拟载波监听的过程，也不会影响到整个通信过程的模拟效果，进一步提高了模拟的真实程度，另一方面也降低了成本开销。

在真实的电力线载波通信网络中，由于线路衰减等问题，实际上是无法绝对的监听到信道中是否有节点正在发送报文的，所以时常会发生报文碰撞的情况，即两个节点在同一时间发送了报文；也就是说所，在模拟环境仅仅简单的将信道设置为两个状态(本方案的极端情况，信号量参数只有两个值，一个表示占用，一个表示不占用)，会与真实的信道情况相差很远；因此本方案通过信号量参数设置，允许一定数量的节点在同一时间点同时报文，也就是说允许碰撞的情况发生，简单而有效的模拟了真实信道。

进一步，所述发射管理模块包括时分复用模块，用于当收到上层模块发来的报文包是时分复用类型的报文包时，根据该报文包中所带的时隙信息，在预定时间内指定发送该报文。

模拟真实网络中的时分复用场景，模拟效果更好。

进一步，所述硬件模拟器包括信道通信成功率模拟模块；所述控制单元还用于获取定义了各通信节点两两之间的通信成功率的通信成功率脚本，并根据该通信成功率脚本配置各通信节点所对应的硬件模拟器的信道通信成功率模拟模块；

所述信道通信成功率模拟模块则根据其配置，随机的丢弃来自其他节点的报文包，从而实现通信成功率脚本中所规定的该节点与其他节点间的通信成功率。

真实的信道由于有噪声，信号衰减等情况，会导致信号传输的信噪比降低，信号质量变差，从而导致一定概率的通信失败，此方案建立了一个与真实的信道等效的信道质量模型，可快速简便的模拟真实信道。不必使用物理信道即可模拟信道质量对通信的影响，也不会影响到整个通信过程的模拟效果，进一步提高了模拟的真实程度，另一方面也降低了成本开销，算法的系统开销也非常的小。并且，如果根据信号量参量的最大值还可以减低通信成功率，把相互碰撞的报文模拟成系统的噪声，对与真实网络的模拟成度更高，但付出的系统开销却并没有增加。

进一步，包括物理机；在所述物理机上运行的一个或多个虚拟机；在每个虚拟机上设置一硬件模拟器。

进一步，所述虚拟机为嵌入式实时操作系统虚拟机，所述硬件模拟器基于该嵌入式实时操作系统工作。

需要开发的软件大多数是用于加载在嵌入式实时操作系统(例如Freertos),采用此方案为基础可为待测试的上层软件开发提供简洁的发送、接收接口，不必为了适应从做系统而改变上层软件接口函数，方便上层软件调用该操作系统各模块，使得上层软件无需任何多余的改动就可移植到真实芯片硬件上。

进一步，包括多个物理机；

所述硬件模拟器还包括同步模块，该同步模块用于，当硬件模拟器被配置为中央控制器是，读取所在物理机的时间滴答值，并通过一时钟同步报文将该时间滴答值发送给新启动的硬件模拟器；当硬件模拟器被配置为从节点时，解析来自中央控制器的钟同步报文中的时间滴答值，并此将该从节点执行各类操作的时间校准为与中央控制器一致。

时钟同步报文的使用，是的各个节点的时钟同步调整在底层，依靠节点间的直接的报文包来完成，相较于常用的通过控制单元来完成，减少了中转环节，调整的延时误差大大减小。

附图说明

图1为背景技术中应用于自动抄表系统的电力线载波通信网的示意性框图。

图2本发明实施例的示意性模块框图。

图3为本发明实施例中的硬件模拟器的示意性功能框图。

图4为本发明实施例中的信道通信成功率模拟模块的操作界面图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图2所示，本发明中的用于模拟节点间通信的系统包括控制单元，虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端；

所述控制单元分别与所述虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端一一连接；所述硬件模拟器还与一用于加载协议层、应用层软件的上层模块连接；

