基于WiFi的智能电表技术研究

分数:___________任课教师签字：___________华北电力大学研究生结课作业学年学期：2013-2014学年第二学期课程名称：Seminar课程学生姓名：孟宪盖学号：2132215028提交时间：2014年7月12日基于WiFi的智能电表技术研究摘要介绍一种基于WiFi的智能电表系统的硬件和软件实现方法，给出智能电表系统的总体框架结构。通过在现有智能电表硬件上增加Wi-Fi通信模块及接口电路，在软件上增加对Wi-Fi模块的驱动和对TCP连接的数据收发管理，实现了智能电表对外的多路并行TCP通信，并可以通过参数设置，使智能电表可以工作于AP和STA两种工作模式。关键词：智能电表Wi-Fi通信无线传输SmartmetertechnologyresearchbasedWiFiAbstractIntroducedhardwareandsoftwaremethodofasmartmetersystembasedonWi-Ficommunication,giventhewholeframeworkofthesmartmetersystem.ByincreasingthecommunicationmodulesofWi-Fiandinterfacecircuitsontheexistingsmartmeterhardware,andincreasingthedrivringofWi-FimoduleandmanagingofsendingandreceivingtotheconnectionofTCPonthesoftware,thesmartmeterachievesexternalmulti-channelparallelTCPcommunications,andcanworkintwomodesAPandSTAbybeingsettedtheparameters.Keywords:smartmeterWi-Ficommunicationwirelesstransmission一引言出于加强用电监管的要求，电力资源的紧张，发电、用电环境监管要求日趋严格及能源政策的不断调整，电力网络跟电力市场、用户之间的协调和交换越来越紧密，电能消耗的质量水平要求逐步提高，可再生能源等分布式发电资源数量不断增加，传统电力网络已经难以支撑如此多的发展要求。为此人们提出了发展智能电网(smartgrid)的设想，以实现在传统电网基础上的升级换代。智能电表是智能电网(特别是智能配电网)数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。在智能电表基础上构建的高级量测体系(advancedmeteringinfrastructure，AMI)、自动抄表(automaticmeterreading，AMR)系统能为用户提供更加详细的用电信息，使用户可以更好地管理他们的用电量，以达到节省电费和减少温室气体排放的目标；电力零售商可以根据用户的需求灵活地制定分时电价，推动电力市场价格体系的改革；配电公司能够更加迅速地检测故障，并及时响应强化电力网络控制和管理。国内的智能电表的通信方式主要有RS-485通信、红外通信、电力线载波通信、GPRS无线通信等，其中RS-485通信和红外通信主要用于本地通信，而电力线载波通信和GPRS无线通信主要用于远程通信。随着智能电网建设的推进和构建高级计量体系的需求，对智能电表的通信性能有了更高的要求，智能电表的通信需要具备更高的实时性，需要更高的通信速率以承载大量的数据，同时对通信的安全性和通信网络的接入也提出更高的要求。本文提出将WiFi无线通信作为智能电表的通信方式。通信技术正朝着IP化的方向发展，以以太网为基础的有线网络覆盖全球，WiFi作为以太网的无线终端接入技术正在越来越普及，各种移动互联网设备都已将WiFi通信作为通信的必备功能。WiFi通信已成为局域网的重要组成方式，电信运营商也正在铺设越来越多的WiFi热点，WiFi通信已经具备了良好的基础平台环境。同时，由于WiFi通信采用的是无线通信方式，使得智能电表的安装无需铺设专门的通信线路，具有很高的安装便利性。在满足智能电表行业标准和技术条件的基础上，将WiFi通信加入到智能电表的通信方式之中，以满足高速、实时的通信需求。二WIFi通信技术优势1.相对蓝牙技术，更适合中国普遍的公寓住宅楼情况下的家用电系统；无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而Wi-Fi的半径则可达300100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300100米的通信距离扩大到46.5公里。2.传输速率更适合AMR基础上的AMI、智能电表；虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。3.作为电能消耗的信息反馈的技术和设备，其推广障碍低；厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。4.对人体辐射小，健康；IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦。手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，应该是绝对安全的。图1-1802.11b/a/g/n对比通过上图观察得知，WiFi是基于802.11一系列协议的标准和无线设备兼容。随着无线设备的对协议标准的互通支持，满足WiFi对传输速率和覆盖范围的提升和潜力拓展。对于智能电表的实际需求，这是最好的满足。