通過電力線通信(PLC/AMR)實現(xiàn)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(shù)器來記錄用電量。再到辦公室將記錄的電表讀數(shù)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(jīng)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(shù)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(xiàn)場抄表。數(shù)據(jù)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(jīng)遠遠超出了節(jié)省抄表成本這一點。現(xiàn)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(xiàn)這些優(yōu)勢。

電力線通信實現(xiàn)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(shù)據(jù)(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(xiàn)有的電力線，不需要構建新的網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)故障或崩潰時進行維護。 

可以集成各種不同服務和實現(xiàn)“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(xiàn)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(wǎng)的組網(wǎng)方法。本參考設計基于正交頻分復用(OFDM)技術，可實現(xiàn)高可靠性、最大傳輸速率為14Mbps的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡和每一個電表的MAC標識，或者使MAC地址和網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)MAC。 
附有新MAC的以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡層地址和MAC地址的限制。