CN206133913U - 用于智能电网的数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于智能电网的数据采集系统，包括无线模块以及分别与无线模块通信连接的数据采集设备和数据收集处理设备，其中，无线模块包括节点模块和网关模块，节点模块与网关模块无线通信，数据收集处理设备通过网关模块将数据采集指令发送到节点模块，节点模块用于将数据采集指令发送到数据采集设备，数据采集设备用于根据数据采集指令将采集到的数据发送到节点模块并通过节点模块将采集到的数据发送到网关模块，网关模块用于将采集到的数据发送到数据收集处理设备。本实用新型采用LoRa调制解调技术，采用LoRaWAN网络协议，组网简单，消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗并且施工简单，无后期运营成本，容易维护。
Description
技术领域
本实用新型属于数据无线传输领域，特别涉及一种用于智能电网的数据采集系统。
背景技术
现有技术中，电力系统的运维与管理主要是机房、设备和线路的维护、管理与巡视以及抄表数据。在机房、设备以及线路的维护、管理，巡视方面，现在依靠的主要手段还是使用人力、人工现场进行。费时费力，不利于数据信息化管理。并且故障监测和风险预警能力低。
在抄表方面，主要抄表方式为RS485、电力载波，传统微功率无线及基于GSM/GPRS/CDMA的公网平台。在一些乡村中，用户比较分散，配电环境比较复杂。集中器与采集点间，甚至采集点与采集点间的距离都较远。面对此种环境，主流抄表方式都有相对的局限性。RS485的抄表方式需要布线，工程复杂且只适用于小范围实施(小于1000米)，电力载波方式局限在一个配电变压器区域范围内，且易受干扰一般只能在单相电力线上传输。传统微功率无线抄表，点到点间传输距离短，穿透和抗干扰能力差，组网复杂且功耗相对较大。基于GSM/GPRS/CDMA公网平台抄表，功耗大，运营成本高。
实用新型内容
为了克服现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于智能电网的数据采集系统，该智能电网的数据采集系统组网相对简单，降低了功耗，且施工简单，无后期运营成本开销。本实用新型的具体技术方案如下：
用于智能电网的数据采集系统，其包括无线模块、数据收集处理设备和数据采集设备；
所述无线模块分别与所述数据采集设备和数据收集处理设备通信连接，
所述无线模块包括节点模块和网关模块，所述节点模块与网关模块无线通信，所述数据收集处理设备通过网关模块将数据采集指令发送到节点模块，节点模块用于将所述数据采集指令发送到数据采集设备，所述数据采集设备用于根据数据采集指令将采集到的数据发送到节点模块并通过所述节点模块将采集到的数据发送到网关模块，所述网关模块用于将采集到的数据发送到所述数据收集处理设备。
进一步的，所述节点模块与网关模块之间采用LoRa扩频调制解调并通过LoRaWAN协议进行无线双向通信。
进一步的，所述节点模块包括第一主控微控制单元和LoRa射频芯片，所述第一主控微控制单元与LoRa射频芯片通过串行外设接口进行通信；
所述网关模块包括第二主控微控制单元、LoRa数字基带芯片和射频前端芯片，所述第二主控微控制单元与LoRa数字基带芯片通过串行外设接口通信，所述LoRa数字基带芯片和射频前端芯片通信连接。
进一步的，所述节点模块还包括第一天线，所述第一天线与所述LoRa射频芯片通信连接；
所述网关模块还包括第二天线，所述第二天线与所述射频前端芯片通信连接。
进一步的，所述LoRa射频芯片为SX1278射频芯片；所述LoRa数字基带芯片为SX1301芯片，所述射频前端芯片为SX1255芯片。
进一步的，所述节点模块与所述数据采集设备通过通信接口进行通信；
所述网关模块与所述数据收集处理设备通过通信接口进行通信。
进一步的，所述通信接口为以太网接口、UART接口、光纤接口、RJ-45接口和RS-485接口中的一种或多种。
进一步的，所述数据采集系统包括多个数据采集设备；
所述无线模块包括多个节点模块，所述多个节点模块与所述多个数据采集设备一一对应。
进一步的，所述网关模块与多个节点模块之间以星型拓扑结构进行组网。
进一步的，所述网关模块为全双工网关或半双工网关。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型采用LoRa调制解调技术，LoRa调制解调技术使用扩频通信，具有传输距离远，穿透力好，抗干扰能力强以及功耗低的优势。在用户分散以及干扰多的环境下，仍然能够拥有长远距离传输的能力，并能保证数据的稳定可靠传输。
