CN109547051A - 一种cpe终端、数据流传输方法及公专网切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CPE终端、数据流传输方法及公专网切换方法，所述CPE终端包括主控模块、射频收发模块以及支持公网与专网切换的4G通讯模块；主控模块通过4G通讯模块接收射频收发模块转发的信息，并下发至业务终端，和/或将业务终端发送的信息传送至4G通讯模块，经4G通讯模块转发至射频收发模块。主控模块设有与业务终端通信连接的网口，4G通讯模块通过USB与主控模块通信连接。主控模块还设有与业务终端通信连接的串口，4G通讯模块通过UART与主控模块通信连接。本发明采用支持公专网切换的4G通讯模块，能够满足多种业务数据流对传送网络的需求，降低电力无线专网网络建设成本。

Description

一种CPE终端、数据流传输方法及公专网切换方法

技术领域

本发明涉及一种CPE终端、数据流传输方法及公专网切换方法，属于电力物联网技术领域。

背景技术

在支撑能源互联网无线通信技术研究领域，针对业务流量的模式可以将能源互联网业务划分为：任务关键型控制业务和大规模采集类业务：

(1)任务关键型控制业务具有极低时延、突发高带宽、集中式下行控制等特点，如精准负荷控制需要低于50ms的端到端时延内完成负荷快速切除，才能保证特高压故障引起的频率跌落恢复，差动保护业务则要求20ms甚至很低的传输时延来保证采样电气量时间上的精确同步。任务关键型控制业务的通信接口更倾向于高速的以太网/IP网络协议栈，通过CPE(Customer Premise Equipment，客户终端设备)终端直接连接到射频拉远单元，从而降低传输时延。

(2)大规模采集类业务主要表现为大规模上行接入、低速窄带、广域覆盖等特征，特别是海量业务接入对成本因素尤为敏感，因此层次化的网络结构、简化的通信接口设计是高效的处理手段。其中，简化的通信接口设计则是采用串口/AT指令网络协议栈，降低了业务终端片上系统开发工作量，同时硬件成本代价十分低廉，它们通常被安装在智能电能表、配电自动化、电动汽车充电桩、分布式能源等位置。

随着能源互联网业务向用户侧渗透日益加深，各类业务应用与网络日益“IP化”，电力信息物理网络面临的信息安全形势越来越严峻。对于任务关键型控制业务采用私有协议设计文件传输机制、基于密码学的加密认证机制、频率物理隔离等技术手段已取得良好的防护效果，但是对于成本敏感的大规模采集类业务的安全防护需进一步加强。

目前针对电力物联网专用的网关设备研发尚处于起步阶段，已有的产品存在体积大、成本高、安装不便、接线复杂、故障排查难等技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种CPE终端、数据流传输方法及公专网切换方法，支持公专网灵活切换。

为达到上述目的，本发明实施例是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种CPE终端，包括主控模块、射频收发模块以及支持公网与专网切换的4G通讯模块；

所述主控模块通过4G通讯模块接收射频收发模块转发的信息，并下发至业务终端，和/或将业务终端发送的信息传送至4G通讯模块，经4G通讯模块转发至射频收发模块。

结合第一方面，进一步的，所述主控模块设有与业务终端通信连接的网口，所述4G通讯模块通过USB与所述主控模块通信连接。

结合第一方面，进一步的，所述主控模块还设有与业务终端通信连接的串口，所述4G通讯模块通过UART与所述主控模块通信连接。

结合第一方面，进一步的，所述UART配置有电平转换电路，用于对主控模块与4G通讯模块之间传输的数据流进行双向电平转换。

结合第一方面，进一步的，所述终端采用多级电源模块，包括：为所述主控模块供电的第一电压转换模块、为4G通讯模块供电的第二电压转换模块、为串口供电的第三电压转换模块、为电平转换电路供电的第四电压转换模块，所述第二电压转换模块、第三电压转换模块的输入端分别与第一电压转换模块的输出端电连接，所述第四电压转换模块的输入端与第二电压转换模块的输出端电连接。

