面向计量终端监控的远程运维平台升级设计

赵静，陈祖秀，景彪，蒋波

(云南电网有限责任公司 玉溪供电局， 玉溪 653100)

0 引言

随着国民经济的发展，一方面，电能在日常生活和生产过程的作用日益显著，另一方面，电网结构及负载越来越复杂，这对电能计量提出了更高的要求，电能的计量对电能的发、供、用三者产生直接的经济效益影响，同时对国民经济有深远影响[1]。为了更好地实现电能计量，越来越多的计量终端被用于电能计量中去[2-4]。

计量终端的运行状态对电能计量过程有重要的影响。通常会引入监控系统，用于监视和控制计量终端的运行，以在最优策略管理下对计量终端进行维护管理。传统方案存在着明显的弊端。在监控软件实现方案上，通过网络端口及布线将终端互联，在计量终端越来越多的情况下，带来了极大的不便[5-6]。

为解决传统方案存在的弊端，提高计量终端运维的性能，本文在传统方案上进行升级改造，本文提出了一种互联网计量终端远程监控运维的设计。设计方案包括一个中央控制模块和多个控制模块。中央控制模块嵌入了一个运维网站和一个射频收发模块。用户可以通过运维网站远程对计量终端运行情况进行实时监测，同时可以根据数据情况，向中央控制模块发送维护管理命令，中央控制模块通过 MiWi 无线技术将命令广播到各计量终端，这样不管计量终端的数量，不存在布线问题。随着智能手机和互联网网络的日益普及，计量终端远程运维平台的升级改造促进了计量终端的自动化和智能化管理，为电能计量工作带了极大的便利[7-9]。

1 远程运维监测平台总体设计

如图1 所示。

本文设计的面向计量终端监控的远程运维平台的体系结构，包括一个中央控制模块和多个计量终端模块。中央控制模块有一个固定的 IP 地址连接到互联网网络[10]和一个射频收发器与计量终端模块交换数据。中央控制模块与计量终端采取的无线通信协议由微芯片开发的 MiWi 无线协议支持。

1.1 中央控制模块

如图2所示。

图2 中央控制模块结构框图

是中央控制模块的功能框图。它主要包含单片机1、单片机2、以太网控制器和射频收发器。单片机 1 是控制内核，通过以太网控制器连接到Internet 网络[11]。

微控制器1嵌入了一个网站， 它显示了有关计量终端的操作界面。授权用户可以在任何网络空间使用任何网络设备登录网站。控制内核检测网站的信息更改，并将信息作为控制命令转换为单片机2。单片机2使用 MiWi 协议接收控制命令并通过射频收发器广播运维指令。单片机 2的设计增加了系统的冗余度，提高了系统的稳定性。射频收发器集成了物理和 MAC 地址， 并可通过 SPI 接口方便地与单片机连接[12]。

1.2 MiWi无线通信协议

MiWi 无线协议是利用微芯片技术开发的，采用基于 IEEE 802.15.4 标准的小型低功耗个域网无线通信技术 (WPANs)。MiWi无线通信特别适合于低数据传输率和短距离、成本约束网络。与Zigbee无线协议相比，MiWi更简单有效[13]。在PIC单片机体系结构下，MiWi实现所需要的栈空间要求仅为 3K-17K[14]，低于 Zigbee所需要的40 k-100 K[15-16]。显然，WiMi在成本约束条件下更具优势。

如图3所示。

图3 MiWi协议网络拓扑图

为 MiWi 协议的网络拓扑结构。它支持多达8个协调器节点，包括启动网络的个域网 (PAN) 协调器。它还支持多达4个从端设备到端设备的跃点, 或者2个从 PAN 协调器到任何端设备的跃点。为了简化路由结构，一个协调器只能与 PAN网络 协调器互连，不能与其他协调器互连。如果协调器无法到达PAN网络协调器，或者网络中已经有8协调器，协调器将自动成为终端设备。本文中中央控制模块充当PAN 协调器，多个计量终端模块是网络中的终端设备。由于 RF 模块在芯片中中集成了唯一物理和 MAC 地址，因此 PAN 协调器可以将该命令按地址格式广播到所需的最终设备。

2 远程运维监测软件升级设计

2.1 中央控制模块程序设计

中央控制模块程序执行以下功能，连接到互联网，网络站点界面，命令广播开对计量终端进行维护管理。这些程序在单独的微控制器上运行。程序流程图如图4、图5所示。它主要运行网站程序并提供友好的操作界面。 用户可以根据特定的需求在界面进行操作。为微控制器2上RF收发器基于MiWi无线通信协议进行数据收发的流程图，如图5所示。

图4 中央控制模块微处理器1控制流程图

2.2 计量终端监测程序设计

计量终端是系统的重要组成部分，负责获取区域电流、电压及相关设备工况等实时信息。计量终端运行的监测程序与中央控制模块的单片机2类似。通过数据采集模块计量终端的运行状态，包括终端计量数据，用户用电情况等，并通过MiWi无线协议上传到中央控制模块。同时，接收中央控制模块下发的运维控制指令。

由此，一个中央控制模块和计量终端模块组成了一个本地小型网络。该网络连接到网络, 实现了远程控制技术，如图5所示。

图5 中央控制模块微处理器2控制流程图

3 结果分析

3.1 实验样机

基于上述的体系结构, 本文完成了中央控制模块和电源控制模块的样机模块设计。如图6所示。

图6 中央控制模块实物图

为本设计的中央控制模块，中央控制模块安装在在网络出口处，方便与互联网进行连接，在规划的位置下布置各计量终端，完成系统搭建设计。

3.2 远程访问测试

系统测试完成系统安装后, 用户可以登录网站测试实验结果。本设计嵌入的网站有一定固定IP地址，并且申请访问网站地址为http://www.f200.com。打开网页将出现登录窗口, 如图7所示。

图7 远程访问界面

输入许可的用户名和密码将显示监测界面。

在远程访问设计中，系统提供了友好的操作界面，同时根据数据安全要求，对不同用户设置了不同权限。根据不同权限，用户能进行数据监测或者下发运维控制指令[17-18]。

获得授权的用户，可以计量终端上报的数据监测图，如图8所示。

图8 电能计量监测管理系统

包括区域电流、电压及相关设备工况等实时信息[19]。

4 总结

本工作采用 MiWi 无线网络协议实现计量终端远程监控和运维服务。所设计方案包括一个中央控制模块及多个计量终端模块。模块之间采用MiWi无线通信协议，并设置了不同数据帧格式实现模块之间快速、稳定地通信。同时，中央控制模块嵌入了一个运维网站，通过TCP/IP协议连接到服务器网站。

所设计运维平台在传统的方案进行了升级改造，在布线、操作、尺寸、成本等方面较传统的线材式方案有明显的优势。并且，所开发的系统可以很容易地扩展到其他应用程序。不同用户可以根据设定权限对计量终端进行监测、运维管理。经过实验表明，所设计的方案，能够有效对计量终端进行自动化、智能化管理，为电能计量工作带了极大的便利。