本实用新型采用LoRaWAN网络协议，LoRaWAN网络协议使用星型拓扑结构，组网简单，消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗并且施工简单，无后期运营成本，容易维护。
本实用新型能够对于机房、设备和线路的实施安装较快捷，组网简单。可以节省机房、设备和线路的维护、管理与巡视的人工成本，且有助于实现运维的信息化管理，提升故障监测和风险预警能力。
本实用新型能够有效提高用户分散、干扰多的区域抄表成功率，从而减少人工对为未抄到的表的补抄，减轻人工抄表的负担，进而节省人工成本。并且施工简单，易于维护无后期运营成本。
附图说明
图1是智能电网数据采集系统的结构示意图；
图2是无线模块的节点模块结构示意图；以及
图3是无线模块的网关模块结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本实用新型的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本实用新型针对目前机房、设备、线路的维护、管理、巡检上的不便以及现有抄表技术在应对干扰多、用户分散的环境时存在不足而提出基于LoRa调制解调技术与LoRaWAN网络协议的智能电网数据采集系统。
用于智能电网的数据采集系统如图1所示，该数据采集系统包括无线模块、数据收集处理设备2和多个数据采集设备3，无线模块分别与数据采集设备3和数据收集处理设备2通信连接，无线模块包括网关模块11和和多个节点模块12，节点模块12与网关模块11无线通信，具体的，节点模块12与网关模块11两者之间基于LoRa扩频调制解调通过LoRaWAN协议进行无线双向通信。LoRa是低功耗广域网通信(LPWAN,low-power wide-area network)技术中的一种，是基于扩频技术的超远距离无线传输技术，LoRa调制与多状态FSK调制类似，使用未调制载波来进行线性调频，使能量分散到更广泛的频段。
如图1所示，无线模块的多个节点模块12与多个数据采集设备3一一对应，通过通信接口通信连接，网关模块11与数据收集处理设备2通过通信接口进行通信。上述通信接口可以根据具体的数据采集设备以及数据收集处理设备来进行选择，优选的，通信接口为以太网接口、UART接口、光纤接口、RJ-45接口和RS-485接口中的一种或多种。
网关模块11与多个节点模块12之间以星型拓扑结构进行组网，利用星型网在郊区环境下无线传输可以达到8-16km距离，并且消除了同步开销和跳数，降低了功耗。网关模块11位处LoRa星型网络的核心位置，是多个数据采集设备和数据收集处理设备之间的信息桥梁，是多信道的收发机。网关模块使用不同的扩频因子，不同的扩频因子两两正交因而可以在同一信道中对多条不同扩频因子的信号进行解调。网关模块为全双工网关或半双工网关。
如图2所示，节点模块12包括第一主控微控制单元MCU1和LoRa射频芯片，LoRa射频芯片优选为SX1278射频芯片，第一主控微控制单元MCU1与LoRa射频芯片通过串行外设接口(SPI)进行通信，节点模块还包括第一天线，第一天线与节点模块的SX1278射频芯片通信连接。
如图3所示，网关模块包括第二主控微控制单元MCU2、LoRa数字基带芯片和射频前端芯片，LoRa数字基带芯片优选为SX1301芯片，射频前端芯片优选为SX1255芯片，第二主控微控制单元MCU2与LoRa数字基带芯片通过串行外设接口(SPI)通信，LoRa数字基带芯片和射频前端芯片通信连接，优选的，网关模块还包括第二天线，第二天线与SX1255射频前端芯片通信连接。
LoRa扩频调制解调技术的射频部分核心芯片采用SX1276和SX1278，这类芯片集成规模小、效率高，为LoRa无线模块带来高接收灵敏度。网关芯片SX1301具有集成度更高、信道数更多的特点。基于LoRa的无线模块在用户分散以及干扰多的环境下，仍然能够拥有长远距离传输的能力，并能保证数据的稳定可靠传输。
在具体使用实施过程中，首先将网关模块与数据收集处理设备通过相匹配的通信接口进行连接，然后将节点模块1至n与分别与数据采集设备1至n通过相应通信接口进行连接。之后，利用LoRaWAN网络协议通过LoRa无线传输将节点模块1至n与网关模块进行组网。组网完成后，若数据收集处理设备需要对某一数据采集设备发送下行指令，例如数据采集指令，则数据收集处理设备通过通信接口利用相关协议将数据采集指令发送给网关模块，网关模块通过LoRa无线利用LoRaWAN网络协议，将数据采集指令发送给目标数据采集设备连接的节点模块，节点模块再通过通信接口将指令发送给目标数据采集设备。若某数据采集设备有上行数据要发送给数据收集处理设备，例如，数据采集设备要把执行数据采集指令采集到的数据发送给数据收集处理设备，则数据采集设备首先将该数据通过通信接口发送给其连接的节点模块，节点模块再通过LoRa无线利用LoRaWAN网络协议发送给网关模块，由网关模块通过相应通信接口利用相关协议将数据发送给数据收集处理设备。
