基于嵌入式的电力物联网网关的应用研究

基于嵌入式的电力物联网网关的应用研究

何家盛

广州南方电力集团科技发展有限公司 510000

摘要：在电力物联网中，在配电房部署了各类传感器、监控设备，这些状态感知终端形成了物联网中的感知层，是电力物联网运行的基础。但这些终端所产生的数据存在体量大、类型多、价值密度低的特点。这时候就需要在感知层进行数据采集、信息融合、特征提取等操作，并通过一种或多种网络传输方式传送到平台层，发掘数据的真正价值。基于此，本文对基于嵌入式技术的电力物联网网关进行设计与应用，希望给更多人带来参考意义。

关键词：电力物联网；网关；数据采集与传输

引言：随着大量新技术、新设备、新工艺广泛地应用于配电房中，配电运维的智能化、精益化管理需求也日益提高。与其他行业中使用的物联网网关相比，工作于电房之中的网关面临更为恶劣的电磁环境，对抗干扰能力和运行逻辑提出了更高的要求。基于嵌入式设计的物联网网关，性能可靠、适应性广、结构精巧，可以完成数据计算、异构网络融合、规约转换的工作，有利于实现各个设备的管控与现场联动控制，让企业、工厂、社区在用电过程中收获更多的价值。

1电力物联网网关的整体功能

1.1主控平台

主处理器的功能和性能决定了本网关功能和性能的上限。本次硬件平台采用致远电子的M3354-T核心板。该核心板的主处理器是TI公司的AM3354。具备ARM Cortex-A8内核，采用RISC指令集，工作主频达800MHz，支持高级操作系统，板载512MB DDR3内存和1G Nand Flash硬盘空间，外置独立的硬件看门狗定时器，提供丰富的通信接口，包括6路UART、2路CAN-Bus、2路USB OTG、2路支持交换机功能的以太网接口和10路专用GPIO。在搭配自行设计的外围功能电路后，可以满足现场各项所需功能。

1.2硬件外设

M3354-T核心板外的硬件外设包括——①电源电路：网关电源输入范围为DC12~36V。在输入端，利用热敏电阻作为过流保护，其25°C不动作电流为605mA；利用压敏电阻作为浪涌保护，该规格的起始工作电压为47V；利用共模电感阻挡共模干扰的入侵；串接二极管实现防反接保护；利用TVS对群脉冲、静电、过压等干扰进行保护；利用电解电容陶瓷电容平滑电源电压上的波动和毛刺。②RS-485接口电路：使用MAX485收发器实现总线电平与TTL电平之间的转换，利用高速光耦合器进行信号隔离，利用隔离电源进行电源隔离，最高工作波特率达115200bps。③以太网电路：本次设计采用DP83848K实现百兆以太网。AM3354处理器通过RMII接口与DP83848K交互，利用22Ω终端电阻抑制信号反射；通过网络变压器、静电保护器提高抗干扰能力。④Wi-Fi电路：采用Wi-Fi模块WM6201实现，模块支持透传功能和完整TCP/IP协议栈，满足IEEE802.11b/g/n标准。为了避免Wi-Fi模块由于程序缺陷导致模块宕机，除了串口通信信号和复位控制信号外，增加模块电源控制、恢复出厂设置控制信号。

2软件设计

2.1数据采集协议

RS-485总线虽然具有稳定可靠、快速组网、编程简单和价格低廉等优点，但标准上只对接口的电气特性做出规定，用户需要自行定义高层协议[1]。施耐德公司推出的Modbus协议以其开放、易用、灵活、廉价等优势，现已成为全球电力物联网中应用最为广泛的通信协议之一，是不同品牌的感知层终端唯一共同支持的通信协议。本文采用Modbus-RTU作为数据采集协议。Modbus-RTU模式中，地址码为8位，有效从机地址为0-247（十进制；地址0为广播地址，所有从机均能识别），其余地址保留。不管主机访问还是从机回复，地址码中都是从机的地址。功能码为8位，Modbus协议中只定义了01-06、15、16（十进制）共8个功能码，可以通过自定义功能码来执行某些特殊功能、指令。主机通过发送相应的功能码要求从机执行特定操作，正常响应时从机向主机回复相同的功能码。数据区中该传什么数据、如何解析由功能码来指定。CRC（Cyclic Redundancy Check）用于检查通讯传输过程中是否有错误发生，检验范围覆盖地址码到数据区，采用CRC16校验码，但CRC具有多种参数模型，不同参数模型的计算结果不同，一般使用CRC-16/MODBUS。

