用电信息采集系统远程通信模块的优化设计

李　飞，李春海，任　鹏，马红明，冯　波，许志平

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.石家庄科林电气股份有限公司，石家庄 050001）

用电信息采集系统远程通信模块的优化设计

李飞1，李春海2，任鹏1，马红明1，冯波1，许志平2

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.石家庄科林电气股份有限公司，石家庄 050001）

分析影响远程通信稳定性的因素，介绍造成采集终端频繁上下线的原因，并从远程通信模块软、硬件设计上进行优化，确保了采集终端在线率，提高了远程通信稳定性。

用电信息采集；通信模块；电源；芯片；电容

近年来用电信息采集系统在国家电网公司大力推动下，正处于如火如荼的建设阶段中。采集终端上线率是用电信息采集系统应用考核的一个重要指标。目前，用电信息采集系统与采集终端远程通信最主要方式是通过远程无线通信模块进行实时通信。如果远程通信模块设计不当，会导致终端频繁上下线，严重影响用电信息采集系统在线率，从而直接影响用电信息采集系统正常使用［1］。

1　远程通信稳定性的影响因素

通过收集国网河北省电力公司系统各地市公司上报的此类问题，并进行现场测试，发现影响远程通信稳定性，造成采集终端频繁上下线的原因有以下几种。

a.通信模块电源不稳定。其原因是电路的功耗设计考虑不全、电源电路设计时对纹波的考虑欠缺，电平匹配性设计不够合理，导致远程通信模块的通信不稳定，从而发生频繁上下线现象。

b.终端和通信模块电磁干扰过大。其原因是硬件设计上对干扰防护不够，导致在有异常干扰（如电压谐波、电压跳变、静电干扰）的情况下，通信模块容易出现故障，通信中断，因而频繁上下线［2］。

c.模块掉电或发生故障时不能恢复通信。其原因是终端软件对通信模块的故障检测、故障恢复和掉电处理机制不合理，导致终端在现场运行不稳定和频繁上下线［3］。

2　远程通信模块优化设计方案

通过上述远程通信模块稳定性分析，从硬件、软件2个方面进行改进，以提高采集终端远程通信稳定性。

2.1优化通信模块电源

通信模块电源设计原理示意，见图1。

为了保证通信模块的稳定性选用优质的电源芯片，在大电流的情况下应保证电压跌落很小，为此在通信模块的电源管脚附近放置了大容量电容C7（容量为1000μF），增强了电源的瞬时输出能力。因为电解电容在长时间运行后会有容量降低现象，为了保证通信模块的可靠，C7选用的是长寿命，耐高温电解电容。此外，还增加了大容量钽电容C18（容量为470μF），目的是为了保证长时间运行后，即使电解电容失效，通信模块的电源仍然能够稳定可靠。通过以上优化设计，降低了模块电路的功耗，基本消除电路的纹波效应，保证了通信模块的通信质量。

图1　通信模块电源设计原理示意

2.2增强模块电路的抗干扰性

在PCB布线时，将天线信号远离其他信号线，以防止通信模块的天线信号，被电路板上其他信号干扰，如图2所示。

图2 PCB布线示意

图2中，天线信号远离其他走线，两端包地，并且预留了电容的封装C4和C5，在干扰较大的情况可以焊接滤波电容对信号进行滤波。

天线需要与射频前端匹配，这种匹配主要是阻抗的匹配。为了防止通信模块天线阻抗不匹配造成信号衰减，在PCB布线时，应确保天线信号走线阻抗值满足50Ω，为了修正PCB制板时工艺控制带来的误差，在天线信号走线上保留了电阻封装，根据实际情况决定焊接相应阻值的电阻R4和R5来匹配天线的阻抗，保证天线信号的完整性。匹配电路比较简单，一般采用T型或pi型网络进行匹配。就可以达到很好的匹配效果。所以需要在射频前段预留T型或pi型网络，通常采用pi型网络滤波。通过以上设计修正，将大幅减小各种异常干扰的影响，保证模块的通信质量。

2.3优化掉电处理和故障处理流程

为了避免由于集中器软件处理问题导致通信模块将AT指令当做数据发送，需要确定接收通信模块返回值的最佳时间。这样不仅可以保证通信模块不会错误的将AT指令当做数据发送，也不会因为超时等待时间太长而导致软件效率降低［4］。

