基于电力线载波通信的远程自动抄表系统设计和实现

万照坤

1 引言

电力线载波自动抄表系统融合了通信技术、网络技术、计算机技术等现代科学技术以及先进的管理服务理念，由于采用双工通信，具有数据采集、数据通信、数据存储、数据处理、远程监控、实时或定时完成系统计量表的抄、核、收、查、控等功能。通过将其应用于远程自动抄表系统设计中，能够实现抄表自动化，强化对用户的用电信息、计量信息的实时采集和异常分析。因此，亟需对电力线载波通信信道在远程自动抄表系统中的应用方式进行详细探究。

2 电力线载波通信信道特性

电力载波通信技术是利用电力线作为信息传输媒介来进行信息传输。电力线是为传输50Hz交流电能而设计的，其传输特性难以直接满足载波通信的要求，电力载波信道特性复杂，通信环境恶劣，主要特性如下。

2.1 噪声干扰大

电力线所处的环境复杂，并在电力线上接有各种各样的大功率用电用器，当这些大功率用电器工作时，会产生噪声干扰信号，这些干扰信号会沿着电网传播。研究表明：这些噪声主要包括有色背景噪声、窄带干扰噪声、突发性噪声和周期脉冲噪声等，会造成电压电流的剧烈变化等特点，对电力线载波通信的质量影响最大，必须采取先进的技术手段加以克服。

2.2 信号衰减复杂

在电力线上接有各种大功率用电设备，用电设备的突然切入或断开，除了产生突发性噪声以外，对载波信号传输产生严重影响，使载波信号的衰减变得非常复杂。研究表明：电力线上的信号衰减不仅与距离的变化有关，还跟工频电源的相位有关。

2.3 随机性与时变性较强

电力线主要用于传输电能，直接面向用电用户，电网的用电负载随时都会发生变化，使信道的传输函数随时间变化而变化，因此，电力载波通信信道是随机变化的，具有较强的时变性。

3 电力线载波通信信道在远程自动抄表系统中的应用方式

远程自动抄表主要是通过现在的网络技术，自动采集电表、水表等计量表的读书。这个远程系统主要包括了用户基本用电信息的记录的最底层、对用户电能表存储的数据进行采集、存储和输送的采集层、接收采集层信息并下达抄表命令的集中层和对系统各部分的控制与管理等最多功能的数据中心这个系统最高层。多种方式比较，选择用电力线的通信媒体方案，就可以充分的利用现有的已经铺设完好的电力线网，无须重新拉线，显得最具竟争力和应用前景。电力线载波通信，是将信息调制为高频信号（一般为50～500kHz）并叠加在电力线路上进行通信的技术。其优势是利用电力线作为通信信道，不必另外铺设通信信道，大大节省投资，维护工作量少，可灵活实现“即插即用”。

4 基于电力线载波通信的远程自动抄表系统设计应用实例

4.1 系统组成及工作原理

本住宅小区远程抄表系统由用户抄表控制器、交流220V电力线、通信转换器、CAN通信总线、CAN总线接口卡和小区管理计算机等组成，其系统总体结构框图如图1所示。

4.2 系统硬件设计

4.2.1 用户抄表控制器硬件设计

用户抄表控制器由微处理器、数据输入接口电路、看门狗及数据存储电路和电力载波通信接口电路等组成，其结构框图如图2所示。其中，微处理器采用了目前应用广泛、功耗低、性价比高，且具有8K字节可在线重复编程的FlASh只读程序存储器、256字节RAM、32位I/O口线、3个16位定时/计数器和兼容标准MCS-51指令系统的ATMEl公司生产的宽工作电压、高性能CMOS8位单片机AT89C52。数据输入接口电路采用了光电隔离输入和分时采集数据的措施，提高了系统的抗干扰性和可靠性。看门狗及数据存储电路采用了可编程控制集成电路X5045.该集成电路具有上电复位、电压监控、看门狗定时器和串行EEpROM四种功能，且存储容量为512×8位，用于存储单片机的重要数据。电力载波通信接口电路采用了ST公司生产的ST7538芯片作为信号调制解调芯片，该芯片是一款半双工、同步/异步、FSK调制解调器，它专为家庭和工业领域电力线网络通信而设计，具有功能强、集成度高、抗干扰性好等多种特点，已在电力载波通信中得到了广泛的应用。它使用单电源供电，具有看门狗、输出电流电压控制、时钟输出、起始检测和超时机制等功能。它有8种载波频率可供选择，在同一时刻只能选择一种载波频率使用。通过串行口与微处理器交换数据，在使用TXD、RXD、ClR/T交换数据时，由REG－DATA和RXDX来管理数据的传输，其工作模式有四种：数据接收、数据发送、写控制寄存器和读控制寄存器等，其电力载波通信接口电路如图3所示。

