CN207976991U - 一种高速4g集中器通信模块和用电信息采集*** - Google Patents
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Abstract
一种高速4G集中器通信模块，以及包含有上述通信模块的用电信息采集***，上述通信模块包括：主控MCU芯片、4G芯片和FLASH芯片，还可包括NFC芯片；所述主控MCU芯片通过以太网口与集中器通信连接。本实用新型的通信模块在现有技术规范限制下和不改变集中器软硬件接口前提下，通过以太网口与集中器连接，打破了传统采用串口的通信方式，大大提高了通信模块的通信速率，达到传统速率的20‑60倍。同时，该通信模块可兼容市场现有十几家集中器。用户仅需换上通信模块，即可实现对集中器的4G网络升级改造功能，既简化了4G网络升级改造工作，又大大提高了集中器通信速率。
Description
技术领域
本实用新型涉及用电信息采集领域，具体涉及一种高速4G集中器通信模块和用电信息采集***。
背景技术
目前，国网集中器技术规范中集中器与上行通信模块之间的通信方式为串口通信，集中器传统上行通信模块与远程主站之间通过GPRS移动网络连接，串口的通信速率极限115Kbps，与GPRS的通信速率极限114Kbps相当，但实际应用中由于GPRS网络不稳定性，通信速率大约在30Kbps左右。随着4G网络的快速发展，出现了4G通信模块，依旧通过串口与集中器连接，虽然4G网络速率可达100Mbps，但由于串口通信速率的限制，实际应用中的通信速率在100Kbps左右。4G通信模块的通信速率虽然比GPRS通信模块的通信速率有所提升，但随着电网智能化和数字化的快速发展，电网需要的集中器数据密度越来越小、数据项越来越多，集中器与远程主站通信的数据量就越来越大，普通4G集中器通信模块与集中器之间的串口通信方式已经成为提升集中器上行通信速率的瓶颈。
实用新型内容
基于上述问题，本实用新型提供一种高速4G集中器通信模块，内嵌高性能低功耗微处理器(MCU)，在现有技术规范限制下和不改变集中器软硬件接口前提下，通过以太网口与集中器连接，采用高速4G集中器通信模块模拟远程主站服务器、集中器客户端的设计思路，打破了普通4G集中器通信模块与集中器之间串口通信速率的瓶颈，极大的提高了集中器上行通信速率。
为解决上述问题，本实用新型的第一方面提供了一种高速4G集中器通信模块，包括：主控MCU芯片、4G芯片和FLASH芯片；所述主控MCU芯片用于控制通信模块的工作流程，协调其它芯片工作；所述4G芯片用于实现所述通信模块到远程主站的无线公网连接；所述FLASH芯片用于存储集中器参数、通信模块的通信参数和规约转换参数；所述主控MCU芯片通过USB接口与4G芯片连接，通过SPI总线与FLASH芯片连接；所述主控MCU芯片通过以太网口与集中器通信连接。
进一步地，还包括NFC芯片；所述NFC芯片配合预装维护软件的NFC移动设备完成模块参数配置，使得所述高速4G集中器通信模块通过NFC技术进行参数配置。
进一步地，所述主控MCU芯片通过USB接口与4G芯片连接，通过SPI总线与FLASH芯片连接，通过I2C总线与NFC芯片连接。
进一步地，所述4G芯片为4G-LTE网络芯片；所述主控MCU芯片与4G-LTE网络芯片的连接方式选择为以下任一种：USB2.0、PCIE、USB3.0、基于光纤的高速串行总线AFDX、FC的通信方式等。
进一步地，所述高速4G集中器通信模块，在10Mbps带宽网络条件下除去传输和规约处理等速率损耗，通信速率可达2-6Mbps。
本实用新型的另一方面提供了一种用电信息采集***，包括集中器、远程主站和如前面所述的高速4G集中器通信模块，所述通信模块与集中器通过以太网口进行通信连接，与远程主站通过移动网络进行通信连接。
综上所述，本实用新型提供了一种高速4G集中器通信模块以及包含有上述通信模块的用电信息采集***，主要在于在现有技术规范的限制下和不改变集中器软硬件接口的前提下，采用以太网口代替现有的串口进行集中器与4G通信模块之间的连接。
本实用新型的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)打破传统集中器标准接口(串口)的通信方式，采用4G集中器通信模块模拟主站服务器、集中器客户端的设计思路，打破了普通4G通信模块与集中器之间串口通信速率的瓶颈，可达普通4G集中器通信模块(115Kbps)通信速率的20-60倍。
