CN109756271A - 一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，包括可见光通信信号发射系统以及抄表终端；电能表侧系统包括电能表接口模块、发射系统MCU、发射系统电源模块、可见光光源模块；抄表终端包括抄表终端MCU、抄表终端电源模块、电压判决模块、信号前置放大模块以及光电探测器。本发明不需改变现有的电能表的结构即可使用，由于采用了可见光作为通信的信号源，不存在电磁干扰以及射频泄露的风险，不会对电能表信息以及电能数据造成不利影响，且避免了对操作人员身体造成伤害。

Description

一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统。

背景技术

电力行业作为国家的支柱产业，电能的管理关系到国民经济的健康平稳发展以及人们的日常生活。而伴随着中国社会经济的不断发展以及城镇化进程的不断加快，我国电力用户数量急剧增加，在市中心用电密度大、国土资源紧张的区域，常在地下建设室内变电站。作为电网核心组成部分，变电站的稳定运行关系到整个电网能否可靠的为用户提供电能。因此对室内变电站的各项运行数据进行实时监测就显得十分重要，抄表即是监测中的一项任务。抄表的实时性和准确性将直接影响到电网系统的运维与电力市场部门的管理决策。当前，计量自动化系统在电网的电能计量运用中得到普及，相比于传统的人工抄表方式，计量自动化系统的使用免去了人力资源的浪费。然而在不同环境下，计量自动化系统的实时性、安全稳定性以及准确性取决于抄表通信方式的选择，因此，选择一种适合强电磁环境要求的室内变电站的抄表通信方式显得尤为重要。

现有技术方案：目前国内常见的本地低压集抄通信技术主要可分为以下三种：1)RS-485：该类型抄表系统主要使用485总线实现集中器和采集终端之间的通信，这种抄表系统发展较为成熟，目前普及度也较高，许多不同领域都采用RS485作为数据传输链路，是一种极为经济且具有较高的噪声抑制、传输速率、传输距离的通信平台；2)微功率无线抄表系统：该类型抄表系统主要通过近距离发射功率小于等于50mW的无线射频通信组网无线的技术从数据采集器中读取数据，省去了集中控制器，组网简单，用于区分电信运营商提供的商业无线通信网络技术。其点与点之间传输距离较短，无线信号易受障碍物阻挡。该技术已开始在计量自动化领域得到应用，该通信方式适用于电能表位置集中、用电负载特性变化较大的台区，如城市居民小区、电能表集中的农村等，能有效弥补现有通信方式的不足；3)电力载波抄表系统：该类型抄表系统主要利用低压电力线路实现载波信号的传输，无需重新布线，实施简单、方便。目前低压电力线载波通信广泛应用于计量自动化系统的本地通信、安防、楼宇自动化等领域。

现有技术缺点：1)有线抄表技术存在线缆铺设难度大、拓展功能不方便、维护检修不容易等缺点；此外信号传输过程中为了解决绝缘问题，需要投入的成本很高。无线抄表与有线抄表技术相比，它具备更佳的灵活性与便捷性，并且不存在绝缘问题；2)当前用于低压集抄的微功率无线通信技术主要是 Bluetooth、NFC、Zigbee、WiFi、HomeRF以及IrDA等技术，这些常规的短距离无线通信技术都存在有电磁干扰和射频泄露的风险。在室内变电站这种强磁环境下传输电能表数据，将会对数据的准确性造成不利影响；3)微功率无线通信技术采用的射频穿透性极强，射频信号携带的信息容易被截取或修改，从而给电网的信息安全带来挑战；4)影响电力网络中其他设备的正常工作：在目前的电力系统设备通讯方式中，无论是GPRS、ZigBee、还是WiFi、蓝牙等，工作频段大多集中于2.4GHz频段，大量的GPRS远程抄表装置很容易与电力网络中的其他信号相互干扰，降低工作效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，解决现有技术中的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，包括可见光通信信号发射系统以及抄表终端；