所述硬件模拟器为通用硬件模拟器，能模拟电力载波通信网络的某一通信节点的数据收发功能，并受控于所述上层模块；硬件模拟器通过控制模块的配置，被配置为第一硬件模拟器的，用于模拟电网中中央控制器这一节点，被配置为第二模拟器的的又根据其配置的接口和下挂虚拟数据采集终端数量的不同，用于模拟普通从节点及采集器等节点；每个节点有自己IP地址；根据节点各自的IP地址，节点间利用UDP报文交互实现节点间通信；

所有配置都记录在一配置文件中，控制模块通过读取该配置文件来实施具体的配置；本实施例中，控制模块实际上并非我们所要模拟的电力载波通信网络的一部分，它的作用在于对网络中各个虚拟单元或模拟器的控制，所以它与各个虚拟单元或模拟器之间的连接，在本实施例中被称为命令通道。

本实施里中的虚拟数据采集终端为一虚拟电表：虚拟电表是由Python脚本实现，实现了完整的645协议和698协议，可以模拟真实的电表，通过串口(UART)实现与普通从节点/采集器的交互，具有搜表、抄读协议规定的各种表项功能。类似的，中央控制器与虚拟集中器之间也通过串口通信；

通过控制单元，用户可以配置虚拟电表的MAC地址、工作波特率、串口号。

虚拟集中器也是由Python脚本实现，运行在Windows操作系统下，该脚本实现了完整的国网376.2协议，通过串口实现与中央控制器的通信。

虚拟集中器可以与硬件模拟器块通过串口通信，配置有串口号，具有搜表、抄读协议规定的各种表项功能。

完成配置后，各节点完全遵循真实的电力线载波通信网络的工作方式进行组网，从而形成一基本如图1所示的电力线载波通信网络，此内容较为现有，在此不做赘述。

本实施例中，硬件模拟器以一个进程的方式运行于物理计算机的Windows操作系统中，同时集成了Freertos操作系统的模拟器，该模拟器的作用是在物理机上建立起一个采用Freertos操作系统的模拟机，硬件模拟器则运行其上，每个硬件模拟器可以视为运行在使用Freertos操作系统的虚拟机上；一台物理计算机上可以并行的运行多个进程，而更多的进程可以同时并行的部署在多台物理计算机上，他们都受到控制单元的控制。

使用Freertos操作系统的虚拟机上为上层软件开发提供简洁的发送、接收接口；方便上层软件调用该操作系统各模块，无需任何多余的改动就可移植到真实芯片硬件上。

由前文所知，各个节点间使用UDP报文，而实际上各个节点是在物理计算机上的进程，虚拟电表、虚拟集中器同样也是物理计算机上的进程；所以在进程间的通信本实施例采用了套接字通信。

所以，在此框架之下，节点被分配的IP地址实属一虚拟的IP地址，而各个虚拟电表采用了与真实的电表相同的基于MAC地址的报文包，组网时硬件模拟器和虚拟电报间模拟了国网协议通过串口号进行匹配的过程(接点的串口号是通过控制单元配置下发的)，进而在本实施例的这个虚拟环境中，节点的虚拟IP地址与虚拟电表间便发生了映射关系。

如此，便通过IP地址与虚拟电表的MAC地址的映射，实现了IP网络模拟电力线传输，而通过进程间再利用套接字来通信(包括UART串口的通信和UDP接口的通信)以模拟IP网络的通信；于是，在整个模拟网络中，保持了电表报文的原貌，模拟了电力线载波通信网络的发送接收，在测试上层软件时，也不必做大的改变(如改变接口函数)测试后的软件可以非常快速的移植到真实的芯片中去。

如图3所示，硬件模拟器支持TDMA和CSMA两种数据发送模式；

利用发射管理模块进行报文包的识别，当收到上层模块(upper level)发来的报文包是时分复用类型(TDMA DATA)的报文包时，则利用时分复用模块(TDMA scheduling)根据该报文包中所带的时隙信息，在预定时间内指定发送模块(TX)发送该报文，可用但不限于以下的方式实现：

时分复用模块多个hw queue，每个queue有如下属性：

Id：唯一标识queue

Enabled：是否enabled，只有enabled的queue才能用，这是由上层配置；

Priority：queue生成时被确定，priority越高的queue中的包发送越优先；

时分复用模块，建立两个scheduling queue，作为ping-pong，一个在执行的时候，另一个可供上层软件配置，每个queue的可存1000个cmdlist，每个cmdlist格式大致如下表：