结合第一方面，进一步的，所述第一电压转换模块的输入端还连接有电源防护模块。

结合第一方面，进一步的，所述终端还分别为各电压转换模块配置有电源接入异形口。

结合第一方面，进一步的，所述4G通讯模块设有能够识别公网SIM卡及专网SIM卡的SIM卡槽。

结合第一方面，进一步的，所述4G通讯模块内预存有专网软SIM信息，所述SIM卡槽中插有公网SIM卡时，4G通讯模块结合专网软SIM信息，根据本地专网与公网信号相对强弱进行公网连接与专网连接的切换。

结合第一方面，进一步的，所述主控模块上还连接有安全加密芯片。

结合第一方面，进一步的，所述终端还包括用于状态指示的指示灯。

第二方面，本发明实施例提供了一种CPE终端数据流传输方法，包括主控模块、射频收发模块以及支持公网与专网切换的4G通讯模块；其特征在于，所述传输方法包括：

所述主控模块通过4G通讯模块接收射频收发模块转发的数据流，并下发至业务终端；

和/或

所述主控模块将业务终端发送的数据流传送至4G通讯模块，经4G通讯模块转发至射频收发模块。

结合第二方面，进一步的，所述主控模块与4G通讯模块之间采用USB传输协议实现数据流互传，所述主控模块与业务终端之间通过网口实现数据流互传。

结合第二方面，进一步的，所述主控模块与4G通讯模块之间采用UART串口通信方式实现数据流互传，所述主控模块与业务终端之间通过串口实现数据流互传。

结合第二方面，进一步的，当数据流采用UART串口通信方式互传时，还应对主控模块与4G通讯模块之间互传的数据流进行电平转换处理。

第三方面，本发明实施例提供了一种CPE终端公专网切换方法，所述CPE终端包括4G通讯模块，所述4G通讯模块设有能够识别公网SIM卡及专网SIM卡的SIM卡槽；其特征在于，所述切换方法包括：

通过将SIM卡槽中的公网SIM卡更换为专网SIM卡，实现公网连接向专网连接的切换；

通过将SIM卡槽中的专网SIM卡更换为公网SIM卡，实现专网连接向公网连接的切换；

第四方面，本发明实施例还提供了一种CPE终端公专网切换方法，所述CPE终端包括4G通讯模块，所述4G通讯模块设有SIM卡槽，SIM卡槽中插有公网SIM卡，同时4G通讯模块内还预存有专网软SIM信息，其特征在于，所述切换方法包括：

结合专网软SIM信息获取本地专网信号RSRP，当本地专网信号RSRP高于预设门限值时，将公网连接切换为专网连接；否则，保持公网连接。

结合第四方面，进一步的，所述专网软SIM信息包括：国际移动用户识别码、移动网络码、鉴权密钥、运营商根密钥。

结合第四方面，进一步的，所述切换方法还包括：

CPE终端远程开户，鉴权密钥配合国际移动用户识别码在CPE终端登录网络时进行用户身份认证。

综上，本发明实施例提供的CPE终端、数据流传输方法及公专网切换方法：采用支持公专网切换的4G通讯模块，能够满足多种业务数据流对传送网络的需求，避免电力业务终端通信改造所产生的重复性投资，有助于降低电力无线专网网络建设成本；不仅支持更换硬件SIM卡实现公专网切换方式且支持专网软SIM信息实现公专网切换，切换方式灵活，适用范围广，便于市场推广使用；支持串口、网口多种数据流传输方式，能够适用于多种业务终端的数据传输需求。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的CPE终端的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的4G通讯模块的电路图；

图3是根据本发明实施例提供的网口的电路图；

图4是根据本发明实施例提供的串口的电路图；

图5是根据本发明实施例提供的第一电压转换模块的电路图；

图6是根据本发明实施例提供的第二电压转换模块的电路图；

图7是根据本发明实施例提供的第三电压转换模块的电路图；

图8是根据本发明实施例提供的电源防护模块的电路图；

图9是根据本发明实施例提供的基于串口的CPE终端数据流传输方法流程图；

图10是根据本发明实施例提供的基于网口的CPE终端数据流传输方法流程图；

图11是根据本发明实施例提供的CPE终端进行峰值传输速率测试所获取的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了CPE终端的结构示意图，包括：主控模块、射频收发模块以及支持公网与专网切换的4G通讯模块；主控模块通过4G通讯模块接收射频收发模块转发的信息，并下发至业务终端，和/或将业务终端发送的信息传送至4G通讯模块，经4G通讯模块转发至射频收发模块。