WiFiUWBBlueToothZigBeeGPRS/GSM成本较高最高较低最低高于UWB电池寿命（天）0.5至51-10h1至7100-10001至7有效传输距离（米）1-1001-301-10+255/65,0001,000+传输速率5.5/11Mbps40-600Mbps1-3Mbps20/40/250kBps64-128+kBps采用协议802.11bDS-UWB/MBOA802.15.1802.15.41xRTT/CDMA通信频带2.4Ghz3.1-10.6Ghz2.4Ghz2.4Ghz/868Mhz/915Mhz900/1800/1900Mhz适合传输的内容图像视频图像监测信号声音&数据图1-2WiFi与其他无线通信方式的性能比较在满足未来智能电表适应性方面，通过对这几种无线通信方式相比较得出，WiFi有安全性问题，ZigBee有速率限制问题，GPRS有费率昂贵问题，BlueTooth有距离问题，UWB有电池寿命问题。三智能电表在智能电网中的定位1.智能电表的概括功能为高级测量、高效控制、高速通信、快速储能。2.智能电表及AMI的建立是智能电网的基础。从功能的多少和智能化的程度将智能电网的建设以及智能计量系统的建设分为5个层次图3-1智能计量系统与智能电网功能概况智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，具有自动计量/测量、数据处理、双向通信和功能扩展等能力，能够实现双向计量、远程/本地通信、实时数据交互、多种电价计费、远程断供电、电能质量监测、水气热表抄读、与用户互动等功能。以智能电表为基础构建的智能计量系统，能够支持智能电网对负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场交易和减少排放等方面的要求。四基于WIFI通信的智能电表图4-1智能电表工作于AP模式图4-2智能电表工作于STA模式智能电表有AP、STA两种工作模式，表根据实际情况的需要会自动选择何种工作方式。在没有公网或专用WiFi网络覆盖的情况下，智能电表工作于AP模式，自动创建一个WiFi网络，实现与移动互联网设备的WiFi通信，实现本地抄表/人工抄表。在有公网或专用WiFi网络覆盖的情况下，智能电表工作于STA模式。通过无线传输到无线AP，再有线传输到控制中心，借助有线传输实现远程抄表。图4-3基于WiFi的用电采集系统总体结构图该系统包括智能电表、WiFi无线局域网网络和控制中心。WiFi通讯模块采集用户电表的信息，并将其处理后通过WiFi无线通信方式，如距离较远通过无线中继器，发送到AP接入点。接入点将收集到的数据通过有线网络传送至控制中心。五硬件搭建基于WiFi通信的智能电表采用K30系列的MK30N512VMD微控制器作为核心处理单元。K30采用DSP指令集的32位ARMCortex-M4内核，工作频率可达100Mhz，RAM容量128KB，Flash容量512KB。K30工作电压为1.7-3.6V，集成功耗模式管理器，支持10多种功耗模式，内置DMA控制器，提供32个完全可编程通道；集成16位SARADC，最大可支持位4路差分信号和24路单端信号的模拟量输入，最大支持48路信号输入，其中段码信号最大支持44路，公共端信号4路。在通信接口上，K30支持CAN、IIC、SPI、UATR等通信接口。WiFi部分采用BCM8000模块作为构建智能电表的接入设备，其工作电压3.3V，满足802.11b/g标准，具备UART、SPI、USB等多种通信接口。BCM8000支持STA和AP两种组网模式，在AP模式下，BCM8000可在无需额外AP支持的情况下与其它设备建立Wi-Fi连接，并支持DHCH服务。WiFi-VDD为Wi-Fi电路电源，由电表内部的3.3V数字电路V3P3提供，WiFi-VDD受K30的IO引脚PTE2控制。由于BCm8000内部没有复位电路，为保障模块上电后能正常工作，对BCM8000复位也需要控制。因为K30的IO引脚已经全部被占用，所以新加MAX706来对BCM进行上电复位；K30和BCM8000之间的数据交换通过串行通讯口UART进行，由于两者都是使用3.3V的TTL电平作为逻辑1，所以不需要电平转换。BCM8000的RXDH和TXDH分别对应连接到K30UART的TX和RX引脚。图5-1WiFi通信电路设计六软件设计关于智能电表的软件设计，国内的研究机构和电表厂家已经做了大量的工作。这里着重介绍在智能电表内实现WiFi通信的相关部分。智能电表借助于BCM8000可以工作与AP模式和STA模式，同时采用TCP连接，智能电表建立侦听，对收到的请求做出响应，智能电表不主动发送数据，考虑智能电表内部资源的局限性，本文的设计中最大同时支持3路TCP连接。应用层的通信协议采用国家电网公司颁布的DL/T645-2007通信规约。由于通信模块TCM8000本身已经实现了TCP协议，本文的工作主要是使用TCP的编程命令对模块进行初始化和TCP数据收发，所有的操作都是通过UART2串口通信进行。WiFi通信的软件实现分为三大模块：模块初始化、编程命令通信和数据收发控制。(1)编程命令通信图6-1编程通信命令流程编程命令通信是WiFi模块操控的基础，WiFi模块的参数设置、状态检测、数据收发都是通过串行通信接口的编程命令通信来进行的。在本文的设计中，K30与BCM8000采用UART异步串行通信接口进行通信，串口通信接口设置为：57600bps波特率，1位起始位，1位停止位，8位数据位，不采用奇偶校验。UART的字节发送和接收都采用中断的方式，在编程命令发送完毕后，K30反复检测接收的数据，接收到正确的应答则返回通信成功标识，如果在规定的时间内没有收到正确的应答，则重发编程命令。如果3次重发都没有收到正确的应答，则判定此次编程命令通信失败。由于BCM8000内置的处理器运算能力较强，在正常的情况下，收到K30发送的