表1 cmdlist字段格式

Enable_bitmap

Start_time

End_time

Enable_bitmap:指定要发送的hw queue

Start_time:这条cmd要执行的开始时间，是指系统时间。

End_time:这条cmd停止执行的时间，是指系统时间。

上层根据要发送的报文优先级，把报文挂载到相应的queue中，并把该queue设为enabled；上层要把相应的cmdlist配置完毕并通知时分复用模块。

时分复用模块收到cmdlist后，根据里面的start_time，开启定时器，定时时间到，依次按enable_bitmap中的hw queue优先级，把其中的报文发送出去；往复执行，直到End_time时间到。

发射管理模块包括载波监听模块(CSMA scheduling)，以实现载波监听发送方式。

相应的，控制单元内存有表示信道占用情况的信号量参数；

所述载波监听模块用于当收到上层模块(upper level)发来的报文包是载波监听类型的报文包(非TDMA DATA)时，向控制单元请求信号量参数，直至控制单元发来的信号量参数表示信道可用时，则发送模块(TX)发送该报文包，否则不发送；

以及，在报文包开始发送时，通知控制单元使得所述信号量参数定量的向表示信道不可用的方向发展，在报文包发送结束时，通知控制单元使得所述信号量参数同样定量的向表示信道可用的方向发展。

此处建立了一个与真实的载波监听等效的信道模型，可快速简便的模拟真实信道的载波监听。不必使用物理信道即可模拟载波监听的过程，也不会影响到整个通信过程的模拟效果，进一步提高了模拟的真实程度，另一方面也降低了成本开销，算法的系统开销也非常的小。

例如，信号量参数在0时表示信道完全被占用，在5时表示信道完全可用，当前信号量参数为3，于是如果此时有节点从控制单元获得了这个参数，则开始发送报文，同时通知控制单元它正在发送，于是控制单元将信号量参数减小到2；由于此参数当前不为0，此间其他节点还可以报文，且报文开始时，参数减小到1；以此类推，当参数减小到0，其余节点便不能在此时进行报文，直至某一节点完成了报文并通知控制单元，参数增大到1，某节点在获得该信号量参数后又可报文，设置参数初始值是5，也就是信道完全可用时的参数，就能限制只能有5个节点同时报文。允许一定数量的节点在同一时间点同时报文，也就是说允许碰撞的情况发生，简单而有效的模拟了真实信道。

硬件模拟器具备同步系统时钟的功能，实现同物理计算机及跨物理计算机上模拟器的无障碍通信；当硬件模拟器被配置为中央控制器时，硬件模拟器上的同步模块读取所在物理机的时间滴答值，并通过一时钟同步报文将该时间滴答值发送给新启动的硬件模拟器；当硬件模拟器被配置为从节点时，解析来自中央控制器的时钟同步报文中的时间滴答值，并此将该从节点执行各类操作的时间校准为与中央控制器一致。

时钟同步报文的使用，是的各个节点的时钟同步调整在底层，依靠节点间的直接的报文包来完成，相较于常用的通过控制单元来完成，减少了中转环节，调整的延时误差大大减小。

本实施例中，控制单元还包括信道通信成功率模拟模块，该模块提供如图4所示的界面操作，供控制单元获取定义了各通信节点两两之间的通信成功率(Successful Ratio)的通信成功率脚本，并根据该通信成功率脚本配置各通信节点所对应的硬件模拟器的信道通信成功率模拟模块；

接收模块(RX)接收到报文后，所述信道通信成功率模拟模块则根据其配置，首先判断报文报来自哪个节点，随机的丢弃(droop)来自其他节点的报文包，所以并非所有的接收到的报文报都会送入接收队列(Rx queue)，从而实现通信成功率脚本中所规定的该节点与其他节点两两间的不同的通信成功率。

真实的信道由于有噪声，信号衰减等情况，会导致信号传输的信噪比降低，信号质量变差，从而导致一定概率的通信失败，此方案建立了一个与真实的信道等效的信道质量模型，可快速简便的模拟真实信道。不必使用物理信道即可模拟信道质量对通信的影响，也不会影响到整个通信过程的模拟效果，进一步提高了模拟的真实程度，另一方面也降低了成本开销。

