一种北斗通信终端及集中器的制作方法

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种北斗通信终端及集中器。

背景技术：

集中器是集中抄表系统中关键设备，具备电力行业集中器型式规范“q/gdw1375.22013电力用户用电信息采集系统型式规范第2部分：集中器型式规范”，按集中器型式规范要求，集中器采用模块化设计，一般包括显示部分、本地通信模块和远程通信模块，显示部分固定，本地通信模块和远程通信模块均可以置换，本地通信模块和远程通信模块可以通过更换通信模块直接改变通信方式。集中器本地通信模块能够通过下行信道自动抄收并存储各种具有载波通信功能的通信终端(比如电表等)的电量数据，其下行信道可以是低压电力线载波(窄带载波、宽带载波等)、短距离无线及rs485等通信方式，因此，本地通信模块包括基于窄带载波通信的本地通信模块、基于宽带载波通信的本地通信模块、基于短距离无线通信的本地通信模块和基于rs485通信的本地通信模块；集中器远程通信模块能通过上行信道与主站进行数据交换，其上行信道采用共用通信网，支持无线公网(gsm、gprs、cdma等)、电话pstn、以太网、光纤等通信方式，因此远程通信模块包含基于gsm通信的远程通信模块、基于gprs通信的远程通信模块、基于cdma通信的远程通信模块、基于以太网通信的远程通信模块和基于光纤通信的远程通信模块等。远程通信模块采用gprs等公网无线网络，存在工程建设成本高、维护工作量大、网络使用费用高等缺点，远程通信模块采用gprs等公网无线网络，存在网络覆盖问题，不能有效解决广大农村及小城镇地区的电力计量问题，导致抄表成功率低。

目前电力市场上70％的客户地区不具备通信通道，不能通过传统通信通道搜集客户供电状态和用电量信息并上传到主站管理中心的智能用电信息采集系统，而基于rdss(radiodeterminationsatelliteservice，卫星无线电测定业务)的通信技术可以很好的解决这个问题。目前电力系统采用集中器来管理客户用电量和用电状态信息，通过集中器与用户终端电表连接，并将搜集的用户用电信息通过rdss发送给智能用电信息采集系统。

图1为现有外挂式rdss终端结构示意图，目前市场上采用外挂式rdss通信模块解决上述问题，集中器的远程通信模块通过网络将用户用电量等数据发送给外挂式rdss通信模块，由rdss通信模块通过rdss技术与上行主站进行数据交换。用于rdss技术的卫星信号覆盖面积广，无需铺设线缆，信号稳定，可以解决传统集中器远程通信模块直接与上行主站进行数据交换存在的问题。远程通信模块采用外挂式rdss终端，由于涉及到供电线缆、网络线缆及传输线缆等等连接，会造成电磁兼容技术问题，导致抄表成信号的干扰和不稳定。采用外挂式rdss终端来进行计量数据上传，也存在较多问题，比如集中器和外挂rdss终端之间的交互信号较多，相互之间干扰也比较大，电磁兼容难度大；外挂式rdss终端的功耗较大，不能直接采用集中器远程通信模块的接口电源，只能采用集中器输入的220v电源，这样存在用电安全问题，并造成对公共用电部分的能耗，造成电路数据部分失真。

现有北斗数块模块属于一种外挂式rdss终端，其能够实现rdss数据传输等，但如何实现北斗信号在集中器上的应用，以及一种低功耗嵌入式北斗通信模块目前还有待进一步深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述的问题，提供一种北斗通信终端和模块及集中器，采用北斗数据链路实现低功耗远程数据传输。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种北斗通信终端，包括可嵌入在集中器的嵌入式北斗通信模块以及外接天线，所述嵌入式北斗通信模块和外接天线之间通过一根射频同轴电缆连接。

