基于230MHz微网的通信系统及其组网方法与流程

本发明涉及微网的通信领域，尤其涉及基于230mhz微网的通信系统及其组网方法。

背景技术：

当前电力物联网应用的微网通信仓，组网方式一般采用星型网络，存在覆盖范围小，网络健壮性差的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于230mhz微网的通信系统及其组网方法，以达到提高网络健壮性和覆盖范围的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

基于230mhz微网的通信系统，包括通信仓，所述的通信仓包括壳体、天线模块、设于壳体中的主控单元、电源模块、通信模块、业务采集接口电路和安全芯片模块；其中：

主控单元：用于路由寻址、数据收发、转发、网管策略控制、ase空口加密，其包括用于存储的存储器、计算处理模块、接口模块、组网模块、转发模块、路由池模块；

通信模块：与主控单元相连，基于微网通信模组，连接无线中继器或其它通信仓，实现数据接收、发送；同时通信模块还具有网络互连的功能，可作为其他通信仓多跳通信的路由节点，以较低的发射功率获得同样的无线覆盖范围；

天线模块：与通信模块相连，其基于耦合方式，和230mhz电力无线专网实现通信；

业务采集接口电路：与主控单元相连，提供通用硬件指令接口，多种业务终端通过该接口，实现数据通信；业务终端包括智能电表、充电桩、水表；

安全芯片模块：与主控单元相连，将主控单元发送的信息进行业务层加密；

电源模块：与主控单元、载波模块、通信模块、安全芯片相连，为主控单元、载波模块、通信模块、安全芯片供给低压直流电源；

一业务终端集成通信仓形成一节点，电网230mhz微网基于mesh组网，网络中节点互相连接，节点之间形成一个整体的网络；无线mesh网中中心节点发现和维护路由连接，消除单点故障对业务的影响，通过提供冗余路径，提高网络健壮性，以使节点间的级联通信使得覆盖更广。

作为优选技术手段：设于电能表上的通信仓还包括

载波模块：与主控单元相连，用于接收变压器侧台区相位发送装置的通信数据，并将数据传输给主控单元；当载波模块收到主控单元发送的状态激活命令后，从休眠状态切换为工作状态，载波模块开始接收变压器侧台区相位发送装置的通信数据，并将数据传输给主控单元；当载波模块收到主控单元发送的休眠命令后，进入休眠状态；

所述的主控单元包括采集模块、台区识别模块、停复电上报模块；采集模块用于当收到业务主站发送的数据采集命令后，通过业务采集接口获取用采信息，并将用采信息发送到密芯片进行数据加密，经加密后的用采信息发送至通信模块；台区识别模块用于设备上电后，检测当前台区信息，并控制载波模块进入工作状态，让载波模块接收变压器侧台区相位发送装置的台区相位信息数据，当收到数据后进行完整性确认并和原存储的数据进行比对，当存在差异时，将当前台区相位信息进行本地存储并发送到加密芯片进行数据加密，经加密后的台区信息发送至通信模块，然后控制载波模块进入休眠状态；停复电上报模块，用于当检测到电网停复电信息后，将停复电信息发送到加密芯片进行数据加密，经加密后的停复电信息发送至通信模块。

本技术方案通过230mhz微网实现本地自组网通信，当一个子节点通信故障时，其他节点能够自动实现重选路由，保证其他节点正常通信。

台区相位识别区别于现有双向载波通信模式，采用载波通信与无线专网相结合的环形识别技术，单向载波通信降低载波干扰，提高数据识别率；载波通信完成后模块进入休眠状态，减少能耗，降低线损。

作为优选技术手段：所述的通信模块为可插拔式通信模组，以通过更换通信模组的方式以适应不同制式，通信模组基于230mhz实现本地自组网通信，以接入支持230mhz微网的无线中继器和集中器。制式可为iot-g230和lte-g230制式。该通信仓通过可插拔通信模组，以兼容iot-g230和lte-g230制式，提高通用性。基于230mhz微网系统具有自动组网、网状结构，该微网系统相对于lora，具有网络强壮，组网范围广等优点。

