《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術 > 設計應用 > 基于嵌入式系統(tǒng)的電力無線專網(wǎng)遠程通信終端研制
基于嵌入式系統(tǒng)的電力無線專網(wǎng)遠程通信終端研制
2020年電子技術應用第1期
王興濤,,趙訓威,,付海旋,李金安,丁高泉,,吳 慶,李溫靜
國網(wǎng)信息通信產業(yè)集團有限公司,,北京102211
摘要: 國家電網(wǎng)公司全面推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設,,其中,電力無線專網(wǎng)是其重要的無線接入網(wǎng)絡,,新型智能終端研發(fā)應用是其重要建設內容,。針對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求,基于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)了電力無線專網(wǎng)遠程通信終端,,分別從系統(tǒng)架構,、硬件以及軟件方面開展功能設計與開發(fā),針對關鍵設計與參數(shù)指標進行了性能測試,,并選取用電信息采集業(yè)務進行了適配性和功能測試,。經測試表明,本文研發(fā)的遠程通信終端可滿足標準規(guī)范的性能要求,,能夠承載用電信息采集業(yè)務,。
中圖分類號: TN91
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190935
中文引用格式: 王興濤,趙訓威,,付海旋,,等. 基于嵌入式系統(tǒng)的電力無線專網(wǎng)遠程通信終端研制[J].電子技術應用,2020,,46(1):108-112.
英文引用格式: Wang Xingtao,,Zhao Xunwei,F(xiàn)u Haixuan,,et al. The development of telecommunication terminal for power wireless private network based on embedded system[J]. Application of Electronic Technique,,2020,46(1):108-112.
The development of telecommunication terminal for power wireless private network based on embedded system
Wang Xingtao,,Zhao Xunwei,,F(xiàn)u Haixuan,Li Jin′an,,Ding Gaoquan,,Wu Qing,Li Wenjing
State Grid Information & Telecommunication Group Co.,Ltd.,,Beijing 102211,,China
Abstract: State Grid Corporation is comprehensively promoting the construction of ubiquitous power Internet of Things. Power wireless private network is the important wireless access network. The research and application of new intelligent terminal is the important construction content. According to the business needs of ubiquitous power Internet of Things, this paper developed the power wireless private network telecommunication terminals. The functional design and development were introduced respectively from the system architecture, hardware, and software. The key design and parameters were tested to verify the performance. The power user electric data acquire business was selected to test the service adaptation and business function of the terminal. The results showed that the telecommunication terminal can meet the requirements of the standard specification, and can bear the power user electric data acquire business.
Key words : power wireless private network;embedded system,;state grid chip,;telecommunication terminal

0 引言

    國家電網(wǎng)公司正全面推進“三型兩網(wǎng)”建設,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設應用是其核心任務,,其中,,在網(wǎng)絡層重點推進電力無線專網(wǎng)和終端通信建設,增強帶寬,,實現(xiàn)深度全覆蓋,,滿足新興業(yè)務發(fā)展需求。國家電網(wǎng)公司已獲得工信部無線電管理委員會223.025~235.000 MHz頻段280個離散頻點共7 MHz的授權,,在12個省31個地市覆蓋1.4萬平方公里范圍內接入終端20萬套,,接入配電自動化“三遙”、精準負荷控制等重要業(yè)務,,有效解決光纖敷設難度大和成本高區(qū)域的業(yè)務接入問題,,滿足多樣化、泛在化,、智能化,、規(guī)模化電網(wǎng)末端設備的接入需求,,全面支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設和公司發(fā)展[1]

    電力無線專網(wǎng)可采用230 MHz和1 800 MHz兩種技術體制,,工信部無管局授權國家電網(wǎng)公司使用230 MHz頻段資源后,,原則上不再批復1 800 MHz頻率資源,同時經掛網(wǎng)測試,,230 MHz技術體制能夠滿足電力控制業(yè)務需求,,建網(wǎng)成本較低。目前,,230 MHz技術體制有“LTE-G 230 MHz”和“IoT-G 230 MHz”兩套電力無線專網(wǎng)標準規(guī)范,,LTE-G 230 MHz系統(tǒng)產品已通過試點驗證,IoT-G 230 MHz的基站和核心網(wǎng)產品已完成認證與實際部署,,業(yè)界首款IoT-G 230商用終端模組eM600也于2019年3月發(fā)布,,230 MHz電力無線專網(wǎng)產業(yè)生態(tài)已初步形成,實現(xiàn)全系列,、標準化設備規(guī)?;┴?sup>[2]。