为了避免请求发送数据长度和实际发送数据长度不一致的情况，在软件处理过程中首先组织要发送数据帧，然后计算需要发送数据帧的长度，将计算得到的长度作为向通信模块发送的查询指令AT$MYNETWRITE=＜SocketID＞，＜data _len＞的data_len，这样可以保证发送的数据长度和请求的数据长度保持一致。

为了避免通信模块接收数据时因缓存中存在数据造成无法接收后续数据，需要确认只要通信模块缓存中有接收数据，无论发送读取数据指令后通信模块是否有返回值，都可以直接从通信模块中读取到接收数据。在此基础上，可在软件中优化接收流程，具体流程示意见图3。

图3　通信模块软件流程示意

由图3可以看出，开始接收数据时，首先查询等待手机模块是否有主动上报数据，有则直接读取缓冲区数据，如果没有，直接发送AT指令，发送接收数据的AT指令后，主控芯片直接从通信模块读取数据，因为此时不知道

通信模块中是否有数据以及数据有多长，为了保证将通信模块缓存中的数据全部读取，此时读取的长度为通信模块缓存可以存储的最大数据长度。在读取的数据中存在接受指令AT$MYNETREAD=＜SocketID＞，＜data_len＞的返回值，根据此返回值来判断主控芯片读取到的数据中是否存在有效数据，如果无有效数据，将数据丢弃，完成此次接收过程，如果存在有效数据，根据返回值中的数据长度提取主控芯片读取到的有效数据。这种方式就避免了通信模块缓存中数据不能完全读取造成的接收问题。针对现场主动上报方式主站需要确认而主站在上报报文时又不给确认，造成终端由于得不到正确确认而频繁上下线，从程序上判断是否需要主站确认的参数，然后再判断主动上报的报文是否给确认信息来判定是否重连模块，来保证终端在线率［5］。

3　结论

在远程通信模块硬件设计上，通过对元器件的选型、PCB布线方面进行了合理的安排，保证了电源侧和通信侧的电路稳定性，并通过实验手段论证了该方案性能上的提升。在软件程序上，对终端与通信模块交互流程进行了处理，优化了通信模块掉地和故障的处理机制，制定了更加合理的数据交互流程，避免了通信交互程序的漏洞。通过软、硬件上的优化设计，可提高远程通信终端通信稳定性。基于此软硬件方案设计的远程通信模块，经过几个试点的现场验证，均未发生掉线现象，进而保证用电信息采集系统数据的完整性，为其用电信息数据的高级应用提供了可靠数据来源。

［1］ 任工昌，王党席，郭 军，等.基于GPRS的远程抄表系统集中器设计与研究［J］.机械设计与制造，2009（11）：83-85.

［2］ 王向阳.基于GPRS的集中器设计［J］.沈阳大学学报，2008，20（2）：25-28.

［3］ 许学慧，薛 琳，黄鹤松.基于GPRS技术的无线自动抄表系统的设计［J］.中国住宅设施，2006（1）：59-61.

［4］ 邵 源，钟 炬，周昭茂.关于低压用户集中抄表系统综述［J］.电力系统自动化，1999，23（17）：42-44.

［5］ 张云龙.基于GPRS的远程自动抄表系统的研究［J］.网络安全技术与应用，2010（6）：59-61.

本文责任编辑：齐胜涛

Optimization Design of Remote Communication Module of Electric Information Acquisition System

Li Fei1，Li Chunhai2，Ren Peng1，Ma Hongming1，Feng Bo1，Xu Zhiping1
（1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute，ShiJiaZuang 050021，China；2.Shijiazhuang Kelin Electric Co.，Ltd.Shijiazhuang 050001，China）

This paper analyzes factors affecting the stability of the remote communication，introduces acquisition terminals frequently offline，and from the remote communication module，the design of hardware and software optimization，to ensure that the acquisition terminal online rate，improve the stability of remote communication.

power information collection；communication module；power supply；chip；capacitance

TM76；TP274.2

B

1001-9898（2016）02-0011-02

2015-11-05

李 飞（1982-），男，工程师，主要从事采集终端技术检测研究等工作。