所述电能表侧系统包括电能表接口模块、发射系统MCU、发射系统电源模块、可见光光源模块；

所述电能表接口模块与电能表双向通信，用于对电能表进行读写操作；所述发射系统MCU与所述电能表接口模块双向通信；所述发射系统电源模块与所述发射系统MCU连接，用于为系统供电；所述可见光光源模块上连接有驱动模块，所述可见光光源模块借助所述驱动模块与所述发射系统MCU连接，用于作为通信光源向抄表终端发送抄表数据；

所述抄表终端包括抄表终端MCU、抄表终端电源模块、电压判决模块、信号前置放大模块以及光电探测器；

所述抄表终端电源模块连接所述抄表终端MCU，用于为抄表终端供电；所述电压判决模块连接所述抄表终端MCU，所述信号前置放大模块连接所述电压判决模块，所述光电探测器连接所述电压判决模块。

可选的，所述可见光光源模块为白光Micro-LED阵列光源，所述驱动模块的驱动芯片为DM13A芯片。

可选的，所述电能表上设有RS-485接口，所述电能表接口模块连接于所述RS-485接口上；

所述发射系统MCU和抄表终端MCU均为ARM CORTEX-M4内核的32 位单片机STM32F407ZGT6。

可选的，所述发射系统电源模块以感应供电或太阳能供电的方式进行供电。

可选的，所述PIN型光电二极管作为光电探测器。

可选的，所述信号前置放大模块为前置跨阻放大器。

可选的，所述抄表终端还包括主放大模块，所述主放大模块连接所述信号前置放大模块，所述信号前置放大模块借助所述主放大模块与所述电压判决模块连接。

可选的，所述电压判决模块的集成运放为MAX913整形电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明不需要改变现有的电能表结构，不要铺设复杂的通信电缆线路，不需要人工介入对系统进行维护检修，不需要考虑绝缘性问题。

2本发明采用的可见光通信技术频谱资源丰富，无需进行频谱认证可直接使用，不存在电磁干扰以及射频泄露的风险，在室内变电站这种强电磁环境中传输的电能表信息以及电能数据不会造成不利影响，而且对进入室内变电站工作人员的身体没有伤害。此外，电网系统的信息安全也得到有力的保障，只需要把室内变电站的门窗关闭，可见光信号就不会泄露到室外。

3)本发明采用Micro-LED阵列代替普通商用的单个LED作为系统的通信光源；Micro-LED阵列的发光均匀度高、发光强度大、功耗低；Micro-LED 期间的调制带宽高、光电转换速率快、寄生参数小，因此能够有效的提高室内变电站环境下系统的照明质量以及通信性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统中光通信信号发射系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统中抄表终端的结构示意图。

上述图中：101、电能表接口模块；102、发射系统MCU；103、信号功率放大模块；104、驱动模块；105、可见光光源模块；106、发射系统电源模块；201、抄表终端MCU；202、电压判决模块；203、主放大电路模块；204、信号前置放大模块；205、光电探测器；206、抄表终端电源模块；30、电能表。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，采用可见光通信技术作为低压集抄通信。通过对国内外现有低压抄表技术的分析，结合可见光通信技术的特点以及室内变电站环境的特点，提出了一种在室内变电站环境下、基于可见光通信技术低压抄表系统的整体设计方案，并确定了系统收发端各组成模块的功能及选型。

本发明旨在于克服现有技术的缺点与不足，针对室内变电站这样一个应用环境，提供一种兼具照明与通信、免受电磁干扰、对人体无害、信息安全性高、测量准确、可靠性高、功耗低的本地短距离无线通信电能计量抄表系统。

具体地，该电能计量抄表系统包括可见光通信信号发射系统和抄表终端，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参考图1，图1示出了本发明提供的一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统中光通信信号发射系统的结构示意图。

本实施例提供的光通信信号发射系统包括电能表接口模块101、发射系统MCU102、发射系统电源模块106、可见光光源模块105。

该可见光光源模块105为白光Micro-LED阵列光源，用于作为通信光源向抄表终端发送抄表数据。Micro-LED阵列的发光均匀度高、发光强度大、功耗低；Micro-LED器件的调制带宽高、光电转换速率快、寄生参数小。因此可以有效的提高室内变电站环境下系统的照明质量以及通信性能。

