基于STM32F103的电力载波小型路由器设计与实现

(1.福建工程学院 福建省汽车电子与电驱动技术重点实验室， 福建 福州 350118； 2.福建省北斗导航与智慧交通协同创新中心， 福建 福州 350118)

目前，我国居民用户和企事业单位的电能计量抄表领域，已经逐步开始实现自动化远程抄收[1]。

低压电力线载波通信技术利用现有电力线进行数据传输，实现方便，覆盖范围广，没有铺设线路和运行成本，具有广阔的应用前景[2]。虽然低压电力载波(power line carrier，PLC)以较低的预算解决了通信线路布置困难、维护工作量大的问题，但是由于供电线干扰和信道衰减所造成的通信距离有限，其在应用上仍具有较大的局限性，因此路由中继成为低压载波通信的关键技术。

基于电力供应的特征，电网所带来的几乎 “无线”的特性，使得PLC在电能表集抄、电能质量监控和电网故障监测方面得到大量的应用；此外，现代电网分布广泛，目前PLC的应用也扩展到家居、安防、暖通和水表等智能化领域[2-4]。在PLC大量应用的电能表集抄领域，特别是针对居民用户的低压电力线远程抄表，各种载波路由机制和算法相继涌现，不断地提高了低压电力线中继抄表的可靠性和成功率[5-8]。由于算法复杂和公变台区规模较大，造成电网应用的载波路由器成本较高，不大适用于采集网关分布较为离散、各配电站表计规模不大和水表间距较远的高校节能监管系统，所以有必要设计一种规模适中、价格经济的小型电力载波路由器。

1 硬件设计

所设计的电力载波小型路由器以ST公司

STM32F103为核心器件，扩展了DL/T645-2007多功能电能表通信协议，具备64个节点的3级中继路由抄表能力，满足高校变电站、单体建筑和室外数字水表的远程集抄。

STM32F103CB内核频率72 MHz，工作性能90DMIPS，片上Flash 128KB，SRAM 20KB，并且芯片内部通过APB总线扩展了多达36个GPIO接口；拥有1个RTC、2个SPI、3个USART和4个16位定时器；此外，STM32F103CB还内嵌了一个支持16个优先级的嵌套矢量中断控制器。STM32F103丰富的标准外设和高扩展能力，可以满足多种工业场合的应用[9-10]。

小型载波路由器的总体设计如图1所示，采用了LQFP48封装的STM32F103CB处理器，并扩展了一个SPI接口的E2PROM和一个38 kHz红外收发接口。

图1 小型载波路由器总体框图Fig.1 Structure diagram of PLC mini-router

图2为载波路由器MCU核心电路原理图。

图2 STM32F103路由器MCU原理图Fig.2 Schematic circuit of MCU in Router STM32F103

设计以STM32的USART1为上行串口，直接与网关/采集终端的抄表接口互联；路由器下行通信接口使用STM32的USART3，下挂载波主控芯片；在定时器2的PA1引脚TIM2_CH2通道所发出38 kHz PWM脉冲的配合下，扩展USART2为红外收发通信接口，作为载波路由器节点参数等档案信息的配置通道。

STM32F103通过SPI_1接口外扩一片E2PROM存储器25LC512，以满足节点档案信息和路由地址图表的存储需求。路由存储的硬件设计如图3所示，工作电压2.5～5.5 V的SOIC8封装的25LC512，拥有512 KBit存储容量，其20 MHz的时钟频率，能够很好地与STM32F103高达18 Mbit/s的SPI接口进行配合。

图3 25LC512存储器电路设计Fig.3 Schematic circuit of E2PROM 25LC512

为方便路由器参数配置和现场调试，载波路由器设计的红外通信接口，如图4所示。STM32F103的USART2输出端U2IR_TX与定时器TIM2_CH2通道PA1引脚PWM输出端，通过NC7S02或非运算后产生DL/T645所规定的(38±

1)kHz发射信号，可以十分方便地使用北京振中等电力抄表掌机的红外接口，对路由器载波节点进行档案配置和现场抄控。

图4 38 kHz的红外通信电路Fig.4 Schematic circuit of infrared communication interface in 38 kHz

