0 引言

    國(guó)家電網(wǎng)公司正全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè),，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)用是其核心任務(wù)，其中,，在網(wǎng)絡(luò)層重點(diǎn)推進(jìn)電力無(wú)線專網(wǎng)和終端通信建設(shè),，增強(qiáng)帶寬，實(shí)現(xiàn)深度全覆蓋,，滿足新興業(yè)務(wù)發(fā)展需求,。國(guó)家電網(wǎng)公司已獲得工信部無(wú)線電管理委員會(huì)223.025～235.000 MHz頻段280個(gè)離散頻點(diǎn)共7 MHz的授權(quán)，在12個(gè)省31個(gè)地市覆蓋1.4萬(wàn)平方公里范圍內(nèi)接入終端20萬(wàn)套,，接入配電自動(dòng)化“三遙”,、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等重要業(yè)務(wù),，有效解決光纖敷設(shè)難度大和成本高區(qū)域的業(yè)務(wù)接入問(wèn)題，滿足多樣化,、泛在化,、智能化、規(guī)?；娋W(wǎng)末端設(shè)備的接入需求,，全面支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和公司發(fā)展^[1]。

    電力無(wú)線專網(wǎng)可采用230 MHz和1 800 MHz兩種技術(shù)體制,，工信部無(wú)管局授權(quán)國(guó)家電網(wǎng)公司使用230 MHz頻段資源后,，原則上不再批復(fù)1 800 MHz頻率資源，同時(shí)經(jīng)掛網(wǎng)測(cè)試,，230 MHz技術(shù)體制能夠滿足電力控制業(yè)務(wù)需求,，建網(wǎng)成本較低。目前,，230 MHz技術(shù)體制有“LTE-G 230 MHz”和“IoT-G 230 MHz”兩套電力無(wú)線專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,，LTE-G 230 MHz系統(tǒng)產(chǎn)品已通過(guò)試點(diǎn)驗(yàn)證，IoT-G 230 MHz的基站和核心網(wǎng)產(chǎn)品已完成認(rèn)證與實(shí)際部署,，業(yè)界首款I(lǐng)oT-G 230商用終端模組eM600也于2019年3月發(fā)布,，230 MHz電力無(wú)線專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)已初步形成，實(shí)現(xiàn)全系列,、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備規(guī)?；┴?sup>[2]。

    電力無(wú)線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端廣泛應(yīng)用在電力輸電,、變電、配電,、用電等業(yè)務(wù)中,，實(shí)現(xiàn)了電力終端設(shè)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(wú)線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端,，兼容不同業(yè)務(wù)流程和通信接口,，通過(guò)終端性能測(cè)試和業(yè)務(wù)接入測(cè)試，驗(yàn)證了終端運(yùn)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(wú)線通信系統(tǒng)是利用TD-LTE先進(jìn)無(wú)線通信技術(shù),，結(jié)合電力業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的專用無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)，具備電力業(yè)務(wù)所需的廣覆蓋,、大容量,、高可靠、安全性強(qiáng),、靈活易擴(kuò)展等特性,，可廣泛應(yīng)用于用電信息采集,、配電自動(dòng)化、輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè),、分布式能源,、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控、電動(dòng)汽車充電站/樁等業(yè)務(wù),。該系統(tǒng)主要由230遠(yuǎn)程通信終端(230終端),、基站、核心網(wǎng)以及網(wǎng)管構(gòu)成,，如圖1所示^[4-6],。

    (1)230終端：230終端上行與基站通信，下行與電力設(shè)備通信,，主要接口包括串口,、以太網(wǎng)口、IO口等,，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)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(dòng)終端,。

    (2)基站：通過(guò)空中接口與230終端通信，負(fù)責(zé)資源調(diào)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(wù)平臺(tái)和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)之間,，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸,，接入網(wǎng)絡(luò)控制管理等功能。

    (4)網(wǎng)管：主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控,、網(wǎng)元配置管理和運(yùn)維,。

