作者/ 王鵬 傅子明 劉攸堅 廣東電網有限責任公司佛山供電局(廣東 佛山 528000)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/340856.htm摘要：針對目前用電現場負荷管理終端通信過程存在鏈路節點多，易受外界幹擾等問題，本研究採用了基於4G技術的雙模雙卡單待負控終端技術，從根本上對終端的功能進行補充和完善，通過對系統硬體的設計，提高了終端上行通信的可靠性、上線率以及高通信速率。結果表明，改進後的系統性能遠遠高於傳統系統性能，極大地滿足了實際需求。
引言
目前用電現場負荷管理終端主要是基於GPRS無線公網通訊與計量自動化主站通信，通信過程存在鏈路節點多，易受外界幹擾等弊端[1-3]。隨著城市發展建設，各通訊運營商之間競爭激烈，通訊環境愈加複雜多樣化，2G通信信號不穩定，尤其是在城市密集區，不同的網絡變化多端，工作人員需要頻繁到現場更換不同運營商的SIM卡，以使終端能在特定運營商網絡通暢時保持上線。通信問題成為影響數據採集的關鍵問題。現狀是國內市場暫無此類產品研究，國內廠商、研究機構暫未有此技術方面的研究。
國內技術方向、技術水平和關鍵技術：電力負荷管理終端多制式公網通信自適應接口連接在電力負荷管理終端主板電路與公網通信子板電路之間，實現公網通信子板電路與主板電路之間的插拔式連接，可在電力負荷管理終端電路中實現不同制式的公網通信模塊的互換。其可不用更換終端，僅更換通信模塊，即可實現不同制式網絡的互換[4]。該種方法相當於由人工進行網絡的選擇和切換。
目前，終端採用的通信方式存在一定的局限性，在未來圖像、視頻等多媒體傳輸以及更加豐富數據應用情況下，現有2G通信技術難以滿足數據傳輸的需要，勢必需要採用通信速率更快更可靠的通信技術[5-6]。因此，本研究採用基於4G技術的雙模雙卡單待負控終端，能解決上述出現的問題。
1 現有系統的結構及其局限性
1.1 現有系統的局限性
本系統針對現大量存在並運行的通信模塊以及今後南網統一標準的終端及模塊，開展2個方向的研究：
(1)針對存量終端(已統一上行通信模塊結構尺寸)，由於無法修改終端嵌入式軟體，可在上行通信模塊內部，終端與通信模塊之間增加一片單片機，用以控制和管理4G通信模塊，自動選擇優質網絡，並轉發終端與主站間的通信數據。通過該手段可在不更改現場終端的條件下對終端進行升級，以實現本項目的設計目標。
(2)針對全新招標的設備，可對現有的終端技術要求和通信協議進行增補，技術要求方面增加多模雙卡的內容定義，並對通信網絡的智能選擇做出要求;通信協議方面需增加網絡質量信息的內容，包括實時召測和定時任務，增加對4G高速通信的軟硬體支持[6-7]。
此方案是從根本上對終端的功能進行補充和完善，提高終端上行通信的可靠性、上線率以及高通信速率。
1.2 現有終端系統及其存在的問題
現有的終端設計框圖如圖1所示。
現有終端系統大體包括MCU單片機模塊、下行通信模塊、計量模塊、電源模塊、控制通信模塊、上行通行模塊和LCD模塊。其中上行通信模塊與MCU單片機之間採用UART模式進行數據交換。
現有終端存在的問題：目前根據現有技術條件設計的終端，由圖1的硬體框架可以看出，該方案雖然設計簡單，成本較低，但是終端的處理能力和接口速度難以滿足實際需要[8]。而根據4G網絡的高速通訊的特性(LTE FDD Cat 6 (300Mbps DL, 50Mbps UL))，對終端的處理能力和接口速度須有更高的要求，因此需要終端設計方案重新進行研究。
本研究主要從兩個方面進行改進：
(1)系統的整體處理能力;(2)與上行信道的接口速度需要提高。
2 系統整體設計
本研究根據4G通信和多模雙卡通信的特點，對大客戶負控終端上行通信模塊部分電路進行重新設計，並且編寫底層驅動軟體，滿足模塊供電、信號檢測及自動切換的需要;對上行模塊的架構進行重新設計，滿足雙天線同時通信互不幹擾，並研發一整套基於4G通信技術的多模雙卡單待的負荷管理終端。各模塊可與核心板通訊，同時也可以單獨選擇任一運營商來保證系統的穩定性和可靠性[9-10]。
2.1 改進後的系統結構
改進後的終端設計框圖如圖2所示。由圖2可知，改進後的系統採用高速處理器，上行通信與核心板之間採用USB模式連接。
2.2 系統主要模塊的設計
終端設計性能：
(1)採用高性能處理器，運行頻率高達1G，處理能力強，為高速處理大量數據提供支持，如視頻等多媒體數據;
(2)上行通信模塊接口改用高速的USB接口，最高傳輸速率達480Mbps，支持4G模塊的高速數據通信;
(3)採用更高速的乙太網接口，最高傳輸速率達1Gbps，為未來的視頻監控等高速、大數據量設備提供支持。
現有上行通信模塊設計框圖如圖3所示。
2.3 模塊的設計
加上成本等因素綜合考慮，單模塊方案更適合後續的大規模推廣：
(1)採用多模通訊模塊，可同時支持現有的三家運營商，支持雙卡盲插自動識別，兼容性強;