2 路由协议和中继模型

2.1 路由协议设计

电力载波集抄系统使用了DL/T645-2007协议，它是一个请求/应答型协议，通常由集中器、采集器或掌机等抄表主机发起。当从机接收到需要处理的相应任务帧时，它使用对应的功能码来指示正常响应的数据项，或者通过对应的差错位及错误信息字来指示异常响应。基本的DL/T645-2007协议帧如表1所示[11]。

载波路由器与网关/采集终端的上行通道使用标准的DL/T645-2007协议；对于下行的、与载波主控芯片通信的接口，则使用改造后支持中继路由转发功能的扩展DL/T645-2007协议。考虑到电力载波通信的抄表帧长一般较短，故在保留DL/T645协议帧基本功能的前提下，取消了后续帧概念以支持中继路由配置。

本区表层土壤As含量的变化范围为1.5～6.97 mg/kg，均值为3.65 mg/kg，远远低于广西A层土壤几何平均值(13.4 mg/kg)[20]，As含量值低于农用地土壤污染风险筛选值(40 mg/kg)[4]，土壤环境质量中单指标As处于清洁状态。

表1 基本的DL/T645-2007协议帧基本结构Tab.1 Basic structure of DL/T645-2007 protocol

注：前导码为0至4个0xFE

重新定义的扩展了DL/T645-2007以支持3级路由中继的控制码C的结构如图5所示[12]。

为配合中继命令帧内的主站控制码C的扩展，对DL/T645-2007数据域也进行相应的扩充，即在数据域前部嵌入中继路由表，同时对应地更新了数据长度域L的值见图6。

2.2 中继模型建立

将电力载波集抄系统的载波芯片定为通信节点的圆心，并将其实际通信距离折合为半径，以此等效成一个载波通信的蜂窝，则载波路由器可覆盖的最大半径为：路由器下挂的载波主控芯片覆盖半径R+ 从节点载波芯片覆盖半径R× 3级中继，其模型结构见图7。

图5 扩展的主站控制码C的结构 Fig.5 Structure of extended control code C in master station

图6 扩展DL/T645-2007数据域内的路由地址表Fig.6 Routing address table in the extended DL/T645-2007’s data domain

图7 电力载波3级中继的蜂窝结构模型Fig.7 Cellular model with three-stage relay of PLC

为实现自动路由中继功能，要求采集系统内各载波从节点均应支持中继转发与接收功能。载波路由器对各个载波从节点的路由搜索，就是相当于以路由器(载波主控芯片)为根节点，对采集范围内各载波从节点进行多叉树分层遍历的过程。

载波路由器自动中继的基本思想是建立一个以路由器(载波主控芯片)为根节点的4层多叉树查询结构，其逻辑分层见图8。

图8 电力载波中继通信的逻辑层次图Fig.8 Logic structure of relay communication for PLC

在特定的抄表时刻，小型载波路由器内的各个载波从节点保留一条最近的成功路由。路由器将遍历后的各载波从节点完整的中继路由地址图，存储于外扩的E2PROM存储器25LC512内，以供下次抄表时，载波路由器的抄表组帧进程能够直接调用。

3 软件设计

小型载波路由器使用Keil开发平台所集成的RTX实时操作系统[13-14]。根据中继路由功能的要求，设计了USART3载波接收任务(优先级1)、USART1上行645接收任务(优先级2)、USART2红外接收任务(优先级3)、载波路由查找任务(优先级4)，扩展645路由组帧任务(优先级5)，USART3载波发送任务(优先级6)、USART1上行645发送任务(优先级7)、USART2红外发送任务(优先级8)和看门狗监视任务(优先级9)，共9个用户任务。

图9为USART数据帧的收发任务流程。为增加系统的抗干扰能力，USART串口均采用轮询标志位方式进行数据收发的确认。

当串口USART接收到完整的数据帧结构时，将通过置位“帧OK信号量”通知相应的处理任务进入就绪状态，以便进行协议帧的解析、执行和应答。

图10为路由器建立3级中继功能路由图的多叉树搜索流程。

载波路由器抄表任务首先遍历配置于25LC512内的表档案节点pn列表，标注直接抄表成功的表节点路由状态标志k为1；接着，针对未能直接抄表成功的k=0表节点，依次以直接抄表成功的各个pn节点为一级中继节点，构建一级中继抄表的扩展DL/T645-2007帧，遍历剩余的未能直接抄表成功的pn节点；以此类推，中继目的表节点均以上一级中继成功表的路由图为其中继地址，完成二级中继和三级中继路由搜索；最后，对于三级中继搜索仍未能成功点抄的余量节点，将由采集终端标记成节点抄表失败并进行报警提示。