2 遠(yuǎn)程通信終端設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

    遠(yuǎn)程通信終端采用模塊化設(shè)計(jì)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(guò)串口協(xié)議通信,，軟硬件都相互獨(dú)立，如圖2所示,。ARM主控單元一方面提供對(duì)外接口,，包括串口、網(wǎng)口等,，與電力設(shè)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(duì)外接口數(shù)量和型式，另一方面通過(guò)串口與通信模組進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制交互,；通信模組上行通過(guò)空口與基站實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信鏈路的建立與維護(hù),，下行通過(guò)串口與ARM主控單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

    ARM主控單元采用國(guó)產(chǎn)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(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)μC/OS III操作系統(tǒng)，使得程序設(shè)計(jì)可以分為不同實(shí)時(shí)任務(wù),，實(shí)現(xiàn)通信終端的多任務(wù)處理機(jī)制,，并支持LWIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議解析,。LTE-G 230通信模組采用自研“國(guó)網(wǎng)芯”SGC3103,，該芯片是國(guó)內(nèi)首款針對(duì)230 MHz頻段研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，主要由DSP,、內(nèi)部eDRAM,、Cache、外設(shè),、中頻處理單元組成,，實(shí)現(xiàn)物理層、業(yè)務(wù)面,、控制面軟件,；射頻部分主要完成上行方向基帶信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波,、上變頻,、功率放大等功能，下行方向空口射頻信號(hào)的低噪聲放大,、下變頻,、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等^[7-8],。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

    LTE-G 230遠(yuǎn)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。

    (1)主控單元：采用ARM芯片GD32F450,，內(nèi)置1 MB容量Flash,、256 KB容量SRAM、4個(gè)TTL電平串口,、1個(gè)RMII網(wǎng)口,。其中串口1與通信模組調(diào)試串口通信、串口8與通信模組業(yè)務(wù)串口通信、串口4為遠(yuǎn)程通信終端調(diào)試口,、串口7與電力設(shè)備通信,，為了方便運(yùn)維和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，串口4和串口7連接同一個(gè)串口DB9接口的不同引腳,，共用一個(gè)DB9,。

    (2)通信模組：采用自主研發(fā)的“國(guó)網(wǎng)芯”SGC3103，國(guó)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(nèi)置Flash,、射頻處理單元,、2個(gè)TTL電平串口。其中串口1與主控單元的調(diào)試串口1通信,、串口2與主控單元的業(yè)務(wù)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(fù)極防接反功能,；內(nèi)置EMC防護(hù)模塊,，防護(hù)等級(jí)EMC4級(jí)；電源轉(zhuǎn)換模塊將DC 12 V按需轉(zhuǎn)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(wù)串口RS232,，對(duì)于外置式終端，通過(guò)芯片MAX3232與主控單元串口7連接,，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,，對(duì)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(diào)試串口RS232，通過(guò)芯片MAX3232與主控單元串口4連接,，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,；③電力業(yè)務(wù)網(wǎng)口，通過(guò)PHY芯片LAN8720Ai與主控單元RMII網(wǎng)口連接,；④JTAG調(diào)試口,，與主控單元連接，實(shí)現(xiàn)ARM在線程序調(diào)試與燒寫(xiě)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(luò)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(duì)同一模塊或芯片的多條數(shù)據(jù)信號(hào)線采取群組走線的策略，優(yōu)化信號(hào)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行終端外殼工業(yè)化防護(hù)設(shè)計(jì),，外置式終端和嵌入式終端的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

    在軟件設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層,、操作系統(tǒng)層以及應(yīng)用軟件層，如圖7所示,。

    驅(qū)動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層提供串口,、網(wǎng)口、GPIO等硬件相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序,；操作系統(tǒng)層主要完成多任務(wù)調(diào)度管理,、中斷管理以及內(nèi)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(yīng)用軟件層采用多任務(wù)模塊化設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)識(shí)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(shí)具備遠(yuǎn)程升級(jí)和看門狗等運(yùn)維功能,。