网络中任意两个节点间的通信成功率由控制单元通过节点的命令通道下发，实现动态配置网络拓扑的功能。并且，辅以信号量参量的最大值与通信成功率的数学关系，把相互碰撞的报文模拟成系统的噪声，即信号量参量增大，则减低通信成功率，则对于真实网络的模拟成度更高，但付出的系统开销却并没有增加。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：包括控制单元，虚拟集中器，硬件模拟器和虚拟数据采集终端；

所述控制单元分别与所述虚拟集中器、硬件模拟器和虚拟数据采集终端一一连接；所述硬件模拟器还与一用于加载协议层、应用层软件的上层模块连接；

所述虚拟集中器，能模拟集中器发送操作命令及收取操作结果的功能；

所述硬件模拟器，能模拟电力载波通信网络的某一通信节点的报文收发功能，并受控于所述上层模块；

其中，至少包含一个用于模拟中央控制器的第一硬件模拟器，且至少包含一个用于模拟普通从节点或采集器的第二硬件模拟器；

所述虚拟数据采集终端，能模拟数据采集终端产生报文的功能以及报文收发的功能；

所述控制单元，用于配置所述硬件模拟器、所述虚拟集中器以及虚拟数据采集终端；

以及将所述硬件模拟器和所述虚拟数据采集终端连接为一模拟的电力载波通信网络。

2.根据权利要求1所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述硬件模拟器为功能可变换的通用硬件模拟器，其根据所述控制单元的配置模拟中央控制器、普通从节点以及采集器中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述控制单元用于根据读取到的配置文件对所述硬件模拟器、所述虚拟集中器以及所述虚拟电表进行自身参数、连接关系以及连接接口的配置。

4.根据权利要求1所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述硬件模拟器包括发射管理模块，所述发射管理模块用于根据所述上层模块发来的报文类型，控制硬件模拟器执行相应的报文发送方式；所述报文发送方式包括时分复用方式和载波监听方式。

5.根据权利要求4所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述发射管理模块包括载波监听模块，所述控制单元内存有表示信道占用情况的信号量参数；

所述载波监听模块用于当收到上层模块发来的报文包是载波监听类型的报文包时，向控制单元请求信号量参数，直至控制单元发来的信号量参数表示信道可用时，则发送该报文包，否则不发送；

以及，在报文包开始发送时，通知控制单元使得所述信号量参数定量的向表示信道不可用的方向发展，在报文包发送结束时，通知控制单元使得所述信号量参数同样定量的向表示信道可用的方向发展。

6.根据权利要求4所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述发射管理模块包括时分复用模块，用于当收到上层模块发来的报文包是载波监听时分复用类型的报文包时，根据该报文包中所带的时隙信息，在预定时间内指定发送该报文。

7.根据权利要求1或5所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述硬件模拟器包括信道通信成功率模拟模块；所述控制单元还用于获取定义了各通信节点两两之间的通信成功率的通信成功率脚本，并根据该通信成功率脚本配置各通信节点所对应的硬件模拟器的信道通信成功率模拟模块；

所述信道通信成功率模拟模块则根据其配置，随机的丢弃来自其他节点的报文包，从而实现通信成功率脚本中所规定的该节点与其他节点间的通信成功率。

8.根据权利要求1所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：包括物理机；所述物理机上运行有多个虚拟机；在每个虚拟机上设置一硬件模拟器。

9.根据权利要求8所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：所述虚拟机为嵌入式实时操作系统虚拟机，所述硬件模拟器基于该嵌入式实时操作系统工作。

10.根据权利要求8所述的用于模拟节点间通信的系统，其特征在于：包括多个物理机；

所述硬件模拟器还包括同步模块，该同步模块用于，当硬件模拟器被配置为中央控制器是，读取所在物理机的时间滴答值，并通过一时钟同步报文将该时间滴答值发送给新启动的硬件模拟器；当硬件模拟器被配置为从节点时，解析来自中央控制器的钟同步报文中的时间滴答值，并此将该从节点执行各类操作的时间校准为与中央控制器一致。