1 背景
随着社会的发展，目前居民基本都接入了互联网，而且每个家庭上网的设备有多台，如台式计算机、智能手机、智能电视。在不远的将来，家庭会进入物联网时代，届时电冰箱、空调、电视机等也需要接入互联网。然而，这些设备联网时要么依赖网线，造成线路布局凌乱；要么通过无线路由器进行联网，又会出现信号不稳定、干扰严重等问题。由于大部分需要联网的设备都通过电力线进行供电，如果利用电力线载波技术将入户的网络信号调制到家庭的入户电力线中，这样家中的所有智能设备既可以通过电力线供电，也可以通过电力线上网，从而很好地解决了以上问题。
同时，在21世纪初，随着新能源技术的大规模应用，电力系统提出“智能电网”都概念。传统的电网监控需要依赖大量的人力进行电表抄表、设备检查、电路通短控制等操作，运行效率低下，故障频发，人力成本高。在此背景下，本文研究并开发一种电力宽带入户终端系统，能同时实现智能电表与电力宽带上网的功能。
2 系统简介
2.1 系统结构图
本系统提供一种电力宽带入户终端系统，在实现智能电网基本功能的同时，还能将入户的网络信号调制到家庭的电力输出总线中，使用户家中的所有智能设备不需要另外进行网络部署，即可使用原有的电力线实现稳定上网。系统结构如图1所示。
图1 系统结构图
2.2 系统各模块功能
2.2.1 电表模块
智能电表设有火线和零线的输入接口和输出接口以及RS485接口，智能电表的RS485接口通过RS485总线与主控板模块相连接以进行双向数据交换；智能电表实时测量并显示电量读数，通过RS485总线接收主控板模块的指令并将电量读数上传给主控板模块。
2.2.2 电源转换模块
电源转换模块的输入端设有火线和零线分别与智能电表的火线和零线的输出接口相连接，电源转换模块的输出端分别连接主控板模块和交换机模块为其供电。
2.2.3 交换机模块
交换机模块采用一个3口千兆交换机模块进行构建，其具有3个速率10/100/1000Mbps自适应RJ45端口，其中第一个RJ45端口连接外部网络，实现对外的网络通信功能；第二个RJ45端口连接电力猫模块，将外部网络通过电力猫模块进行转换，将上网的信道转移到电力线上；第三个RJ45端口连接主控板模块，外部网络通过主控板模块与智能电表实现双向数据信息交换。
图2 电源转换模块电路图
2.2.4 电力猫模块
电力猫模块采用常规电力猫内部模块进行构建，电力猫模块的火线和零线的接口分别设有火线和零线连接至智能电表的火线和零线的输出接口，电力猫模块的RJ45 端口设有网线与交换机模块的第二个RJ45端口相连接；电力猫模块将从交换机模块传输过来的外部网络信号调制到室内的电力线上。
2.2.5 主控模块
主控板模块集成了以太网模块、电源接口模块、指示灯模块、MCU模块；以太网模块采用USR-TCP232-E2嵌入式以太网模块，其内部集成了WEB服务器功能，其网络接口端设有网线连接交换机模块的第三个RJ45端口，其信号端连接到MCU模块；电源接口模块承接电源转换模块的供电，进而转换成多种电压接口为主控板模块进行供电；指示灯模块设有2个工作指示灯和一组多彩指示灯，指示灯模块与MCU模块相连接并由工作指示灯对整个主控板模块的工作状态进行指示；MCU模块由STM32系列芯片及外围电路构成，其作为整个主控板模块的主控部分，其设有RS485接口并通过RS485总线与智能电表的RS485接口相连接。
图3 交换机模块电路图
图4 主控模块电路图
2.3 系统使用过程
本系统终端系统的智能电表、电源转换模块、交换机模块、主控板模块、电力猫模块用塑料外壳封装成一体，对外留有智能电表的火线和零线的输入和输出接口、交换机模块第一个RJ45端口，智能电表的电量读数部分和主控板模块的指示灯模块的指示灯从外壳壳体内显露出来。
本电力宽带入户终端系统在使用时，将其智能电表火线和零线的输入和输出接口对应串联接入家庭入户的火线和零线中，将外部网络的网线接入终端系统的交换机模块第一个RJ45端口接入外部网络。电网公司通过外部网络经交换机模块和主控板模块访问智能电表，通过这个方法，电网公司可远程实时监控用户的具体用电数据信息，同时电网公司也可以从公司通过外部网络向终端系统发送控制信息，控制信息经交换机模块进入到主控板模块，主控板模块经数据处理、协议解析等操作后，进而控制智能电表。这样当用户欠费或用户用电异常时，电网公司可在必要时远程切断用户的供电。另外，家庭用的互联网宽带可由外部网络经交换机模块和电力猫模块调制到家庭的入户电力线中，这样家中的所有智能设备即可以通过电力线上网。
2.4 系统的效果
本系统的电力宽带入户终端系统由智能电表、电源转换模块、交换机模块、主控板模块、电力猫模块及相关线路组成。通过本终端系统，电网公司可远程获取用户用电的详细信息，在必要时可远程控制用户的供电情况。同时，本发明终端系统还将互联网宽带网络信号通过交换机模块和电力猫模块调制到电力线上，用户不需要另外进行网络部署即可通过原有的电力线上网。因此，本发明集合了智能电网技术和电力线上网技术的优点，实现了仅仅通过一个盒子即可上网和抄表的双重功能，降低了网络布线的复杂性，提高了用户的便利性，同时也降低了成本。
3 数据传输过程设计
3.1 数据上行流程
（1）各模块上电、初始化。
（2）MCU模块检查智能电表模块、电源转换模块、交换机模块、电力猫模块、以太网模块是否正常，如果发现异常，指示灯模块指示故障。
（3）MCU模块通过RS485接口读取智能电表的数据信息，数据信息包括但不限于用电量、剩余电量、有功功率、无功功率、谐波情况、电能质量的信息，如果发现异常，指示灯模块指示故障。