(2)同时，高速4G模块规避了不同厂家集中器通过串口指导普通4G集中器通信模块上网的时序差异和指令交互差异，可兼容市场现有十几家集中器。用户仅需换上本实用新型所述通信模块，即可实现对集中器的4G网络升级改造功能，既简化了4G网络升级改造工作，又大大提高了集中器与远程主站通信速率。
附图说明
图1是现有技术中普通4G集中器通信模块***框图；
图2是本实用新型的高速4G集中器通信模块***框图；
图3是本实用新型的高速4G集中器通信模块通信流程图；
图4是本实用新型的高速4G集中器通信模块数据流图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
如图1所示，普通4G通信模块仅包含4G芯片。4G芯片与集中器通过串口方式连接，通信速率最高115Kbps，4G芯片与远程主站之间的移动网络速率可达100Mbps。由于串口通信速率的限制，集中器与远程主站之间的速率最高只能达到115Kbps，不能体现4G网络的优势。
为提高集中器与远程主站的通信速率，本实用新型提供了一种高速4G集中器通信模块，包括主控MCU芯片、4G芯片、FLASH芯片。主控MCU芯片控制模块整个工作流程，协调其它芯片工作，实现376.1规约和DLT698.45规约(面向对象的数据交换协议)的相互转换。4G芯片用来实现模块到远程主站的无线公网连接，该4G芯片采用全网通4G无线通信方案，支持移动、联通、电信的4G通信并兼容3G、2G通信，覆盖现有七种制式。FLASH芯片用于存储集中器参数、模块通信参数、规约转换参数等。如图2所示，本实用新型的高速4G集中器通信模块还包括NFC芯片。NFC芯片配合预装维护软件的NFC手机使用完成模块参数配置。所述高速4G集中器通信模块通过NFC技术进行参数配置，模块收到NFC移动设备下发的参数配置命令后，将参数存储至FLASH芯片，供模块通信使用。
主控MCU芯片通过以太网与集中器连接，通过USB口与4G芯片连接，通过SPI总线与FLASH芯片连接，通过I2C总线NFC芯片连接。主控MCU芯片与4G芯片的连接方式不限于USB2.0方式，随着技术发展还可以是PCIE、USB3.0以及基于光纤的高速串行总线AFDX、FC等通信方式。
主控MCU芯片与集中器之间通过以太网建立TCP/IP连接，集中器为客户端，主控MCU芯片为服务器，建立一组C/S连接。主控MCU芯片与4G芯片之间通过USB连接，主控MCU芯片启动后，在USB连接上创建一个QMI通道和一个USB网络适配器，配合4G芯片的QMI功能和网络功能。首先，主控MCU芯片通过QMI通道向4G芯片下发APN、用户名等一系列参数；然后主控MCU芯片调用一系列QMI服务引导4G芯片完成网络注册、登陆远程主站等上网流程，建立起4G芯片与远程主站之间的网络连接；此后USB网络适配器就绪，4G芯片被模拟成主控MCU芯片的一个虚拟网口，主控MCU芯片为客户端，远程主站为服务器，建立另一组C/S连接。以上连接建立完成后，主控MCU芯片一方面模拟远程主站服务器读取集中器客户端的数据，另一方面模拟集中器客户端响应远程主站服务器的数据请求，高速完成集中器与远程主站之间的数据交互。
上述数据传输的通信方法流程如图3所示，高速4G集中器通信模块上电后开始检测本地以太网口和虚拟网口状态，检测到两者状态正常，建立以太网口的TCP服务器等待集中器发起连接，待集中器的TCP客户端连接到以太网口的TCP服务器，模块便建立虚拟网口的TCP客户端，连接至远程主站服务器，此后模块等待集中器和远程主站发送数据。当模块收到远程主站发出的数据请求，解析出请求内容，通过规约转换将数据请求发送给集中器；当模块收到集中器发送的数据回复，通过规约转换将数据回复返回给远程主站。模块在建立TCP客户端连接远程主站、等待接收集中器和远程主站数据、向集中器或远程主站发送数据过程中，如果模块与集中器或远程主站的连接发生错误，模块会关闭与集中器和远程主站的连接，重新开始检测以太网口和虚拟网口的状态。
如图4所示，4G芯片通过移动网络接收到远程主站下发的数据请求后，通过虚拟网口将数据请求传输给主控MCU芯片，主控MCU芯片将数据请求经过缓存和规约转换等一系列处理后，模拟主站服务器通过以太网将数据请求传输给集中器客户端，本模块目前支持376.1规约和DLT698.45规约(面向对象的数据交换协议)之间的转换，还可做规约扩展；集中器客户端收到虚拟主站服务器的数据请求后将数据响应通过以太网发送至主控MCU芯片的虚拟主站服务器，主控MCU芯片将数据响应经过缓存和规约转换后，模拟集中器客户端将数据响应通过虚拟网口(USB与4G芯片组合成的网络适配器)和移动网络发送给远程主站服务器，完成一次远程主站与集中器间的数据交互。