其中，主控模块可以采用广州致远电子有限公司的M6G2C系列核心板，以实现远程4G通信、网口及串口数据传送的协调控制。M6G2C系列核心板是基于NXP i.MX6UL处理器为核心的嵌入式工业控制核心板，采用性能更优的Cortex-A7内核处理器，可提供快速的数据处理，处理器工作频率可达528MHz，内嵌Linux操作系统；外置独立硬件看门狗，支持SD卡、USB，网口等多种升级方式等。主控模块还提供了CPE终端的调试登陆WEB界面、网管及用户定制APP开发功能，为海量终端的管理和调试提供了便捷。

为了进一步提高CPE终端的安全性能，主控模块上还设有TF卡SIM卡槽，用于连接安全加密芯片，在本地通信无法提供网络额外安全防护时，安全加密芯片可用于提供应用层安全防护，确保业务安全。

图2示出了4G通讯模块的电路图。4G通讯模块可以采用华为HUAWEI eM300-118LTELCC模块，提供UART、USB2.0等数据接口，支持LTE-TDD Band 38/39/40/41/59，LTE-FDDBand 1/3/8，TD-SCDMA Band 34/39，WCDMA Band 1/8，GSM900/1800M，其中LTE-TDD Band59为电力专用频段(1785MHz～1805Mhz)，其余为中国移动、中国电信、中国联通运营商公网2G/3G/4G频段。

4G通讯模块设有与SIM卡相适配的SIM卡槽，能够识别公网SIM卡及专网SIM卡，支持人工SIM卡更换以实现公专网切换。具体的：通过将SIM卡槽中的公网SIM卡更换为专网SIM卡，实现公网连接向专网连接的切换；通过将SIM卡槽中的专网SIM卡更换为公网SIM卡，实现专网连接向公网连接的切换。

4G通讯模块内提前烧入专网软SIM信息，包括：IMSI(国际移动用户识别码)、MNC字长(移动网络码，与PLMN一一对应，有2位和3位两种)、Ki(鉴权密钥，配合IMSI在CPE终端登录网络时作为用户身份认证的鉴权密钥)和OP(运营商根密钥)。用户预先进行远程开户并登录网络，当有专网接入需求时，CPE终端本地监测专网信号RSRP(Reference SignalReceiving Power，参考信号接收功率)是否高于预设门限值(如：-115dBm)，若高于预设门限值，则将公网连接切换至专网连接；否则，保持原公网连接。

需要说明的是，不论是通过人工插拔更换SIM卡的硬卡公专网切换方式还是通过公专网切换模块实现的软卡公专网方式，均需本地将公网APN修改为专网APN。

当主控模块通过网口与业务终端通信连接时，相对应的，4G通讯模块采用虚拟串口方式通过USB传输AT指令至主控模块，实现与主控模块的通信连接。此时，4G通讯模块的访问控制协议遵循3GPP TS 27.007(GSM 07.07)，用于控制4G通讯模块开关机、复位、唤醒及睡眠状态监测等，4G通讯模块须经过二次开发支持国网Q/GDW 1376.3采集终端远程通信模块接口协议。网口可以采用外设网络芯片。如图3所示，本发明实施例中，网口采用DP83848KSQ/NoPB百兆网络芯片，该网络芯片采用RGMII模式进行数据传输，将百兆网络的两对(RX，TX)差分传输转换为四线(RX，TX)单端传输方式与主控模块进行互联，实现网络数据传输。