（4）MCU模块将得到的数据信息按照前述智能电表与主控板模块的通信规约的格式进行整合，并加入校验码，再上传至以太网模块，由以太网模块经交换机模块将数据上传到电网公司服务器和以太网模块内部指向的WEB服务器。
（5）电网公司可通过电网公司服务器远程读取智能电表采集的用户用电信息，同时用户可通过电脑在浏览器中输入WEB服务器地址，从网页查看智能电表采集的用户用电信息。
3.2 数据下行流程
（1）各模块上电、初始化。
（2）MCU模块检查智能电表模块、电源转换模块、交换机模块、电力猫模块、以太网模块是否正常，如果发现异常，指示灯模块指示故障。
（3）在MCU模块中设置侦听数据的IP地址和相应的端口号。
（4）电网公司服务器发出指令数据经过交换机传入以太网模块，再由以太网模块将数据发送给MCU模块，MCU模块控制要侦听的数据，如果遇到需要侦听的数据，将其解析，分析其控制指令，并传输至智能电表和以太网模块内部指向的WEB服务器上，如MCU模块长时间侦听不到数据，指示灯模块指示故障。
（5）MCU模块通过RS485接口将控制指令传输至智能电表，智能电表执行控制指令，如断电等；用户可通过电脑在浏览器中输入WEB服务器地址，从网页查看电网公司传来的信息，如电价变换情况等。
在步骤（5）中，MCU模块根据以太网模块接收到的电网公司发出的信息进行分析，将部分数据信息发送到WEB服务器上，用户通过电脑浏览器看到相应的信息，并通过浏览器输入几个数据参考值，MCU模块将用户输入的参考值进行存储并与电网公司发出的数据进行比较，计算出偏离的大小，MCU模块根据偏离值的大小控制指示灯模块的多彩指示灯用不同的颜色进行指示，同时将偏离值发送至WEB服务器上让用户看到。例如，用户可以通过电脑浏览器看到电网公司发送来的电价信息，并自行设定几个电价的参考值，MCU模块会将电网公司发布的电价与参考电价进行比较，计算出偏离的大小，MCU模块根据偏离值的大小控制指示灯模块的多彩指示灯用不同的颜色进行指示，同时将偏离值发送至WEB服务器上让用户看到。这样可以让用户直观地了解当前的电价与心理预期的电价情况，从而进行合理用电。进而，电网公司可根据用电负荷情况，对电价进行调整。通过这个设置，用户可以更加及时地了解到电价的变化情况，灵活调节自身的用电情况，既能节约电费，又能配合电网公司及时进行负荷调整。
图5 数据传输字节格式
图6 数据传输帧格式
3.3 数据传输协议
智能电表采用三星智能公司的DDS862单相电子式电能表，智能电表设有火线和零线的输入接口和输出接口以及RS485接口，智能电表的RS485接口通过RS485总线与主控板模块相连接以进行双向数据交换。智能电表实时测量并显示电量读数，通过RS485总线接收主控板模块的指令并将电量读数上传给主控板模块。主控板模块与智能电表的通信规约设置如下：
3.3.1 字节格式
每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位（1），共11位。其传输序列如图2所示，D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位，先传低位，后传高位。
3.3.2 帧格式
帧格式如图3所示。帧格式中的校验码部分按照以下算法生成：
（1）将帧起始符的数据一直到帧数据域的全部数据按照0和1的二进制序列进行排列，形成一长串由0与1组成的序列，记为K。
（2）设置以下几组数：a）1011；b）1001 10；c）1101 0011；d）1101 0011 10；e）1011 1111 1101；f）1011 1110 0011 0101。
（3）将序列K与a至f中的任意序列进行异或运算，具体选择哪一个序列根据实际通信速率、对错误的容忍度进行确定，然后在运算结果中再加入8bit的奇偶校验位，将整个总的需要序列放入校验位中作为整体校验数据。
3.3.3 帧格式数据域部分
为了进一步增加数据的容错性，让错误数据更容易被发现，在帧格式数据域的末尾添加一个数字，这个数字为数据域所有数字的和。
4 总结
对于电力部门来说，远程抄表需要投入大量的人力、物力和财力。因为数量众多，地理位置分散，给工作人员带来极大的不便。本文提出了一种电力宽带入户终端系统的硬件解决方案，包括系统架构、电源转换模块、电表模块、交换机模块、电力猫模块和主控模块，详细介绍了各个模块的组成及其工作原理，并阐述了本系统的数据上行传输方案、数据下行传输方案以及数据传输协议。通过本终端系统，电网公司可远程获取用户用电的详细信息，在必要时可远程控制用户的供电情况。同时，本发明终端系统还将互联网宽带网络信号通过交换机模块和电力猫模块调制到电力线上，用户不需要另外进行网络部署即可通过原有的电力线上网。因此，本发明集合了智能电网技术和电力线上网技术的优点，实现了仅仅通过一个盒子即可上网和抄表的双重功能，降低了网络布线的复杂性，提高了用户的便利性，同时也降低了成本。
参考文献
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[2]张婷娟．一种适应于智能电网的智能电表设计[J]．无线互联科技，2016，（14）．
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[4]孙丽艳．无线网络技术优势、应用及发展方向研究[J].硅谷，2008，（20）.
[5]余少波，蔡绍昌．MiWind物联网技术与LoRa技术的对比[J]．中国有线电视，2017，（4）.
收稿日期：2018-04-11
作者简介：磨正坤，广西电网有限公司，男