    模塊化設(shè)計(jì)可以針對(duì)數(shù)據(jù)采集類,、遠(yuǎn)端控制類、移動(dòng)接入類,、視頻類等電力業(yè)務(wù)差異化需求,，靈活重定義應(yīng)用層功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信終端的“容器化”和快速開(kāi)發(fā),，以用電信息采集業(yè)務(wù)為例,，其軟件功能設(shè)計(jì)如圖8所示。業(yè)務(wù)控制任務(wù)與集中器通信,，并管理其他任務(wù),，包括AT指令解析任務(wù)、I/O管理任務(wù),、遠(yuǎn)程升級(jí)任務(wù)等；AT指令解析任務(wù)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(guó)網(wǎng)模式經(jīng)TCP/IP協(xié)議后,，通過(guò)虛擬網(wǎng)卡與通信模組交互；I/O管理任務(wù)與通信模組直接交互數(shù)據(jù),，經(jīng)業(yè)務(wù)控制任務(wù)后與集中器交互數(shù)據(jù),，并控制指示燈；遠(yuǎn)程升級(jí)任務(wù)經(jīng)通信模組空口接收數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)處理后升級(jí)ARM主控單元固件,，而通信模組的升級(jí)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議棧解析后返回給通信模組，實(shí)現(xiàn)固件升級(jí),；看門狗實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)子任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài),，任何一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)錯(cuò)誤都會(huì)重啟終端并上報(bào)錯(cuò)誤信息。

3 終端電氣性能測(cè)試

    根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)230 MHz電力無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范的要求和方法,，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信終端的電氣性能測(cè)試,，主要測(cè)試內(nèi)容和結(jié)果如表1所示，該終端的電氣性能可滿足規(guī)范要求,。

4 終端業(yè)務(wù)接入測(cè)試

    以用電信息采集業(yè)務(wù)為例,，對(duì)本文設(shè)計(jì)的嵌入式遠(yuǎn)程通信終端進(jìn)行用采業(yè)務(wù)的規(guī)約功能和適配性測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖9所示,。

    測(cè)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(nèi)，二者通過(guò)TTL串口通信,，電腦端運(yùn)行用電信息采模擬主站,，與核心網(wǎng)連通；

    (2)集中器開(kāi)機(jī),，啟動(dòng)遠(yuǎn)程通信終端,，正確配置通信終端和系統(tǒng)側(cè)的相關(guān)參數(shù)，完成無(wú)線通信連接建立過(guò)程,；

    (3)模擬主站發(fā)出數(shù)據(jù)召測(cè)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(bào)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(fù)步驟(3)和步驟(4)50次，統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果,。

    測(cè)試過(guò)程中無(wú)掉線中斷現(xiàn)象,，測(cè)試結(jié)果為一次抄收成功率100%,，遙控正確率100%。

5 結(jié)論

    本文針對(duì)230 MHz電力無(wú)線專網(wǎng),，基于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)了電力無(wú)線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端,。首先，概述了230 MHz電力無(wú)線專網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀,，針對(duì)電力業(yè)務(wù)需求,，介紹了LTE-G 230 MHz通信系統(tǒng)的構(gòu)成和通信終端在系統(tǒng)中的作用；然后,，在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,，分別從硬件和軟件介紹了遠(yuǎn)程通信終端的設(shè)計(jì)與功能開(kāi)發(fā)；最后,，開(kāi)展了終端電氣性能測(cè)試和用采業(yè)務(wù)功能測(cè)試,。經(jīng)測(cè)試表明，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信終端可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的性能指標(biāo)要求,，滿足電力無(wú)線專網(wǎng)的通信需求,，通過(guò)了用采業(yè)務(wù)功能性測(cè)試。后續(xù)工作將繼續(xù)開(kāi)展其他性能指標(biāo)的測(cè)試,，以及配電業(yè)務(wù)的規(guī)約和適配性功能測(cè)試,，驗(yàn)證遠(yuǎn)程通信終端在各類電力業(yè)務(wù)的承載能力。

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作者信息:

王興濤,，趙訓(xùn)威,，付海旋，李金安,，丁高泉,，吳  慶，李溫靜

(國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,，北京102211)