(a) USART数据帧的轮询接收

(b) UART数据帧的发送图9 USART数据帧的收发任务Fig.9 Flowchart for the Rx/Tx of USART

图10 3级中继路由搜索流程图Fig.10 Flowchart for the three-stage relay process-ing of the router

4 测试与验证

首先通过振中掌机TP900的红外通信接口对路由器下的载波从节点档案进行配置，此时载波路由器将按红外命令记录/删除抄表节点的档案信息，即路由器需要抄收的载波从节点序号和地址；接着配置载波路由器上行通信串口速率19 200 bps，下行的载波芯片串口通信速率9 600 bps；最后使用DL/T645-2007测试软件和载波中继集抄模拟台区软件，搭建图11的测试系统。

图11 模拟的载波中继集抄台区测试系统Fig.11 Simulated testing system for relay collecting platform of PLC

为测试载波路由器的中继策略，配置载波中继集抄模拟台区软件内的测试节点数10个(地址1-10)，其中直抄表节点4个(地址1-4)，一级中继节点2个(地址5-6)，二级中继节点2个(地址7-8)，三级中继节点2个(地址9-10)，如图12所示。

注:直抄表1-4;一级中继表5-6;二级中继表7-8;三级中继表9-10图12 载波中继通信模拟台区Fig.12 Simulation platform for relay communic-ation of PLC

载波路由器经过路由点抄学习后，建立完整的中继路由地址图。配置模拟台区9号节点表的正向有功总能量数据为788 855.82 kW·h，并对9号节点的三级中继电能表正向有功总能量数据项(DI:00010000)进行点抄。此时，由载波路由器组帧所发出，并成功接收到的扩展DL/T645-2007命令和应答帧见图13。载波路由器通过其自动中继抄表机制所抄收到的有效数据内容与模拟台区软件配置的正向有功总能量的数据值是一致的。

[发送数据] 68 09 00 00 00 00 00 68 71 16 34 33 33 33 33 33 38 33 33 33 33 33 3A 33 33 33 33 33 33 33 34 33 C8 16

[接收数据] 68 09 00 00 00 00 00 68 91 08 33 33 34 33 B5 88 BB AB E2 16

注：9号表正向有功总能量788 855.82 kWh，中继路由图为1↔5↔7↔9

图13三级中继抄表的命令与应答帧

Fig.13Thecommandandtheresponseframesofmeterreadinginthree-stagerelay

对路由器和载波中继集抄模拟台区软件的测试节点数均设置64个，并在模拟集抄台区软件内建立直抄、一级中继、二级中继和三级中继表共4个层次结构，其中每个层次随机抽取16个节点，共进行了200轮的点抄测试实验，路由器均能够成功搜索和建立中继抄表路由地址图。该路由中继技术结合福软36-Ⅲ载波路由转发机制，已经成功应用于福建工程学院高校节能监管采集系统。图14所示的是福建工程学院学生公寓Ⅰ区的地址100079号水表，通过载波中继路由技术成功抄收的1 d用水数据。

图14 学生公寓I区100079号水表日数据Fig.14 Daily data of Watermeter No. 100079 in the I district of Students’ Apartments

节能监管水表采集子系统使用36 V双绞线，配合载波通信和路由转发机制，扩展了电力载波技术在能耗监控中的应用范围。

5 结语

针对高校节能监管系统配电站分布离散、各站点表计规模不大，以及室外水表间距较远，主水表数量不多的实际情况，所开发基于STM32F103的电力载波小型路由器，扩展了DL/T645-2007协议的定义，能够可靠地建立3级中继抄表路由图，并实现水/电表的自动中继抄表功能。该技术在低压电力载波通信和智能水表远程集抄领域得到了成功应用，可以低成本地替代RS485实现能耗监管和采集系统内的远程抄控。

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