作为优选技术手段：电源模块包括12v电源子模块和后备电源子模块；在正常时，由12v电源子模块进行供电；当断电时，由后备电源子模块进行暂时供电以实现短时间断电事件上报，所述的后备电源子模块包括多个串联电容。通信仓内置后备电源，当停电时，实现短时间断电事件上报功能。

作为优选技术手段：所述的壳体上设有数据接口、12v电源接口、220v电力线接口；所述的数据接口通过业务采集接口电路与主控单元相连，以将电表数据传送给主控单元；所述的12v电源接口与电源模块相连以进行供电；所述的220v电力线接口与载波模块相连，以获得变压器侧台区相位发送装置发送的信息。

作为优选技术手段：所述的壳体呈方形，其包括上壳体及下壳体，所述的壳体内设有第一pcb板、第二pcb板、第三pcb板，所述的第一pcb板、第二pcb板、第三pcb板以下、中、上的位置进行叠置，所述的第一pcb板上设有载波模块、电源模块；所述的第二pcb板上设有主控单元、安全芯片模块；所述的第三pcb板上设有通信模块；壳体的内壁设有与通信模块相连的金属片；所述的第三pcb板以插接的方式设在第二pcb板上；或第三pcb板固接在第二pcb板上，第二pcb板以插接的方式设在第一pcb板上；所述的第三pcb板、第二pcb板尺寸小于第一pcb板。第一pcb板、第二pcb板、第三pcb板叠置，充分利用空间，在不增加壳体内腔的基础上，实现多功能的集成。第一pcb板、第二pcb板、第三pcb板之间可通过插针进行定位、通讯，可靠性高，结构紧凑。方便第三pcb板的更换，降低成本，使用灵活。

本发明的另一个目的是提供一种基于230mhz微网的通信系统的组网方法，其包括以下步骤：

1）由待入网的节点发起组网请求；

2）待入网节点全频段广播组网帧；

3）已入网的节点收到广播组网帧后，将广播组网帧发送给中心节点；

4）中心节点判断帧数据是否为本网络；若是进入步骤5），若否进入步骤6）

5）中心节点返回入网许可帧给收到节点广播组网帧的节点；

6）节点收到入网许可帧后，将入网许可帧发送给待入网节点；

7）待入网节点入网成功并结束；

8）中心节点返回入网拒绝帧给收到节点广播组网帧的节点；

9）节点收到入网拒绝帧后，将入网请求失败帧发送给待入网节点；

10）待入网节点入网失败并结束。

无线mesh网中中心节点能自动发现和维护路由连接，消除单点故障对业务的影响，提供冗余路径，提高网络健壮性，节点间的级联通信使得覆盖更广。

作为优选技术手段：数据转发包括步骤，

a)第一节点发送数据帧t1；

b)第二节点接收到数据帧t1后，将ack帧与转发帧合并，并发送；

c)判断第一节点是否收到ack帧，若是则认为第一节点确认发送完成，并结束；若否，则返回步骤a)；

d)当第三节点收到数据帧t1,向第二节点返回ack帧；

e)判断第二节点是否收到ack帧；若是，则第二节点确认转发完成，并结束；若第二节点没收到ack帧，则返回至步骤b)。

增加网络利用率，ack帧与转发帧相结合，实现更简洁的转发流程。2帧传输改为1帧传输

作为优选技术手段：每一节点中保存该节点到中心节点的所有路由信息；中心节点保存具有该网络下当前所有节点路由信息；

当一节点发起数据传输时，在路由池中选择一条最短的传输路径进行传输，并指定数据传输路径，中心节点收到数据后，回复传输完成帧给该节点；该节点收到后完成一次数据传输；

如果传输失败，该节点尝试多次相同路径数据传输，如果传输失败，该节点将更换路由池中剩下的最简路径进行数据传输；完成后，该节点告知中心节点新的路由信息，以更新自身以及中心节点的路由池信息；