表1
| 测试项 | 文件大小 | 传输时间 | 传输速率 |
| 2G通信模块 | 2542KB | 1000.8s | 20.31Kbps |
| 普通4G集中器通信模块 | 2542KB | 296.6s | 68.7Kbps |
| 高速4G集中器通信模块 | 2542KB | 9.6s | 2.11Mbps |
如表1所示，高速4G集中器通信模块主控MCU芯片与集中器之间的以太网连接通讯速率可达100Mbps，主控MCU芯片与4G芯片之间的虚拟网口(USB2.0)连接通讯速率可达240Mbps(理论传输速度为480Mbps，但实际传输速度一般不超过240Mbps),4G芯片与远程主站之间的移动网络连接通信速率可达到100Mbps。通过以上三种通信方式连接，高速4G通信模块与主站通信速率理论上可达100Mbps，在10Mbps带宽网络条件下除去传输和规约处理等速率损耗，所述高速4G集中器通信模块的传输速率一般可以达到2-6Mbps。而普通4G集中器通信模块通过串口连接集中器，极限速率仅为115Kbps。在网络带宽限速2Mbps的实验条件下，测得2G模块的通信速率为20.31Kbps,普通4G集中器通信模块的通信速率为68.7Kbps,高速4G集中器通信模块的通信速率为2.11Mbps。在相同测试环境下高速4G集中器通信模块的通信速率可达普通4G集中器通信模块的30倍，极大的提高了集中器与主远程主站的通信速率。
综上所述，本实用新型提供了一种高速4G集中器通信模块，包含有上述通信模块的用电信息采集***以及上述两者的通信方法，主要在于在现有技术规范的限制下和不改变集中器软硬件接口的前提下，采用以太网口代替现有的串口进行集中器与4G集中器通信模块之间的连接。本实用新型通过以太网、虚拟网口、移动网络连接集中器和远程主站，采用4G集中器通信模块模拟主站服务器、集中器客户端的设计思路，打破了普通4G集中器通信模块与集中器之间串口通信速率的瓶颈，可达普通4G集中器通信模块(115Kbps)通信速率的20-60倍。同时，高速4G集中器通信模块规避了不同厂家集中器通过串口指导4G芯片上网的时序差异和指令交互差异，可兼容市场上现有十几家集中器。用户仅需换上本实用新型所述通信模块，即可实现对集中器的4G网络升级改造功能，既简化了4G网络升级改造工作，又大大提高了集中器通信速率。
应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种高速4G集中器通信模块，其特征在于，包括：主控MCU芯片、4G芯片、FLASH芯片；
所述主控MCU芯片用于控制通信模块的工作流程，协调其它芯片工作；
所述4G芯片用于实现所述通信模块到远程主站的无线公网连接；
所述FLASH芯片用于存储集中器参数、通信模块的通信参数和规约转换参数；
所述主控MCU芯片通过USB接口与4G芯片连接，通过SPI总线与FLASH芯片连接；
所述主控MCU芯片通过以太网口与集中器通信连接。
2.根据权利要求1所述的高速4G集中器通信模块，其特征在于，还包括NFC芯片；所述NFC芯片配合预装维护软件的NFC移动设备完成模块参数配置，使得所述高速4G集中器通信模块通过NFC技术进行参数配置。
3.根据权利要求2所述的高速4G集中器通信模块，其特征在于，所述主控MCU芯片通过I2C总线与NFC芯片连接。
4.根据权利要求1所述的高速4G集中器通信模块，其特征在于，所述主控MCU芯片与4G芯片的连接方式选择为以下任一种：USB2.0、PCIE、USB3.0、基于光纤的高速串行总线AFDX、FC的通信方式。
5.根据权利要求1-4任一项所述的4G集中器通信模块，其特征在于，所述4G集中器通信模块，在10Mbps带宽网络条件下除去传输和规约处理的速率损耗，通信速率达2-6Mbps。
6.一种用电信息采集***，其特征在于，包括集中器、远程主站和如权利要求1-5任一项所述的高速4G集中器通信模块，所述通信模块与集中器通过以太网口进行通信连接，与远程主站通过移动网络进行通信连接，通过MCU把集中器的以太网通道转换到4G通道，实现集中器与远程主站的高速通信。
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