进一步地，可见光光源模块105采用白光Micro-LED代替白光商用LED 作为系统的通信光源，相比于普通商用的白光LED，Micro-LED具有调制带宽大、寄生参数小、发光强度大以及光电转换效率高的优势。

阵列光源相比于独立光源具有更高品质的发光均匀度，可以搭配更丰富的信号调制技术，有利于系统通信性能以及照明性能的提升。此外，由于可见光通信技术的安全系数较高，在具体操作时，室内变电站只要关闭门窗，携带电能表信息与电能数据的可见光信号就不会外泄，系统安全系数极高。

在本实施例中，电能表接口模块101与电能表30双向通信。电能表接口模块101中包含电平转换电路以及该部分供电电源电路，它主要用于为电能数据采集功能的实现提供硬件支持，并用于对电能表30进行读写操作，以完成电能表30的设置和电能数据的采集。

具体地，电能表30上设有RS-485接口，电能表接口模块101连接于 RS-485接口上。只需要将系统发送端的电能表接口模块101与现有电能表30 的RS-485端子连接即可，无需对现有的电能表30进行任何改造。

本实施例中的发射系统MCU102为ARM CORTEX-M4内核的32位单片机STM32F407ZGT6，其与电能表接口模块101双向通信，主要负责对整个电能表30侧可见光通信发射系统中电能数据的采集、调制和功率放大，并用于驱动可见光光源模块105。

由于32位单片机STM32F407ZGT6的输出电流比较微弱，且Micro-LED 光功率的变化并不明显，信号较难识别，且不能满足正常的通信和照明；基于此，需要设置一个驱动模块104来对调制信号进行功率放大，使其得以正常驱动Micro-LED阵列发光。

针对上述需求，本发明实施例中，发射系统MCU102上连接有信号功率放大模块103，该信号功率放大模块103采用中国台湾点晶科技公司的DM13A芯片，可以通过设置引脚REXT和GND之间的外部电阻来设置芯片输出电流的大小，从而获取满足系统功率要求的驱动信号。

此外，由于本发明实施例选用的通信光源为白光Micro-LED阵列，从 Micro-LED的伏安特性曲线可知，当电压高于阈值电压时，较小的电压波动会导致输出电流波动幅度大，若使用电压驱动，则输出电流不稳定，影响 Micro-LED阵列的正常发光。

针对上述需求，本发明实施例中，可见光光源模块105上连接有驱动模块104，可见光光源模块105连接驱动模块104，该驱动模块104连接信号功率放大模块103，从而与发射系统MCU102实现连接。

可选地，采用DM13A作为白光Micro-LED阵列的驱动芯片。

Micro-LED阵列光源采用恒流源来驱动，由于DM13A芯片集成了16个片上CMOS恒流源且包含16个输出通道，因而更易于电路小型化。

发射系统电源模块106与发射系统MCU102连接，其采用感应供电或太阳能电池供电的方式进行供电，主要为发射系统MCU102、信号功率放大模块103、驱动模块104等系统主要模块进行供电。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统中抄表终端的结构示意图。

本实施例中，该抄表终端包括光电探测器205及其外围电路、抄表终端 MCU201、抄表终端电源模块206、电压判决模块202、信号前置放大模块204；此外，该抄表终端还包括一信号解调模块，该信号调解模块与抄表终端 MCU201连接，用于对压力、流量、温度进行调控。

具体地，该抄表终端MCU201采用ARM CORTEX-M4内核的32位单片机STM32F407ZGT6，主要负责对整个可见光通信接收系统中的信号进行解调，存储以及上传。

抄表终端电源模块206连接抄表终端MCU201，用于为抄表终端供电；电压判决模块202连接抄表终端MCU201，信号前置放大模块204连接电压判决模块202，光电探测器205连接电压判决模块202。