如果该节点在路由池中所有传输路径都尝试完，依然无法通信，该节点发起更新路由器信息的请求，如果中心节点可以收到信息并更新路由池，则该节点将按照新的路由池信息重复以上步骤发送数据，如果无法连接到中心节点，则该节点进入掉线状态，每隔一段时间发起入网申请，直到入网成功；

整个通信网在网络空闲时会由中心节点发起网络拓扑更新命令，网络下的每个节点依次进行数据通信，更新网络路由表，维护网络链接。

作为优选技术手段：根据路由跳转次数，对网络进行分层，自组网采用分层校时，校时信号不经过转发，只对直接接收的节点产生作用；校时信息采用双向握手确认机制，确保每个节点同步。考虑到每个节点模块对数据接收、处理、转发、及因为没有收到信号需要重发产生的延时，采用网络分层的方式，提高网络同步性。

有益效果：

一、将频率调整到230mhz电力专有频段，通过组网子模块，路由池子模块，转发子模块等配合实现网状自组网。

二、为提高自组网网络通信速率，降低网络延时，提高网络传输质量，网络校时采用分层校时法，该方法对不同传输层级的模块分开校时，校时采用握手双向通信，保证网络时钟信号同步性。

三、动态长度地址：动态长度地址是电能表全局唯一地址。2019年之前采用645协议，地址定长6字节，2019年之后采用698协议，地址动态长度（动态长度地址定义：先由1位字节表示地址长度，根据该长度读取当前电表地址，电表地址长度区间1-16位）。由于实际环境中存在老、新电表同时运行情况，统一采用动态长度地址标识电能表唯一地址，适配645和698协议，实现兼容。

四、中继地址：中继地址是为电能表本地通信组网后分配的标识，在本地组网范围内唯一，长度2字节，既最大25535，用于本地通信。相比动态长度地址2-17字节，采用2位定长字节的中继地址，节省了网络带宽，提高了传输效率。

五、节点模块主动入网：节点模块可以对网关发起入网申请，优化入网规则，提高网络传输效率。

六、优化数据传输帧结构，ack帧与部分业务帧合并传输，减少网络冗余，提高网络资源利用率。

七、优化dsr路由算法，优化重传路径选择算法，提高重传数据的网络资源利用率。

九、通信仓基于230mhz实现本地自组网通信，可接入支持230mhz微网的无线中继器和集中器。

十、台区相位识别区别于现有双向载波通信模式，采用载波通信与无线专网相结合的环形识别技术，单向载波通信降低载波干扰，提高数据识别率；载波通信完成后模块进入休眠状态，减少能耗，降低线损。

十一、通信仓内置后备电源，当停电时，实现短时间断电事件上报功能。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明的通信仓结构框图。

图3是本发明的用于电表的通信仓结构示意图。

图4a是本发明的组网的第一实例的拓扑图。

图4b是本发明的组网的第一实例的流程图。

图5a是本发明的数据转发拓扑图。

图5b是本发明的数据转发流程图。

图6是本发明的路由池图。

图7是本发明的分层校时图。

图中：1、壳体；101、上壳体；102、下壳体；2、第一pcb板；3、第二pcb板；4、第三pcb板；5、电容。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1、2所示，本发明的基于230mhz微网的通信系统，包括通信仓，所述的通信仓包括壳体、天线模块、设于壳体中的主控单元、电源模块、通信模块、业务采集接口电路和安全芯片模块；其中：

主控单元：用于路由寻址、数据收发、转发、网管策略控制、ase空口加密，其包括用于存储的存储器、计算处理模块、接口模块、组网模块、转发模块、路由池模块；

通信模块：与主控单元相连，基于微网通信模组，连接无线中继器或其它通信仓，实现数据接收、发送；同时通信模块还具有网络互连的功能，可作为其他通信仓多跳通信的路由节点，以较低的发射功率获得同样的无线覆盖范围；