    電力無線專網(wǎng)遠程通信終端廣泛應用在電力輸電、變電,、配電,、用電等業(yè)務中,實現(xiàn)了電力終端設備的通信接入功能,。本文基于嵌入式系統(tǒng)研制了LTE-G 230電力無線專網(wǎng)遠程通信終端,,兼容不同業(yè)務流程和通信接口,通過終端性能測試和業(yè)務接入測試,,驗證了終端運行穩(wěn)定性和可靠性[3],。

1 LTE-G 230 MHz通信系統(tǒng)概述

    LTE-G 230 MHz電力無線通信系統(tǒng)是利用TD-LTE先進無線通信技術,結合電力業(yè)務開發(fā)的專用無線寬帶通信系統(tǒng),,具備電力業(yè)務所需的廣覆蓋,、大容量、高可靠,、安全性強,、靈活易擴展等特性,可廣泛應用于用電信息采集,、配電自動化,、輸變電狀態(tài)監(jiān)測、分布式能源,、現(xiàn)場視頻監(jiān)控,、電動汽車充電站/樁等業(yè)務。該系統(tǒng)主要由230遠程通信終端(230終端),、基站,、核心網(wǎng)以及網(wǎng)管構成,如圖1所示[4-6],。

qrs2-t1.gif

    (1)230終端:230終端上行與基站通信,,下行與電力設備通信,主要接口包括串口,、以太網(wǎng)口,、IO口等,實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)采集與傳輸,,以及控制信息下發(fā)等,,分為外置式終端、嵌入式終端和移動終端,。

    (2)基站:通過空中接口與230終端通信,,負責資源調度和接入控制等,可分為宏覆蓋基站,、中等覆蓋基站和本地覆蓋基站,。

    (3)核心網(wǎng):介于業(yè)務平臺和無線接入網(wǎng)絡之間,,實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸,接入網(wǎng)絡控制管理等功能,。

    (4)網(wǎng)管:主要實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控,、網(wǎng)元配置管理和運維。

2 遠程通信終端設計

2.1 總體架構設計

    遠程通信終端采用模塊化設計思想,,按照功能可劃分為ARM主控單元和LTE-G 230通信模組兩部分,,兩者通過串口協(xié)議通信,軟硬件都相互獨立,,如圖2所示,。ARM主控單元一方面提供對外接口,包括串口,、網(wǎng)口等,,與電力設備通信,可根據(jù)“嵌入式終端”和“外置式終端”的型式不同,,改變對外接口數(shù)量和型式,,另一方面通過串口與通信模組進行數(shù)據(jù)與控制交互;通信模組上行通過空口與基站實現(xiàn)無線通信鏈路的建立與維護,,下行通過串口與ARM主控單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,。

qrs2-t2.gif

    ARM主控單元采用國產嵌入式ARM芯片GD32F450,該芯片是基于ARM Cortex-M4處理器的32位通用微控制器,,運行嵌入式實時多任務μC/OS III操作系統(tǒng),,使得程序設計可以分為不同實時任務,實現(xiàn)通信終端的多任務處理機制,,并支持LWIP協(xié)議棧,,實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議解析。LTE-G 230通信模組采用自研“國網(wǎng)芯”SGC3103,,該芯片是國內首款針對230 MHz頻段研發(fā)的具有自主知識產權的芯片,,主要由DSP、內部eDRAM,、Cache、外設,、中頻處理單元組成,,實現(xiàn)物理層、業(yè)務面,、控制面軟件,;射頻部分主要完成上行方向基帶信號的數(shù)模轉換、濾波,、上變頻,、功率放大等功能,,下行方向空口射頻信號的低噪聲放大、下變頻,、濾波,、模數(shù)轉換等[7-8]

2.2 硬件設計

    LTE-G 230遠程通信終端硬件主要包括主控單元,、通信模組,、電源單元以及外圍接口單元,如圖3所示,。

qrs2-t3.gif

    (1)主控單元:采用ARM芯片GD32F450,,內置1 MB容量Flash、256 KB容量SRAM,、4個TTL電平串口,、1個RMII網(wǎng)口。其中串口1與通信模組調試串口通信,、串口8與通信模組業(yè)務串口通信,、串口4為遠程通信終端調試口、串口7與電力設備通信,,為了方便運維和現(xiàn)場調試,,串口4和串口7連接同一個串口DB9接口的不同引腳,共用一個DB9,。