当主控模块通过串口与业务终端通信连接时，相对应的，4G通讯模块通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)与所述主控模块通信连接。串口可以采用外设RS485模块。如图4所示，是本发明实施例中串口的电路图，RS485模块为主控模块提供485总线接口通信，采用MAX3485芯片，该芯片为3.3V低压供电，方便与主控模块的串口接口进行对接，后端采用了TVS管，自恢复保险丝及气体放电管来进行对通信端口的静电浪涌的防护。为克服UART与主控模块之间电平不匹配的问题，UART还配置有电平转换电路。

为了满足4G通讯模块、主控模块、网口、串口等模块的多电压需求，本发明实施例提供的CPE终端采用多级电源模块，以平滑电压压降，保障了各类器件高温下的优异性能。具体包括：为主控模块供电的第一电压转换模块、为4G通讯模块供电的第二电压转换模块、为串口供电的第三电压转换模块、为电平转换电路供电的第四电压转换模块。

本发明实施例中CPE终端采用防呆、防脱落电源接口独立宽电压供电，优选的，供电电压为24V。第一电压转换模块采用24V/5V的DC/DC电源模块，本发明实施例中采用广州金升阳科技有限公司的URB2405YMD-15WR3电源模块，该电源模块具有以下特性：输出功率为15W，4:1宽电压输入范围(9-36V)，输出5V，输出电流3A，效率高达91％，1500VDC常规隔离电压，允许工作温度-40℃～+105℃，具有输入欠压保护，输出过压、过流、短路保护功能。图5示出了第一电压转换模块的电路图。

如图6所示，是第二电压转换模块的电路图，第二电压转换模块采用5V/3.8V的DC/DC电源模块，具体的，可以选用RT9018电源芯片，因其可以提供高达3A的电流，可以满足em300-118无线模块的最大电流需求(2.5A)。第一电压转换模块的输出端与第二电压转换模块的输入端电连接，用于为第二电压转换模块提供5V直流输入电压。

如图7所示，是第三电压转换模块的电路图，第三电压转换模块采用5V/3.3V的DC/DC电源模块，具体的可以采用SPX3819M5-3.3芯电源片。第一电压转换模块的输出端同时与第三电压转换模块的输入端电连接，用于为第三电压转换模块提供5V直流输入电压。

第四电压转换模块采用3.8V/1.8V的DC/DC电源模块，具体的可以采用SPX3819M5-1.8电源芯片。第四电压转换模块的输入端与第二电压转换模块的输出端电连接。

为满足严酷的工业环境需求，第一电压转换模块的输入端还连接有电源防护模块，为CPE提供了浪涌冲击抗扰、静电放电抗扰、电快速瞬变脉冲群抗扰、工频磁场抗扰、阻尼振荡磁场抗扰等电磁防护，达到了工业防护等级四级(GB/T17626)。如图8所示，是电源防护模块的电路图，图中在TVS管及之前的器件主要用于防护雷击浪涌静电的冲击，后面为EMI滤波部分。

为了防止因现场安装时电源误接数据接口导致芯片烧毁，CPE终端还分别为各电压转换模块配置有电源接入异形口，方便现场施工，提高了施工效率与可靠性。

本发明实施例中CPE终端采用与内部硬件电路相绝缘的防护外壳，保证人体、应用环境中业务设备免于强电压、电流泄露的伤害。防护外壳采用背面、侧面双卡扣设计，CPE终端正面还设有状态指示灯，用于复位、通信、电源、故障等状态指示。

射频收发模块包括射频接收单元和射频发送单元，用于无线射频信号的接收与发送，具体的可以采用1.8GHz天线。

因此，本发明实施例从功能、性能及安全等多个角度出发提供的CPE终端不仅支持人工插拔SIM卡实现公专网切换，同时支持基于软SIM的公专网自动切换，切换方式灵活，降低了电力业务终端通信改造的重复性投资，为电力无线专网网络建设提供了可能；支持百兆以太网口及串口通信，适用于电力能源互联网应用多形态、多业务、海量终端接入需求，灵活适配了电力工业领域绝大多数业务终端，包括：精准负荷控制、配电自动化、分布式新能源、电动汽车充电桩、巡检机器人、视频监控等；根据本发明实施例生产制造的CPE终端长度仅为9.7cm，宽度为8.7cm，高度为2.8cm，与原有工业CPE终端相比体积缩小了1.5倍。