天线模块：与通信模块相连，其基于耦合方式，和230mhz电力无线专网实现通信；

业务采集接口电路：与主控单元相连，提供通用硬件指令接口，多种业务终端通过该接口，集成微网通信仓，实现数据通信；业务终端包括智能电表、充电桩、水表；

安全芯片模块：与主控单元相连，将主控单元发送的信息进行业务层加密；

电源模块：与主控单元、载波模块、通信模块、安全芯片相连，为主控单元、载波模块、通信模块、安全芯片供给低压直流电源；

一业务终端设一通信仓形成一节点，电网230mhz微网基于mesh组网，网络中节点互相连接，节点之间形成一个整体的网络；无线mesh网中中心节点发现和维护路由连接，消除单点故障对业务的影响，通过提供冗余路径，提高网络健壮性，以使节点间的级联通信使得覆盖更广。

如图3所示，为适应电能表业务终端，设于电能表上的通信仓还包括

载波模块：与主控单元相连，用于接收变压器侧台区相位发送装置的通信数据，并将数据传输给主控单元；当载波模块收到主控单元发送的状态激活命令后，从休眠状态切换为工作状态，载波模块开始接收变压器侧台区相位发送装置的通信数据，并将数据传输给主控单元；当载波模块收到主控单元发送的休眠命令后，进入休眠状态；

所述的主控单元包括采集模块、台区识别模块、停复电上报模块；采集模块用于当收到业务主站发送的数据采集命令后，通过业务采集接口获取用采信息，并将用采信息发送到密芯片进行数据加密，经加密后的用采信息发送至通信模块；台区识别模块用于设备上电后，检测当前台区信息，并控制载波模块进入工作状态，让载波模块接收变压器侧台区相位发送装置的台区相位信息数据，当收到数据后进行完整性确认并和原存储的数据进行比对，当存在差异时，将当前台区相位信息进行本地存储并发送到加密芯片进行数据加密，经加密后的台区信息发送至通信模块，然后控制载波模块进入休眠状态；停复电上报模块，用于当检测到电网停复电信息后，将停复电信息发送到加密芯片进行数据加密，经加密后的停复电信息发送至通信模块。

基于230mhz微网系统具有自动组网、网状结构，该微网系统相对于lora，具有网络强壮，组网范围广等优点。

台区相位识别区别于现有双向载波通信模式，采用载波通信与无线专网相结合的环形识别技术，单向载波通信降低载波干扰，提高数据识别率；载波通信完成后模块进入休眠状态，减少能耗，降低线损。

该通信仓基于230mhz实现本地自组网通信，可接入支持230mhz微网的无线中继器和集中器。

为实现短时间断电事件的上报，电源模块包括12v电源子模块和后备电源子模块；在正常时，由12v电源子模块进行供电；当断电时，由后备电源子模块进行暂时供电以实现短时间断电事件上报，该后备电源子模块包括多个串联电容5。通信仓内置后备电源，当停电时，实现短时间断电事件上报功能。

为方便、可靠地与电能表连接，该壳体1上设有数据接口、12v电源接口、220v电力线接口；该数据接口通过业务采集接口电路与主控单元相连，以将电表数据传送给主控单元；该12v电源接口与电源模块相连以进行供电；该220v电力线接口与载波模块相连，以获得变压器侧台区相位发送装置发送的信息。

为实现多模块的集成安装，该壳体1呈方形，并在壳体1上设有方便取放的缺口以作为手持部，壳体1包括上壳体101及下壳体102，该壳体1内设有第一pcb板2、第二pcb板3、第三pcb板4，该第一pcb板2、第二pcb板3、第三pcb板4以下、中、上的位置进行叠置，该第一pcb板2上设有载波模块、电源模块；该第二pcb板3上设有主控单元、安全芯片模块；该第三pcb板4上设有通信模块；壳体1的内壁设有与通信模块相连的金属片。第一pcb板2、第二pcb板3、第三pcb板4叠置，充分利用空间，在不增加壳体1内腔的基础上，实现多功能的集成。第一pcb板2、第二pcb板3、第三pcb板4之间可通过插针进行定位、通讯，可靠性高，结构紧凑。