所述嵌入式北斗通信模块包括rdss收发电路单元、宽带合路单元、mcu控制电路单元和电源处理单元，其中：

所述rdss收发电路单元的信号端连接着mcu控制电路单元的信号端和所述宽带合路单元的信号端，所述rdss收发电路单元的电源端与电源处理单元连接；

所述mcu控制电路单元的电源端与电源处理单元连接；

所述宽带合路单元对所述rdss收发电路单元中的收发信号进行合路，通过一根射频同轴电缆和外接天线连接。

所述嵌入式北斗通信模块还包括rnss接收电路单元，其中：

所述rnss接收单元的信号端连接着mcu控制电路单元的信号端和宽带合路单元的信号端，所述rnss接收单元的电源端与电源处理单元连接；

所述宽带合路单元对所述rdss收发电路单元和rnss接收电路单元进行信号合路，通过一根射频同轴电缆和外接天线连接。

所述rdss收发电路单元与mcu控制电路单元之间通过uart串口进行通信，串口协议满足rdssv2.1协议和4.0协议要求；和或

所述rnss接收电路单元与mcu控制电路单元之间通过uart串口进行通信，串口协议满足nmea-0183协议要求。

所述电源处理单元包括电源保护及限流电路、储能电路以及电源转换电路，所述电源保护及限流电路连接着储能电路，所述储能电路连接着电源转换电路。

所述外接天线包括：天线宽带合路单元、天线rdss接收电路单元、rdss接收天线、天线rdss发射电路单元以及rdss发射天线；天线rdss接收电路单元和天线rdss发射电路单元经过天线宽带合路单元进行合路后通过射频同轴电缆与通信模块连接，所述天线rdss接收电路单元连接着rdss接收天线，所述天线rdss发射电路单元连接着rdss发射天线。

所述外接天线还包括：天线rnss接收电路单元、rnss接收天线和天线电源处理单元，所述天线rnss接收电路单元连接着rnss接收天线，所述天线电源处理单元从所述射频同轴电缆对有源天线供电；其中：

天线rnss接收电路单元、天线rdss接收电路单元、天线rdss发射电路单元经过天线宽带合路单元进行合路后通过射频同轴电缆与通信模块连接。

所述外接天线为有源天线或者无源天线，所述有源天线基于所述射频同轴电缆获取电源。

相应的，本发明还提供了一种集中器，包括显示模块、本地通信模块以及北斗通信终端，所述北斗通信终端的嵌入式北斗通信模块安装在集中器上，所述通信终端的嵌入式北斗通信模块通过集中器的远程通信模块接口与集中器连接。

所述嵌入式北斗通信模块通过内嵌、卡扣连接、粘贴或紧固连接的方式固定在所述集中器的所述远程通信模块接口上。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：可以通过仅有的一根射频同轴电缆连接外接天线和嵌入在集中器上的北斗通信模块，不仅实现了北斗通信模块的低功耗，而且用更为简单的安装方式实现了基于北斗数传功能的集中器与主站之间的数据交互系统。同时，在具有rnss定位或授时功能时，能够为集中器及主站系统提供精确的定位及授时信息。有源天线具有将射频信号进行放大、滤波处理等功能，减小了射频信号所受的干扰，提高了接收链路的接收灵敏度和发射链路的发射效率；更为重要的是，利用射频同轴电缆宽频段传输效应，可以将rdss收发射频信号、rnss接收信号进行合路传输，不仅降低了安装难度，节约了成本，而且能够适用于集中器所在的各种复杂场景应用。通信终端中的北斗通信模块采用直流电供电，通过集中器的远程通信模块接口从集中器中直接获取电源，无需铺设供电线缆，便于安装和维护，北斗通信模块采用储能电路储存电能，解决了rdss电路信号发射瞬间功率大，但外部供电电源功率不够的问题，因此，北斗通信模块可以按集中器的标准接口，做成一个嵌入式的模块，嵌入到集中器中，相比较于外挂式rdss通信模块，本发明提出的嵌入式rdss通信模块安装维护简单，成本低，更加安全易用。

由于北斗通信模块与集中器本体通过标准的接口连接，避免了现有技术中的外挂式rdss通信模块的使用多个线缆连接而导致的防水性差、装配繁琐线缆繁杂和电磁干扰大等的问题，同时也避免了现有技术中的外挂式rdss通信模块使用220v电压而导致的用电安全性低和模块功耗大的问题。并且由于北斗通信模块和外接天线至仅通过一个射频同轴电缆连接，提高了部件之间的装配效率，简化了部件之间的连接操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有外挂式rdss通信模块加集中器应用方案结构原理图；

图2是本发明集中器中的系统结构原理图；

图3是本发明北斗通信终端结构示意图；

图4是本发明嵌入式北斗通信模块的功能示意图；

图5是本发明嵌入式北斗通信模块电源处理单元的功能示意图；

图6是本发明外接天线的结构示意图；

图7是本发明嵌入式北斗通信模块的集中器原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在中国专利申请号为201620889115.5所涉及的一种集中器和中国专利申请号为201620889114.0所涉及的一种嵌入式rdss通信模块中，详细介绍了嵌入式rdss通信模块相关技术内容，即嵌入式rdss通信模块包括储能电路、电源转换电路、rdss电路、控制电路、网络接口电路、状态显示电路等各电路实施例和技术内容，可以实现低功耗芯片在集中器上的应用。