2.2远程交互协议

物联网应用中，应用层协议以MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）和HTTP（Hypertext Transfer Protocol）协议应用最为广泛。与传统的电力通信协议IEC104不同，上述协议无需人工配置点表，支持设备自描述功能，减少了安装调试工作量，有利于各类设备便捷的接入配电物联网[2]。MQTT协议是一种基于TCP/IP网络连接的消息传输协议，使用发布/订阅的消息模式，具有开放、简单、轻量、易于实现的特点，并且可设定三种不同的消息分发服务质量，在各种受限条件如低宽带、网络不稳定、嵌入式处理器性能和内存不足等情况下均能较好工作

[3]；HTTP是一种通常基于TCP/IP网络连接的请求-响应协议，可以方便的在互联网上传送包括文本、声音、图像等信息。发展至今，HTTP1.0、HTTP1.1和HTTP2.0已经得到所有主流浏览器的支持。而将嵌入式设备考虑在内以后，尤以HTTP1.1应用最为广泛。本网关可以按照使用需要进行通信协议选择。

2.3人机交互设计

在典型使用场景中，管理人员可以利用手机APP从管理平台查阅相关的信息。这种常见模式也意味着，一旦网络通道出现中断（由于硬件故障、流量欠费或网络信号差等原因），配电房内的环境信息、设备的运行状况将完全无法获取。为了应对上述情况，通过Wi-Fi接口提供一条从网关到智能手机的信息通道，在不经过云平台的情况下直接与网关交互信息，在网络连接困难或者完全中断的情况，依然可以查阅现场设备信息，如实时状况、变化趋势、峰谷值，并可导出数据记录，继续日常的管理工作或者进行计划中的维护工作。本文通过采用前后端分离的设计思路，以智能手机为客户端，在网关内搭建本地服务器，基于TCP协议和JAVA NIO模型实现。主要包括6个页面：①登录页面；②功能选择；③系统信息；④数据导出；⑤实时数据；⑥历史数据。

3物联网网关在电力配电房中的应用建议

3.1电磁兼容性测试指标

配电房内的电磁环境、气候环境比较复杂，电力网关必须具备足够的抗干扰能力，以保证在使用年限内可以正常运行。当前针对电力网关的测试依据、检测规程还没有正式行业标准。因此以安装位置相似的站所终端的性能指标作为参考，结合国家能源局发布的《DL/T 1529-2016 配电自动化终端设备检测规程》和实验室设备情况，确定各测试项目、测试参数和合格要求。

结论：作为泛在电力物联网在配电领域的落地实践，电力物联网网关发挥着重要作用。当前市面上的物联网网关，存在功能冗余、体积偏大、成本较高、网络依赖性大、可靠性不足等问题。本文采用AM3354微处理器，设计了一个基于HTTP或MQTT的物联网网关，通过RS-485/Modbus协议与子设备连接，通过Wi-Fi与现场人员交互，实现感知层数据的上传和获取。此设计在具体实践中有着很好的参考意义。

参考文献：

[1]周辰飞. 基于多智能体异构网络的电力集中抄表系统的研究[D]. 合肥工业大学, 2013.

[2]金成明，刘雪松，杨睿，等. 基于CoAP与MQTT的配电物联网通信架构设计[J]. 电气自动化, 2020, 42(5): 102-104.

[3]吴俊辉，吴桂初，陈冲，等. 基于MQTT协议的物联网网关设计[J]. 温州大学学报（自然科学版）, 2019, 40(4): 54-61.