为提高使用的灵活性，并降低成本。该第三pcb板4以插接的方式设在第二pcb板3上；或第三pcb板4固接在第二pcb板3上，第二pcb板3以插接的方式设在第一pcb板2上。方便第三pcb板4的更换，降低成本，使用灵活。

该第三pcb板4、第二pcb板3尺寸小于第一pcb板2。有效实现多板的上下叠置，并有效避开手持部。

为充分利用有限的空间，第一pcb板2一角设有5个电容5，5个电容5分二排设置，3个电容5位于外侧，2个电容5位于3个电容5的内侧，该电容5为2.7v2f电容5；该第三pcb板4、第二pcb板3位于电容5的一侧以避开电容5。充分利用空间，多个电容5串联构成后备电源的重要组成部分，5个电容5充分利用空间。若单个电容5容量大，则体积大，会出现装配不下等问题，在保证电容5量的前提下，若单个电容5量小，则需要大于5个的电，也会出现占用pcb板面板过大，导致其他模块不能设置的问题。

为提高工作的可靠性，避免干扰，该第一pcb板2上设有数据接口、12v电源接口、220v电力线接口；该第一pcb板2上开设隔槽，以隔离强电和弱电。

为实现多数据的采集，并减少相互的干扰，该第一pcb板2还设有过零检测电路，该载波模块包括：载波耦合电路、载波接收滤波电路、载波调制解调芯片及载波发送电路；设载波耦合电路处的第一pcb板2上设有隔槽。强电基本设在第一pcb板2上，与位于第三pcb板4的通讯模块相隔，有利于提高工作的稳定性。