在现有技术中，雪崩二极管APD和PIN型光电二极管是当前使用的最广泛的光电探测器205。该两种光电探测器205的频率响应范围以及所用材料均大致相同。

PIN型光电二极管具有响应时间短、频率响应范围宽、结电容小、温度敏感性低、能承受的反向工作电压高的特点，故PIN型光电二极管具有范围更宽的线性输出。APD管的工作电压比PIN管高，但雪崩增益会使得接收信号被放大的同时把噪声也放大了，同时APD管的温度也会受到影响。因此，在光电探测电路的设计中往往需要设计温度补偿电路模块，这将会导致电路设计成本的增加。

基于上述考虑，在本实施例中，为了降低系统设计成本以及系统噪声，本发明采用PIN型光电二极管(S6968)作为光电探测器205。

由于光电检测中的电流只有μA级别，十分微弱，因此本方发明需要设置一个信号前置放大模块204，用以对光电探测模块的输出信号进行放大。

在本发明实施例的一个可选的实施方式中，采用前置跨阻放大器作为系统接收端的信号前置放大模块204，该前置跨阻放大器具有噪声低、接收灵敏度高以及系统传输带宽高的特点。

进一步地，由于前置跨阻放大器频率带宽的增宽是通过牺牲放大电路增益来实现的，故前置跨阻放大器的增益往往很小，因而输出电压的幅度也相对较小，而信号噪声较大，使得该信号不能应用于其它电路和模块中进行信号的传输和识别。基于上述问题，本发明实施例中，在信号前置放大模块204 后添加一个主放大电路模块203，以实现对信号进行进一步的信号放大和滤除噪声。可选的，该主放大电路模块203的集成运放仍使用OPA657。可以理解的是，主放大电路模块203还可选择其他能够达到上述目的的类型，在此不做过多限制。

进一步地，选用德州仪器公司的集成高速运算放大器OPA657作为前置跨阻放大模块的集成运放；该OPA657是一款低噪声、FET输入，高增益带宽的电压反馈运算放大器。

在本发明实施例的一个可选的实施方式中，选用高速低功耗的MAX913 作为电压判决模块的集成运放，用于判决再生在衰减失真的电压信号，同时也可以提取出系统同步信号，微处理器可以根据同步信号对电压信号进行解调，恢复原始发送的电能数据以及电能表信息。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，包括可见光通信信号发射系统以及抄表终端；

所述电能表侧系统包括电能表接口模块、发射系统MCU、发射系统电源模块及可见光光源模块；

所述电能表接口模块与电能表双向通信，用于对电能表进行读写操作；所述发射系统MCU与所述电能表接口模块双向通信；所述发射系统电源模块与所述发射系统MCU连接，用于为系统供电；所述信号功率放大模块连接所述发射系统MCU所述可见光光源模块上连接有驱动模块，所述可见光光源模块借助所述驱动模块与所述发射系统MCU连接，用于作为通信光源向抄表终端发送抄表数据；

所述可见光光源模块为白光Micro-LED阵列光源；

所述抄表终端包括抄表终端MCU、抄表终端电源模块、电压判决模块、信号前置放大模块以及光电探测器；

所述抄表终端电源模块连接所述抄表终端MCU，用于为抄表终端供电；所述电压判决模块连接所述抄表终端MCU，所述信号前置放大模块连接所述电压判决模块，所述光电探测器连接所述电压判决模块。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述驱动模块的驱动芯片为DM13A芯片。

3.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述电能表上设有RS-485接口，所述电能表接口模块连接于所述RS-485接口上；

所述发射系统MCU和抄表终端MCU均为ARM CORTEX-M4内核的32位单片机STM32F407ZGT6。

4.根据权利要求3所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述发射系统MCU上连接有信号功率放大模块，所述驱动模块借助连接所述信号功率放大模块与所述发射系统MCU连接。

5.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述发射系统电源模块以感应供电或太阳能供电的方式进行供电。

6.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述PIN型光电二极管作为光电探测器。

7.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述前置放大模块为前置跨阻放大器。

8.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述抄表终端还包括主放大模块，所述主放大模块连接所述信号前置放大模块，所述信号前置放大模块借助所述主放大模块与所述电压判决模块连接。

9.根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的电能计量抄表系统，其特征在于，所述电压判决模块的集成运放为MAX913整形电路。