通過電力線通信(PLC/AMR)實現自動抄表

引言

在20世紀的大部分時間，電力公司的抄表員通過挨家挨戶查看電表的機電式計數器來記錄用電量。再到辦公室將記錄的電表讀數輸入到電力公司的用戶收費記錄中。如今，隨著技術的進步，這種勞動密集型的人工抄表操作已經逐步被自動抄表(AMR)系統(tǒng)所取代。

在20世紀90年代早期的AMR市場，電力公司認識到AMR的商業(yè)價值，因為減少抄表的員工數量可節(jié)省費用支出。那時，電力公司只需要每月對居民/工業(yè)用戶進行一次抄表，因此早期的AMR系統(tǒng)采用近距離方案，仍然需要去電表現場抄表。數據流是單向的：從電表到電力公司工作人員持有的抄表器終端。 

如今，對AMR的要求已經遠遠超出了節(jié)省抄表成本這一點?，F在，電力公司為了更有效地管理他們的資源，正在尋求能在電表與家庭辦公室之間提供即時雙向通信的技術方案。這正是AMR備受歡迎的原因。AMR在用戶關系管理(CRM)和避免收入損失方面具有新的優(yōu)勢，AMR的電子式質詢-響應能力能實現這些優(yōu)勢。

電力線通信實現AMR

為滿足當今AMR的通信需要，電力公司正在尋求電力線通信(PLC)技術。PLC是一種通過電力線傳輸數據(音頻、視頻、控制信號等)的工業(yè)標準  
方法。由于PLC具有以下技術特點，所以電力公司對其很感興趣： 

降低基礎設施成本。PLC系統(tǒng)依靠現有的電力線，不需要構建新的網絡基礎設施。 

對邊遠地區(qū)的覆蓋面比RF方案更廣。 

可由管理中心實現全面控制，降低管理總成本。

防止收入損失。PLC可遠程監(jiān)控，并檢測電表篡改行為。這有助于控制損失(即防竊電)，以及在系統(tǒng)出現故障或崩潰時進行維護。 

可以集成各種不同服務和實現“智能”家電控制。 

能遠程監(jiān)視其它傳感器(火災、溫度、入口、出口等)。 

記錄每日的用電量，縮短“抄表到收費”的時間，以改善財務收入狀況。

預付費和繳費帳戶自動管理。 

實現按使用付費方案。 

Maxim的PLC/AMR參考設計

Maxim公司提供自動PLC/AMR方案，從應用角度看，這是一種類似常見的以太網的組網方法。本參考設計基于正交頻分復用(OFDM)技術，可實現高可靠性、最大傳輸速率為14Mbps的數據傳輸。

對于OFDM系統(tǒng)來說，電表監(jiān)視系統(tǒng)(AMR)的要求相對比較容易滿足。每月一次，必須傳輸幾十到幾百字節(jié)的AMR消息。其余大部分時間，通信通道都是閑置的。因此，數據速率和數據響應時間都不是AMR系統(tǒng)中特別重要的因素。相反，可靠性和堅固的網絡至關重要，事實證明，OFDM是克服AC線路固有噪聲大這一缺點的最佳方案。

在Maxim參考設計中，MAXQ3120電量測量微控制器通過異步串行鏈路以1200bps的數據速率與MAX2986 PLC基帶芯片通信。對MAX2986的固件稍加改動，即可通過其內部UART進行通信，并識別符合DL/T645電表協(xié)議的幀格式。

該參考設計必須解決的一個問題是MAC層地址和DL/T645網絡地址之間的關系問題。由于DL/T645不具有解析MAC層地址的機制(IP棧中ARP具有該功能)，所以有兩種應對方案：讓主機跟蹤網絡和每一個電表的MAC標識，或者使MAC地址和網絡地址之間具有某種固定的關系。本參考設計采用后一種方法。

在本設計中，網絡地址區(qū)域為空白的電表會質詢相關的PLC芯片組，要求為其分配地址。作為回應，PLC芯片組將MAC地址本身作為有效載荷，發(fā)送一個標準的DL/T645地址設置消息。這樣，可保證每個電表都有唯一的網絡地址(只要MAC地址也唯一)。注意，這是電表芯片(MAXQ3120)唯一一次主動發(fā)送消息。

通信按下列步驟進行： 

主機PC產生一個請求，并將該請求發(fā)送至外部PLC Modem。 
PLC Modem分析該請求，并將DL/T645消息頭中的電表地址轉換為以太網MAC。 
附有新MAC的以太網信息包通過電力線被發(fā)送出去。 

電表接收信息包，并確定消息是發(fā)給自己的。并存儲源MAC地址，以備在響應包中使用。 

PLC MAC提取有效載荷，并將它發(fā)送給MAXQ3120。 

MAXQ3120響應請求，將一個信息包送回PLC MAC芯片。 
 
MAC控制器構建并發(fā)送以太網信息包，用所存儲的請求包源地址作為響應包的目的地址。 

主機PLC Modem接收響應包，提取有效載荷，然后將其發(fā)送給主機PC。 
采用該方法，PLC/AMR電表整合了PLC協(xié)議和DL/T645協(xié)議。這種方案避免了必須在電表中同時建立網絡層地址和MAC地址的限制。