本发明实施例还提供了一种CPE终端数据流传输方法，该方法可以采用前述的CPE终端执行，具体包括如下步骤：

当数据流在主控模块与4G通讯模块之间采用USB传输协议实现数据流互传时，对应的，主控模块与业务终端之间应通过网口实现数据流互传。如图9所示，CPE终端从4G通讯模块接收数据时，无线射频信号由射频接收单元转换为基带信号，经USB传输协议发送给主控模块，主控模块将所接收的信号网口发送至下联业务终端。当业务终端发送数据时，主控模块将所接收到的数据通过USB传送给4G通讯模块，经射频发送单元调制为相应射频信号发送。由于USB遵循统一电平值，主控模块与4G通讯模块之间进行信息互传时，无需进行电平转换处理。

当数据流在主控模块与4G通讯模块之间采用UART串口通信方式实现数据流互传时，对应的，主控模块与业务终端之间应通过串口实现数据流互传。如图10所示，当CPE终端从4G通讯模块接收数据时，无线射频信号由射频接收单元转换为基带信号，经4G通讯模块处理后转换成UART串口信号，并发送给主控模块，主控模块将所接收的UART串口信号转换成RS-485串口通信信号，并发送至下联业务终端。当业务终端向主控模块发送数据时，主控模块将接收到的RS-485串口通信信号转换成UART信号，并发送给4G通讯模块，最后经射频发送单元调制为相应射频信号发送。由于主控模块与UART之间存在电平不匹配的问题，主控模块与4G通讯模块经UART进行数据流互传时，还应对数据流进行电平转换处理。

如图11所示，利用吞吐量测试软件发送UDP包，在传输发起并稳定后开始对本发明实施例提供的CPE终端数据流传输方法分别进行峰值传输速率测试，带宽为20MHz，以一段时间内(如：20s)的数据作为样点，记录下CPE终端传输速率数据，根据测试结果，上行UDP、TCP峰值传输速率可达到5.10Mbps和5.25Mbps；下行UDP、TCP峰值传输速率分别为7.86Mbps和7.75Mbps，可见：采用本发明实施例提供的CPE终端数据流传输方法能够获取更高的数据流传输效率。本发明实施例提供的CPE终端数据流传输方法，支持多种数据通讯接口，能够适用于多种电力业务应用需求，具有较广的适用范围。

本发明实施例还提供了一种CPE终端公专网切换方法，同样可以采用前述的CPE终端实现，所述切换方法包括：

更换硬件SIM卡进行公专网切换，具体为：将公网SIM卡更换为专网SIM卡，实现公网连接向专网连接的切换；将专网SIM卡更换为公网SIM卡，实现专网连接向公网连接的切换。

所述切换方法还包括：

采用预存有专网软SIM信息的4G通讯模块，根据本地专网信号进行公专网切换，当本地专网信号RSRP高于预设门限值时，将公网连接切换为专网连接；否则，保持公网连接。所述专网软SIM信息包括：国际移动用户识别码、移动网络码、鉴权密钥、运营商根密钥。CPE终端可以实现远程开户，鉴权密钥配合国际移动用户识别码在CPE终端登录网络时进行用户身份认证。

因此，本发明实施例提供的CPE终端公专网切换方法，支持人工SIM卡更换及软SIM自动切换两种公专网切换方式，灵活的切换方式，为电力无线专网大规模推广建设、能源互联网业务快速发展奠定了基础。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种CPE终端，其特征在于，包括主控模块、射频收发模块以及支持公网与专网切换的4G通讯模块；