节点模块的内部通信过程如图2所示，当数据采集设备对数据收集处理设备发送上行数据时，节点模块主控MCU1收到数据采集设备通过通信接口发来的数据后，利用LoRaWAN网络协议将数据封装后通过SPI发送给SX1278射频芯片，之后SX1278射频芯片将数据调制成LoRa无线信号发送给网关模块。当数据收集处理设备对数据采集设备发送下行数据时，节点模块的SX1278射频芯片解调出网关模块发来的数据，将数据通过SPI发送给主控MCU1，有主控MCU1解析后通过通信接口发送给数据采集设备。
网关模块的内部通信过程如图3所示，当数据收集处理设备对目标数据采集设备发送下行数据时，网关模块主控MCU2接收到数据收集处理设备通过通信接口发送的数据后，将按照相关协议解析后的数据利用LoRaWAN网络协议将其进行封装，然后通过SPI接口发送给SX1301数字基带芯片，由SX1301数字基带芯片通过射频前端芯片SX1255将调制的LoRa无线信号发送出去。当数据采集设备给数据收集处理设备发送上行数据时，网关模块通过射频前端芯片SX1255接收到LoRa无线信号，通过SX1301数字基带芯片将解调后的数据通过SPI接口发送给主控MCU2，主控MCU2再将数据利用相关协议通过通信接口发送给数据收集处理设备。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，包括无线模块、数据收集处理设备和数据采集设备；
所述无线模块分别与所述数据采集设备和数据收集处理设备通信连接，
所述无线模块包括节点模块和网关模块，所述节点模块与网关模块无线通信，所述数据收集处理设备通过网关模块将数据采集指令发送到节点模块，节点模块用于将所述数据采集指令发送到数据采集设备，所述数据采集设备用于根据数据采集指令将采集到的数据发送到节点模块并通过所述节点模块将采集到的数据发送到网关模块，所述网关模块用于将采集到的数据发送到所述数据收集处理设备。
2.根据权利要求1所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述节点模块与网关模块之间采用LoRa扩频调制解调并通过LoRaWAN协议进行无线双向通信。
3.根据权利要求2所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述节点模块包括第一主控微控制单元和LoRa射频芯片，所述第一主控微控制单元与LoRa射频芯片通过串行外设接口进行通信；
所述网关模块包括第二主控微控制单元、LoRa数字基带芯片和射频前端芯片，所述第二主控微控制单元与LoRa数字基带芯片通过串行外设接口通信，所述LoRa数字基带芯片和射频前端芯片通信连接。
4.根据权利要求3所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述节点模块还包括第一天线，所述第一天线与所述LoRa射频芯片通信连接；
所述网关模块还包括第二天线，所述第二天线与所述射频前端芯片通信连接。
5.根据权利要求3所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述LoRa射频芯片为SX1278射频芯片；所述LoRa数字基带芯片为SX1301芯片，所述射频前端芯片为SX1255芯片。
6.根据权利要求3所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述节点模块与所述数据采集设备通过通信接口进行通信；
所述网关模块与所述数据收集处理设备通过通信接口进行通信。
7.根据权利要求6所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述通信接口为以太网接口、UART接口、光纤接口、RJ-45接口和RS-485接口中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括多个数据采集设备；
所述无线模块包括多个节点模块，所述多个节点模块与所述多个数据采集设备一一对应。
9.根据权利要求8所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述网关模块与多个节点模块之间以星型拓扑结构进行组网。
10.根据权利要求9所述的用于智能电网的数据采集系统，其特征在于，所述网关模块为全双工网关或半双工网关。
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