本用户抄表控制器工作过程为：AT89C52微处理器分时循环接收从数据输入端口输入的各表数据，并将该数据与其上一次接收的数据进行比较，若二者相等则不发送数据，若二者不等则发送数据.发送数据时，ST7538通过其RAI端对交流220V电力线上是否有载波通信信号进行检测，若有，则继续保持监测，若无，则微处理器就控制ST7538将表传来的数据加于载波上，经功率放大、滤波后，再经高频变压器T将数据通过电力线上传至本用户所在楼的通信转换器。

4.2.2 通信转换器硬件设计

通信转换器由微处理器、电力载波通信接口电路、看门狗及数据存储电路和CAN总线通信接口电路等组成。其中，微处理器也采用了ATMEl公司生产的宽工作电压、高性能CMOS8位单片机AT89C52.电力载波通信接口电路和看门狗及数据存储电路与前述用户抄表控制器的相似。CAN总线通信接口电路采用了CAN控制器SJA1000和CAN总线驱动器82C250.SJA1000是phIlIpS公司生产的支持CAN2.0B协议的CAN控制器，它的引脚和电气参数与其早期产品pCA82C200完全兼容、支持11位和29位标识码、通信速率高达1MBpS、可与多种微处理器接口、适应温度范围大。82C250是物理总线和CAN总线控制器之间的接口，其可提供对总线的差动发送和接收功能，具有与ISO11898标准完全兼容、高速率、过热保护、低电流待机、未上电节点不会干扰总线等特性，其CAN总线接口电路如图4所示。

图4 CAN总线通信接口电路

4.2.3 CAN总线接口卡硬件设计

CAN总线接口卡由微处理器、CAN总线通信接口电路、RS232通信接口电路等组成，微处理器也采用8位单片机AT89C52.CAN总线通信接口电路与前述的相同。RS232通信接口电路采用了美信公司专为计算机的RS232标准串口设计的接口电路芯片MAX232，它使用单电源＋5V供电，含有2路发送和接收器，可实现TTl/COMS电平与RS232电平的转换，能耗低。RS232通信接口电路较常见。

4.3 软件设计

系统软件由用户抄表控制器程序、通信转换器程序、CAN总线接口卡程序和小区管理计算机程序等组成。这里仅对用户抄表控制器程序设计进行一下介绍，抄表控制器上电后，首先对其进行初始化，然后接收各计量表的数据并暂存，接着监测电力载波通信线是否空闲，若空闲就发送数据，否则，继续监测，直至数据发送完毕。数据发送完成后，延时30s再继续进行下一个循环的数据接收和发送。相邻的两个数据接收和发送循环间之所以延时30s，是考虑到该抄表系统对数据的采集实时性要求不是太高。具体的程序流程图如图5所示。

图5 用户抄表控制器程序流程图

5 结语

综上所述，本文主要结合实例，对电力线载波通信信道在远程自动抄表系统中的应用方式进行了详细探究，经使用证明，其数据传输可靠，运行稳定、安全，能够有效克服电力载波通信距离短的不足的缺陷，同时安装、使用方式便捷，值得推广和应用。

[1]高新贺，刘萌，徐广，等.基于电力线载波通信技术的自动抄表系统路由算法[J].电子技术应用，2010，36（5）：70～73.

[2]霍弘宇，张剑.基于电力线载波的远程自动智能抄表系统[J].电子设计工程，2011，19（14）：153～155.

[3]戴丽萍.电力线载波自动抄表系统集中器的设计[J].计算机与数字工程，2010，38（10）：186～189.