(2)單模塊設計，對終端電源設計要求較低，相對於GPRS模塊無大改動，天線設計也無需考慮同頻幹擾，設計簡單;
(3)採用主集天線和分集天線雙天線設計，提高信噪比和接收靈敏度，適應信號惡劣的現場環境，提高終端上線率。
a.多模通訊模塊
4G多模全網通訊技術在手機上應用已有一段時間，所謂的全網制式分別為TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA1X/EVDO和GSM/EDGE/GPRS，通過該技術，可以使現有的負荷管理終端可以接入國內三大運營商的移動通信網絡，大大提高了終端對行動網路的適應性，但目前業界只有高通(Qualcomm)公司推出了完整方案，多應用於商業級手持設備[11]。
工業級應用對模塊的EMC(電磁兼容)性能、高低溫性能等要求均比較高，需要採用專為電力設備開發的工業級通訊模塊才能滿足負控終端的使用要求[12-13]。經過對多個品牌通訊模塊的性能測試，本課題中選用Neoway公司的「N1」4G LTE全網通訊模塊進行進一步研究及測試，雙模塊和單模塊整體設計框圖如圖4和圖5所示。
b.CPU模塊
本系統的CPU採用ARM公司生產的Cortex-A系列處理器，適用於具有高計算要求、運行豐富作業系統以及提供交互媒體和圖形體驗的應用領域。從最新技術的移動Internet必備設備(如手機和超便攜的上網本或智能本)到汽車信息娛樂系統和下一代數位電視系統。也可以用於其他移動可攜式設備，還可以用於數位電視、機頂盒、企業網絡、印表機和伺服器解決方案。這一系列的處理器具有高效低耗等特點，比較適合配置於各種移動平臺。已廣泛應用於各種嵌入式工業設備。
ARM Cortex™-A5 處理器是能效最高、成本最低的處理器，能夠向最廣泛的設備提供 Internet 訪問：從入門級智慧型手機、低成本手機和智能移動終端到普遍採用的嵌入式、消費類和工業設備。
Cortex-A5 處理器可為現有ARM926EJ-S™和ARM1176JZ-S™處理器設計提供很有價值的遷移途徑。它可以獲得比ARM1176JZ-S更好的性能，比 ARM926EJ-S更好的功效和能效，以及100%的Cortex-A兼容性[14-15]。
c.天線模塊
本系統採用主集天線和分集天線雙天線設計。
分集接收技術是一項主要的抗衰落技術，可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性，在實際的移動通信系統中，終端常常工作在城市建築群或其他複雜的地理環境中，分集接收技術被認為是明顯有效而且經濟的抗衰落技術。
分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關的(獨立的)多路信號，然後把這些多路信號分離信號的能量按一定的規則合併起來，使接收到的有用信號能量最大，進而提高接收信號的信噪比。因此，分集接收包括兩個方面的內容：一是把接收的多徑信號分離出來使其互不相關，二是將分離出來的多徑信號恰當合併，以獲得最大信噪比。
d.結構設計部分的改進
由於現有的標準尺寸SIM卡的卡槽佔用面積較大，導致目前的模塊盒設計空間無法滿足同時安裝兩張SIM卡的需要，將現行使用的標準尺寸的SIM卡更換為體積更小的Nano SIM卡。通過這樣對SIM卡的改進，同時安裝兩張Nano SIM卡所佔用的面積相對於現有的安裝一張標準尺寸的SIM卡所佔用的面積不會增加太多，可減低通信模塊盒結構設計的改造難度。
單模塊和雙模塊條件下，系統性能對比如表1所示。
2.3 新舊系統性能的對比
改進前後系統性能的對比如表2所示。由以上數據對比可知：改進後的系統運行速度、運算能力、上行接口、上行速率、乙太網接口的性能得到極大的提高，大大滿足實際需求。
3 總結
本研究採用多模雙卡單待的模式，實時檢測SIM卡狀態，監測三網的信號強度及與後臺主站的實時通訊情況，如果主網絡不能撥上號或與主站通訊不成功的時候，及時切換到待機網絡撥號連接主站。可以使終端在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網絡中提供無線服務，良好覆蓋地理位置複雜的地區和場所，提供雙向、高速、安全的數據通信通道。雙網絡之間互為備份，無需人工切換模塊制式，完全自適應，基於4G技術特點通信速率高、穩定性強、抗幹擾能力強。同時，本項目使用了在計量自動化終端領域應用4G移動通信系統的高性能天線技術和多模全網通信技術，提高終端通信速率和可靠性。此外，本系統還可以廣泛應用於林業、城市監管、水利、近海岸地形測繪、地質災害調查、國家安全等遙感遙測領域。
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本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第45頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。