适应多种智能电表通信规约的无线抄表解决方案

摘 要： 阐述了一种适应多种智能电表通信规约的无线数传模块，可嵌入多功能电表和电力负控装置，完成远程无线抄表和远动控制的解决方案。射频模块采用深圳市友讯达通讯设备有限公司的FC-201/E，该模块采用窄带调频方式，数据调制采用FFSK(MSK)。数据双向传输可靠，误码率低，有效地保证了电能表等智能仪表的数据传输。可广泛应用于远程抄表和其它智能仪表集抄领域。
关键词： 远程无线抄表 无线数传模块 电能表通信规约

无线抄表在发达国家和地区早已盛行，抄表车在用户电表附近行走一遍，电表的各种数据就抄入抄表车电脑中。然而无线抄表在国内才刚起步，在集抄过程中数据传输的通讯规约，也是多种多样。虽然电力部在1998年发布了其行业标准--多功能电能表通信规约，但由于种种历史原因，到目前普及仍不理想。怎样更好地实现无线数传的包容性和开放透明，是应用人员及各生产厂家最为关心的。
本文介绍一套能包容多种通信规约的数传体制，它符合我国电力远端无线数据传输实情的嵌入式无线抄表方案，已成功用于多家电表厂，取得了较好的社会效益。

1 我国电能表数据通信规约介绍

在我国运行的众多电能表通信规约，就其根本来说，是从VAN_COMM规约演变而来。VAN_COMM规约是美国FERRANTI公司开发的信息变换标准，适用于"主从式"或"问答式"处理环境，主站(通常一个)主动向子站(多个)询问，子站只被动回答。以下分别介绍我国有代表性的两种通信规约。
1.1 多功能电能表通信规约(国家电力行业标准)
该规约为主－从结构的半双工通信方式，手持单元或其它数据终端为主站，费率装置为从站，每个费率装置均有各自的地址编码。通信网络的建立和解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验及帧结束符等7个域组成，每部分由若干字节组成。
a、 字节格式：采用RS-232的规约
每字节含8位2进制码，传输时加上一个起始位(0)，一个偶校验位和一个停止位(1)，共11位，其传输序列如下图其中： L≤200

1.2 "湖南"通信规约
"湖南"通信规约是指湖南威胜电表厂的通信规约，该规约的主要特征如下：
通信接口：标准异步RS-232/RS-485
字格式：1位起始位、8位起始位、偶校验、一位停止位；
波特率：300bps/600bps/1200bps/4800bps、默认1200bps；
帧格式：

址域 1byte
命令标志 1byte
标志地址域 2byte
数据长度L 1byte
数据域
累加校验和 1byte
结束码 0DH

其中：L≤255
以上介绍的两种规约是国内电能表的最具有代表性的通信规约。从以上的规约中，可总结以下共同点：
· 通信接口为RS-232/RS-485接口；
· 帧长度：≤256byte；
· 波特率：300～9600bps可变；
· 双向半双工通信方式；
· 帧长度不确定。

2 FC-201/E无线抄表解决方案

2.1 FC-201/E无线数传模块的工作原理
FC-201/无线数传模块是一种模组式结构的小型双向数传电台，内置高性能单片机，信号调制解调器，VHF/UHF频段射频模块及RS-232标准通讯接口。将RS-232接口输入的数据进行FFSK(MSK)调制，经射频模块调频后发射出去；接收端射频模块接收到射频信号后，经过接收机数字信号处理后还原为数据，回送给用户系统，以此完成两个用户之间的双向数据无线传输。其原理如图1所示。数据的收发过程如下：
(1)数据发送如图2所示。
(2)数据接收如图3所示。2.2 FC-201/E无线抄表解决方案
FC-201/E无线抄表解决方案的基本设计思想是在现有的各种多功能电表基本不变的情况下，用无线的方式来实现集抄中心或手抄器，对各种表计的无线数据集抄。FC-201/E无线抄表解决方案的系统构成图如图4所示。其工作原理如下：
由集抄中心(手抄器或集抄器)根据各个电表的通信协议，对各电表进行查询和呼叫，各电表的地址分配与定义由多功能电表的协议确定。集抄中心的集抄内容及过程可通过上层软件download。当集抄中心要获取某一块多功能电表的数据时，将带该表地址码的数据以RS-232的方式传送给FC-201/E，中心站的FC-201/E在收到RS-232的信息后，即转换为无线信号发射出去。外围站的无线多功能电表在常态都处于接收状态(即listen)，当收到本身的地址信息后，即执行集抄中心的指令，并将中心需求的数据发送给中心。
2.3用FC-201/E实现无线抄表系统的技术关键点
用FC-201/E实现无线抄表必须解决以下几个问题：
(1)数据传输的可靠性
由于多功能电表的安装环境参差不齐，而且电磁环境也各不相同，为实现无线数据的可靠性传输FC-201/E采用了以下措施：
·采用窄带的通信方案
通信带宽为25kHz，接收及发射的带外抑制比≥60dB，由此使得干扰信号落入带内的概率大大降低。
·采用调频的通信体制
FC-201/E采用调频的通信体制，在通信过程中基带信号的特性在无线的传输过程中体现在无线信号的领域特性上。因此在传输过程中，接收点的信号特性不会因为接收点信号强度的变化而变化，大大地提高了抗多径能力，同时也可适应多种安装环境。
·采用了纠错、检错措施(2)数据协议的包容性
由前面的介绍可知，我国多功能电表的通信协议同出一辙，但其具体内容却各具特色。大多数厂家在以前的设计过程中，多以有线或红外的通信方式为基础，作为无线数传。要实现数据的可靠传输，应以帧结构方式进行传输，然而采用传统的定帧传输已很难适应要求。为了提高数据传输的包容性，在FC-201/E的设计中采用了以下的包容性设计方案：
·空中数据动态组帧；
·接口速率自适应；
·用户数据全透明。
由此设计的FC-201/E已完全抛开了各种电能表通信规约本身的内涵，而实现了表与集抄器之间各种通信规约的全透明传输。
(3)数据传输的时效性
在FC-201/E无线抄表解决方案中，数据传输的时效性是一个非常关键的参数，该参数直接关系到系统的容量。为了提高FC-201/E数据传输的时效性，首先在调制方式上采用了FFSK(MSK)的调制方式，从而支持了2400bps的传输速率，同时在硬件上采用发射机的快速启动技术，保证了发射机的开启时间≤25ms。

FS-201/E的接收灵敏度高达0.25μV，发射功率为50～100mW，这样即可实现500～800m的有效距离传输。FC-201/E的体积为46mm×72mm×14mm，因此可以方便地嵌入到电表中。
FC-201/E可适应多种通信规约，各种智能电表只需将其RS-232/RS-485或UART与FC-201/E的通信接口相联，即可方便地实现无线电表集抄。
随着现代计算机技术和无线通讯技术的迅猛发展，全面实现用电管理和集中抄表的现代化已成为必然趋势。尤其是在电力线载波抄表，IC卡预付费电表以及红外抄表在实用中遇到不少问题的情况下，坚信FC-201/E会给无线远程抄表开创一个新的局面。