图2中所涉及的集中器的结构原理图，该集中器包括：显示模块、本地通信模块、嵌入式北斗通信模块、外接天线，其中：嵌入式北斗通信模块嵌入在集中器上，嵌入式北斗通信模块也可以是只带rdss功能的或者卫星无线电导航业务(radionavigationsatellitesystem，rnss)功能，也可以是同时带有rdss功能和rnss功能。嵌入式北斗通信模块安装在集中器上，嵌入式北斗通信模块通过集中器的远程通信模块接口与集中器连接。由嵌入式北斗通信模块和外接天线组成的北斗通信终端，在嵌入式北斗通信模块和外接天线之间仅通过一根射频同轴电缆连接。嵌入式北斗通信模块可以通过内嵌、卡扣连接、粘贴或紧固连接的方式固定在所述集中器的所述远程通信模块接口上。这种集中器结构原理，即在201620889115.5所涉及的一种集中器和中国专利申请号为201620889114.0所涉及的一种嵌入式rdss通信模块中所涉及的天线为外接天线，也可以实现在嵌入式rdss通信模块与外接天线之间通过一根射频同轴电缆连接。

嵌入式北斗通信模块兼容目前集中器配备的远程通信模块与集中器对接的接口和尺寸，能够作为一个标准的模块嵌入到集中器中，可以直接替换现有集中器的远程通信模块和外挂式rdss通信模块，集中器将收集的用户用电量等数据直接通过集中器远程通信模块接口的双排针连接器发送给嵌入式北斗通信模块，嵌入式北斗通信模块内部可以将用电量等数据转化为卫星能接收的射频信号，通过外置的天线，发送给卫星(例如以北斗短报文的形式)，由卫星转发给上行主站管理中心的智能用电信息采集系统。嵌入式北斗通信模块能够直接替换集中器以gsm/gprs/cdma/电话pstn/以太网/光纤等方式通信的远程通信模块和外挂式rdss通信模块，集成度高，成本低，接口兼容集中器标准规范，很容易安装，维护也简单。

图3示出了本发明实施例所涉及的北斗通信终端结构示意图，该北斗通信终端包括：可嵌入在集中器的北斗通信模块和外接天线，在北斗通信模块和外接天线间采用一根射频同轴电缆连接，该射频同轴电缆可以支持rdss信号、rnss信号的传输、同时支持rdss信号和rnss信号的传输，以及在外接天线为有源天线时，可以基于该射频同轴电缆对外接天线供电。由此可见，北斗通信终端在集中器上的应用，可以仅通过一根射频同轴电缆连接，即可实现信号传输，也可以达到对有源天线的供电。

当然，嵌入式北斗通信模块和外接天线间之间至多采用两个电缆连接，该电缆可以为射频同轴电缆，由此可以减少连接嵌入式北斗通信模块和外接天线之间的电缆线数量，方便了嵌入式北斗通信模块和外接天线之间的装配，也进一步降低了安装成本。

图4示出了嵌入式北斗通信模块功能示意图，该嵌入式北斗通信模块可应用在集中器上，该嵌入式北斗通信模块包括宽带合路单元201、rnss接收电路单元202、rdss收发电路单元203、mcu控制电路单元204、电源处理单元205。该rdss收发电路单元203的信号端连接着mcu控制电路单元204的信号端，rdss收发电路单元203的电源端与电源处理单元205连接；宽带合路单元201的信号端连接着rdss收发电路单元203和rnss接收电路单元202，宽带合路单元203的电源端与电源处理单元205连接；mcu控制电路单元204的电源端与电源处理单元205连接。rnss接收单元202的信号端与mcu控制电路单元204的信号端连接，rnss接收单元202的电源端与电源处理单元205连接；宽带合路单元201对所述rdss收发电路单元和rnss接收电路单元进行信号合路，在宽带合路单元201可以具有相应的射频同轴电缆接口，该射频同轴电缆接口用于通过一根射频同轴电缆和外接天线连接，即宽带合路单元201实现信号合路输出后，将合路信号输入至射频同轴电缆接口所连接的射频同轴电缆上。

本发明中的宽带合路单元201可以对rdss收发电路单元203中的收发信号进行合路，通过一根射频同轴电缆和外接天线连接，也可以对rdss收发电路单元203和rnss接收电路单元202进行信号合路，通过一根射频同轴电缆和外接天线连接。所有的信号经过宽带合路单元合路输出后，即可达到通过一根射频同轴电缆输出到外接天线上。