本发明的另一个目的是提供一种基于230mhz微网的通信系统的组网方法，其包括以下步骤：

1）由待入网的节点发起组网请求；

2）待入网节点全频段广播组网帧；

3）已入网的节点收到广播组网帧后，将广播组网帧发送给中心节点；

4）中心节点判断帧数据是否为本网络；若是进入步骤5，若否进入步骤6

5）中心节点返回入网许可帧给收到节点广播组网帧的节点；

6）节点收到入网许可帧后，将入网许可帧发送给待入网节点；

7）待入网节点入网成功并结束；

8）中心节点返回入网拒绝帧给收到节点广播组网帧的节点；

9）节点收到入网拒绝帧后，将入网请求失败帧发送给待入网节点；

10）待入网节点入网失败并结束。

无线mesh网中中心节点能自动发现和维护路由连接，消除单点故障对业务的影响，提供冗余路径，提高网络健壮性，节点间的级联通信使得覆盖更广。

以图4a的拓扑图为例，其流程如图4b所示：

1.节点4全频段广播入网请求，入网请求被节点3，节点2监听到。

2.节点3将入网请求转发给节点1。

3.节点1将入网请求转发给中心节点；节点2将入网请求转发给中心节点。

4.中心节点判断节点4的入网请求是否合法。

5.如果合法，中心节点通知节点1同意入网，中心节点通知节点2同意入网。

6.中心节点1通知节点3同意入网。

7.节点3通知节点4入网成功，并保存节点4→节点3→节点1→中心节点的路由；节点2通知节点4入网成功，并保存节点4→节点2→中心节点的路由。

8.节点4入网成功。

如图5a所示的数据转发拓扑图，数据转发流程如图5b所示，数据转发包括步骤，

a)第一节点发送数据帧t1；

b)第二节点接收到数据帧t1后，将ack帧与转发帧合并，并发送；

c)判断第一节点是否收到ack帧，若是则认为第一节点确认发送完成，并结束；若否，则返回步骤a)；

d)当第三节点收到数据帧t1,向第二节点返回ack帧；

e)判断第二节点是否收到ack帧；若是，则第二节点确认转发完成，并结束；若第二节点没收到ack帧，则返回至步骤b)。

增加网络利用率，ack帧与转发帧相结合，实现更简洁的转发流程。2帧传输改为1帧传输。

为实现自动组网，每一节点中保存该节点到中心节点的所有路由信息；中心节点保存具有该网络下当前所有节点路由信息；

当一节点发起数据传输时，在路由池中选择一条最短的传输路径进行传输，并指定数据传输路径，中心节点收到数据后，回复传输完成帧给该节点；该节点收到后完成一次数据传输；

如果传输失败，该节点尝试多次相同路径数据传输，如果传输失败，该节点将更换路由池中剩下的最简路径进行数据传输；完成后，该节点告知中心节点新的路由信息，以更新自身以及中心节点的路由池信息；

如果该节点在路由池中所有传输路径都尝试完，依然无法通信，该节点发起更新路由器信息的请求，如果中心节点可以收到信息并更新路由池，则该节点将按照新的路由池信息重复以上步骤发送数据，如果无法连接到中心节点，则该节点进入掉线状态，每隔一段时间发起入网申请，直到入网成功；

整个通信网在网络空闲时会由中心节点发起网络拓扑更新命令，网络下的每个节点依次进行数据通信，更新网络路由表，维护网络链接。

如图6所示的路由池图，路由池在每个节点内部都有,中心节点具有该网络下当前所有节点路由信息

中心节点↔节点1、中心节点↔节点2、中心节点↔节点2↔节点1、中心节点↔节点1↔节点2、中心节点↔节点1↔节点3、中心节点↔节点2↔节点1↔节点3、中心节点↔节点1↔节点4↔节点3、中心节点↔节点1↔节点2↔节点4↔节点3、中心节点↔节点2↔节点4↔节点3、中心节点↔节点1↔节点4、中心节点↔节点1↔节点3↔节点4、中心节点↔节点1↔节点2↔节点4、中心节点↔节点2↔节点4。

每个子节点保存该节点到中心节点的路由表，以节点3为例

节点3↔节点1↔中心节点、节点3↔节点4↔节点1↔中心节点、节点3↔节点4↔节点2↔中心节点、节点3↔节点4↔节点2↔节点1↔中心节点、节点3↔节点1↔节点2↔中心节点。

节点4与中心节点通信，如上图所示，节点4发起数据传输时，会自动选择一条最短的传输路径进行传输，并指定数据传输路径为节点4→节点1→中心节点。中心节点收到数据后，回复传输完成帧给节点4,。节点4收到后完成一次数据传输。

如果传输失败，节点4会尝试3次相同路径数据传输，如果传输失败，节点4将更换路由池中省下的最简路径进行数据传输。完成后，节点4告知中心节点新的路由信息，以更新自身以及中心节点的路由池信息。

如果在路由池中所有传输路径都尝试完，依然无法通信，节点4将发起更新路由器信息的请求，如果中心节点可以收到信息并更新路由池，节点4将按照新的路由池信息重复以上步骤发送数据，如果无法连接到中心节点，节点4进入掉线状态，没每隔一段时间具体时间软件设定发起入网申请，直到入网成功。

如图7所示，为提高网络的同步性，根据路由跳转次数，对网络进行分层，考虑到每个节点模块对数据接收、处理、转发、甚至因为没有收到信号需要重发产生的延时，如果对网络中所有节点都采用同一校时信号，网络同步性无法保证，为了提高网络同步性，本项目自组网采用分层校时，校时信号不经过转发，只对直接接收的节点产生作用。校时信息采用双向握手确认机制，确保每个节点同步。

以上图所示的基于230mhz微网的通信系统及其组网方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。