所述主控模块通过4G通讯模块接收射频收发模块转发的信息，并下发至业务终端，和/或将业务终端发送的信息传送至4G通讯模块，经4G通讯模块转发至射频收发模块。

2.根据权利要求1所述的CPE终端，其特征在于，所述主控模块设有与业务终端通信连接的网口，所述4G通讯模块通过USB与所述主控模块通信连接。

3.根据权利要求1或2所述的CPE终端，其特征在于，所述主控模块还设有与业务终端通信连接的串口，所述4G通讯模块通过UART与所述主控模块通信连接。

4.根据权利要求3所述的CPE终端，其特征在于，所述UART配置有电平转换电路，用于对主控模块与4G通讯模块之间传输的数据流进行双向电平转换。

5.根据权利要求4所述的CPE终端，其特征在于，所述终端采用多级电源模块，包括：为所述主控模块供电的第一电压转换模块、为4G通讯模块供电的第二电压转换模块、为串口供电的第三电压转换模块、为电平转换电路供电的第四电压转换模块，所述第二电压转换模块、第三电压转换模块的输入端分别与第一电压转换模块的输出端电连接，所述第四电压转换模块的输入端与第二电压转换模块的输出端电连接。

6.根据权利要求5所述的CPE终端，其特征在于，所述第一电压转换模块的输入端还连接有电源防护模块。

7.根据权利要求5所述的CPE终端，其特征在于，所述终端还分别为各电压转换模块配置有电源接入异形口。

8.根据权利要求1所述的CPE终端，其特征在于，所述4G通讯模块设有能够识别公网SIM卡及专网SIM卡的SIM卡槽。

9.根据权利要求8所述的CPE终端，其特征在于，所述4G通讯模块内预存有专网软SIM信息，所述SIM卡槽中插有公网SIM卡时，4G通讯模块结合专网软SIM信息，根据本地专网与公网信号相对强弱进行公网连接与专网连接的切换。

10.根据权利要求1所述的CPE终端，其特征在于，所述主控模块上还连接有安全加密芯片。

11.根据权利要求1所述的CPE终端，其特征在于，所述终端还包括用于状态指示的指示灯。

12.一种CPE终端数据流传输方法，其特征在于，所述传输方法包括：

主控模块通过支持公网与专网切换的4G通讯模块接收射频收发模块转发的数据流，并下发至业务终端；

和/或，

主控模块将业务终端发送的数据流传送至支持公网与专网切换的4G通讯模块，经4G通讯模块转发至射频收发模块。

13.根据权利要求12所述的CPE终端数据流传输方法，其特征在于，所述主控模块与4G通讯模块之间采用USB传输协议实现数据流互传，所述主控模块与业务终端之间通过网口实现数据流互传。

14.根据权利要求12或13所述的CPE终端数据流传输方法，其特征在于，所述主控模块与4G通讯模块之间采用UART串口通信方式实现数据流互传，所述主控模块与业务终端之间通过串口实现数据流互传。

15.根据权利要求14所述的CPE终端数据流传输方法，其特征在于，当数据流采用UART串口通信方式互传时，还包括：对主控模块与4G通讯模块之间互传的数据流进行电平转换处理。

16.一种CPE终端公专网切换方法，其特征在于，所述CPE终端包括4G通讯模块，所述4G通讯模块设有能够识别公网SIM卡及专网SIM卡的SIM卡槽；所述切换方法包括：

通过将SIM卡槽中的公网SIM卡更换为专网SIM卡，实现公网连接向专网连接的切换；

通过将SIM卡槽中的专网SIM卡更换为公网SIM卡，实现专网连接向公网连接的切换。

17.一种CPE终端公专网切换方法，其特征在于，所述CPE终端包括4G通讯模块，所述4G通讯模块设有SIM卡槽，SIM卡槽中插有公网SIM卡，同时4G通讯模块内还预存有专网软SIM信息，所述切换方法包括：

结合专网软SIM信息获取本地专网信号RSRP，当本地专网信号RSRP高于预设门限值时，将公网连接切换为专网连接；否则，保持公网连接。

18.根据权利要求17所述的CPE终端公专网切换方法，其特征在于，所述专网软SIM信息包括：国际移动用户识别码、移动网络码、鉴权密钥、运营商根密钥。

19.根据权利要求18所述的CPE终端公专网切换方法，其特征在于，所述切换方法还包括：

CPE终端远程开户，鉴权密钥配合国际移动用户识别码在CPE终端登录网络时进行用户身份认证。