    (2)通信模組:采用自主研發(fā)的“國網(wǎng)芯”SGC3103,,國網(wǎng)芯集成了DSP處理器、基帶處理單元,、中頻處理單元,,通信模組內置Flash、射頻處理單元,、2個TTL電平串口,。其中串口1與主控單元的調試串口1通信、串口2與主控單元的業(yè)務串口8通信,。

    (3)電源單元:電源輸入采用DC 12 V供電,,具有正負極防接反功能;內置EMC防護模塊,,防護等級EMC4級,;電源轉換模塊將DC 12 V按需轉換為DC 5 V和DC 3.3 V。

    (4)外圍接口單元:外圍接口包括①電力業(yè)務串口RS232,,對于外置式終端,,通過芯片MAX3232與主控單元串口7連接,實現(xiàn)電平轉換,,對于嵌入式終端,,直接與主控單元串口7連接,,如圖3中虛線所示;②調試串口RS232,,通過芯片MAX3232與主控單元串口4連接,,實現(xiàn)電平轉換;③電力業(yè)務網(wǎng)口,,通過PHY芯片LAN8720Ai與主控單元RMII網(wǎng)口連接,;④JTAG調試口,與主控單元連接,,實現(xiàn)ARM在線程序調試與燒寫功能,;⑤LED指示,提供終端狀態(tài)指示燈功能,,便于觀察串口和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài),,以及通信模組網(wǎng)絡連接狀態(tài)等;⑥LTE天線,,采用50 Ω微同軸射頻連接器,,使用頻率范圍覆蓋DC~2 GHz。

    硬件電路采用4層PCB板,,對同一模塊或芯片的多條數(shù)據(jù)信號線采取群組走線的策略,,優(yōu)化信號質量,外置式和嵌入式終端硬件電路如圖4和圖5所示,,根據(jù)終端使用環(huán)境要求和標準規(guī)范,,進行終端外殼工業(yè)化防護設計,外置式終端和嵌入式終端的整體結構如圖6所示,。

qrs2-t4.gif

qrs2-t5.gif

qrs2-t6.gif

2.3 軟件設計

    在軟件設計方面,,通信終端可分為ARM主控單元和通信模組兩部分,各包括驅動與網(wǎng)絡協(xié)議層,、操作系統(tǒng)層以及應用軟件層,,如圖7所示。

qrs2-t7.gif

    驅動與網(wǎng)絡協(xié)議層提供串口,、網(wǎng)口,、GPIO等硬件相關驅動程序;操作系統(tǒng)層主要完成多任務調度管理,、中斷管理以及內存管理等功能,,ARM主控單元采用μC/OS III操作系統(tǒng),通信模組采用Nucleus操作系統(tǒng),;應用軟件層采用多任務模塊化設計,主要實現(xiàn)電力業(yè)務識別與控制,、AT指令解析,、數(shù)據(jù)處理以及I/O口管理等功能,,同時具備遠程升級和看門狗等運維功能。

    模塊化設計可以針對數(shù)據(jù)采集類,、遠端控制類,、移動接入類、視頻類等電力業(yè)務差異化需求,,靈活重定義應用層功能,,實現(xiàn)遠程通信終端的“容器化”和快速開發(fā),以用電信息采集業(yè)務為例,,其軟件功能設計如圖8所示,。業(yè)務控制任務與集中器通信,并管理其他任務,,包括AT指令解析任務,、I/O管理任務、遠程升級任務等,;AT指令解析任務判別集中器的工作模式,,PPP模式執(zhí)行PPP協(xié)議與通信模組交互,國網(wǎng)模式經TCP/IP協(xié)議后,,通過虛擬網(wǎng)卡與通信模組交互,;I/O管理任務與通信模組直接交互數(shù)據(jù),經業(yè)務控制任務后與集中器交互數(shù)據(jù),,并控制指示燈,;遠程升級任務經通信模組空口接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理后升級ARM主控單元固件,,而通信模組的升級數(shù)據(jù)需要經過TCP/IP協(xié)議棧解析后返回給通信模組,,實現(xiàn)固件升級;看門狗實時監(jiān)控各個子任務的運行狀態(tài),,任何一個任務出現(xiàn)錯誤都會重啟終端并上報錯誤信息,。

qrs2-t8.gif

3 終端電氣性能測試

    根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準230 MHz電力無線通信系統(tǒng)測試規(guī)范的要求和方法,進行遠程通信終端的電氣性能測試,,主要測試內容和結果如表1所示,,該終端的電氣性能可滿足規(guī)范要求。

qrs2-b1.gif

4 終端業(yè)務接入測試

    以用電信息采集業(yè)務為例,,對本文設計的嵌入式遠程通信終端進行用采業(yè)務的規(guī)約功能和適配性測試,,測試環(huán)境如圖9所示。

qrs2-t9.gif

    測試一次抄收和遙控正確率,,步驟如下:

    (1)將嵌入式終端安裝在集中器內,,二者通過TTL串口通信,電腦端運行用電信息采模擬主站,,與核心網(wǎng)連通,;

    (2)集中器開機,,啟動遠程通信終端,正確配置通信終端和系統(tǒng)側的相關參數(shù),,完成無線通信連接建立過程,;

    (3)模擬主站發(fā)出數(shù)據(jù)召測命令,記錄數(shù)據(jù)采集命令下發(fā)是否正常,,數(shù)據(jù)上報是否正常,,如圖10所示;

    (4)主站發(fā)出控制命令,,記錄控制命令下發(fā)是否正常,,控制操作是否生效;

    (5)分別重復步驟(3)和步驟(4)50次,,統(tǒng)計測試結果,。

    測試過程中無掉線中斷現(xiàn)象,測試結果為一次抄收成功率100%,,遙控正確率100%,。

qrs2-t10.gif

5 結論

    本文針對230 MHz電力無線專網(wǎng),基于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)了電力無線專網(wǎng)遠程通信終端,。首先,,概述了230 MHz電力無線專網(wǎng)應用現(xiàn)狀,針對電力業(yè)務需求,,介紹了LTE-G 230 MHz通信系統(tǒng)的構成和通信終端在系統(tǒng)中的作用,;然后,在總體架構設計基礎上,,分別從硬件和軟件介紹了遠程通信終端的設計與功能開發(fā),;最后,開展了終端電氣性能測試和用采業(yè)務功能測試,。經測試表明,,本文設計的遠程通信終端可滿足標準規(guī)范的性能指標要求,滿足電力無線專網(wǎng)的通信需求,,通過了用采業(yè)務功能性測試,。后續(xù)工作將繼續(xù)開展其他性能指標的測試,以及配電業(yè)務的規(guī)約和適配性功能測試,,驗證遠程通信終端在各類電力業(yè)務的承載能力,。

參考文獻

[1] 趙宏昊,畢慶剛,,盧斌,,等.電力無線專網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的創(chuàng)新應用[J].電力信息與通信技術,2019,17(1):110-115.

[2] 王繼業(yè),,趙東艷,,原義棟,等.電力無線專網(wǎng)中基于頻譜檢測的SDR技術[J].電子技術應用,,2017,43(4):102-106.

[3] 呂超,,趙高峰,,馬濤,等.面向電力業(yè)務的LTE無線專網(wǎng)通信終端設計與實現(xiàn)[J].電工電氣,,2018(5):27-31.

[4] 閆成超.基于LTE230的電力無線通信專網(wǎng)分析[J].通信電源技術,,2018,35(7):169-170.

[5] 李飛,,王鴻璽,,楊鵬,等.用電信息采集系統(tǒng)無線專網(wǎng)與無線公網(wǎng)通信技術的比較分析[J].河北電力技術,,2017,,36(4):5-8.

[6] 蔡根,張健明,,楊大成.TD-LTE電力專網(wǎng)230 MHz與1.8 GHz的研究[J].軟件,,2015,36(12):83-88.

[7] 陳立志,,張宏,,張樹華,等.230 MHz無線專網(wǎng)終端芯片的設計技術研究[J].數(shù)字通信世界,,2016(9):325-333.

[8] 王于波,,張樹華,趙東艷.230MHz電力頻段專用LTE基帶芯片設計[J].電子技術應用,,2015,,41(1):46-49.



作者信息:

王興濤,趙訓威,,付海旋,,李金安,丁高泉,,吳  慶,,李溫靜

(國網(wǎng)信息通信產業(yè)集團有限公司,北京102211)

此內容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經授權禁止轉載,。