在具有数传功能时，北斗数传电路包括宽带合路单元、rdss收发电路单元、及mcu控制电路单元，这3个单元电路依次连接，最后通过射频同轴电缆连接到外接天线。北斗数传电路主要实现集中器和远程主站之间的数据交互，对于下行链路，北斗数传电路通过外接天线接收来自主站的数据，并在集中器中进行分析、处理；对于上行链路，集中器将需要上传的数据通过北斗数传电路和外接天线发送到主站。现有rdss电路中的收发电路通过两根线路实现与外接天线的通信，即接收电路通过一根线路连接到外接天线上通信，发送电路通过另一根线路连接到外接天线上通信，本发明中的rdss电路基于宽带合路单元将rdss收发电路中的两根线路进行合路基于同一根射频同轴电缆再输出至外接天线，这种rdss信号合路输出可以减少rdss电路中的一根线路输出至外接天线的线路铺设长度，降低信号在线路中的耗损，达到精简布线，提升电路性能。在嵌入式北斗通信模块中基于宽带合路单元对各路信号的合路输出，较好的满足了各信号基于一根射频同轴电缆的传输性能。

在具有定位及授权功能时，定位及授时电路包括宽带合路单元、rnss接收电路单元、及mcu控制电路单元，这3个单元电路依次连接，最后通过射频同轴电缆连接到外接天线。rnss接收电路单元完成rnss信号的分析、处理，得到来自卫星导航系统的定位或授时数据，集中器可以及时获取定位或授时数据，并可以结合其他数据，一起上报到主站，用以实现各种电力业务。

在射频前端，rdss收发电路单元和rnss接收电路单元通过宽带合路单元将rdss接收射频信号、rdss发射射频信号、rnss接收射频信号进行宽带合路，将合路后的信号通过射频同轴电缆连接到外接天线。在外接天线为有源天线时，电源处理单元还可以将电源基于射频同轴电缆输入至外接天线上。

在数据交互后端，rdss收发电路单元与mcu控制电路单元之间通过uart串口进行通信，该串口协议满足rdssv2.1协议和4.0协议要求。rnss接收电路单元与mcu控制电路单元之间通过uart串口进行通信，该串口协议满足nmea-0183协议要求。

rdss电路具备短报文通信功能，用于将集中器本地通信模块收集的用户端用电量数据通过卫星发送给主站管理中心的智能用电信息采集系统，此为上行链路；同时，主站管理中心也会向集中器发送费率表信息或者其他命令，也利用rdss短报文通信功能实现，此为下行链路。rnss电路可以提供精确定位或授时功能，通过卫星定位确定集中器当前的安装位置，可将集中器的安装位置通过rdss电路发送给主站管理中心的智能用电信息采集系统；rnss电路还可以提供精确授时功能，通过该精确授时信息可实现电力网络的同步。

集中器中的远程通信模块接口可以给北斗通信模块提供一般不超过2w的连续功率，但rdss电路在发射信号瞬间所需功率较高(一般13w以上)，故外部直流供电无法直接提供；因此需要储能电路，在rdss电路未对外发射信号时，储能电路将电能储存起来，这样rdss电路在需要发射信号时能从储能电路获取足够的电能，并通过电源转换电路转换成rdss电路所需的电源，给rdss电路提供对外发射信号时所需的功率。

图5示出了实施例中嵌入式北斗通信模块的电源处理单元的功能示意图。电源处理单元包括电源保护及限流电路20501、储能电路20502以及电源转换电路20503，电路之间依次连接。电源保护及限流电路20501从北斗通信模块与集中器之间的接口处获取直流电源，经过保护、限流措施后对储能电路20502进行充电；存储的电源能量经过电源转换电路20503进行电源转换后给整个北斗通信模块进行供电，并可以通过射频同轴电缆给外接天线供电。

储能电路基于超级电容实现，完全解决了嵌入式rdss模块小型化设计中rdss电路信号发射功率与外部直流供电功率不匹配的问题，采用限流电路，解决了上电瞬间储能器件吸收电流过大引起外部直流供电工作异常的问题，采用保护电路，保护储能器件在外部直流供电短路时不被烧坏。

基于该电源处理单元，可以首先保证嵌入式北斗通信模块进行供电，保证内部的有源器件供电需要，比如rdss电路(rdss电路涉及rdss接收电路和mcu控制电路单元等)，rnss电路即rnss接收电路单元等。在外接天线采用有源天线时，也可以通过射频同轴电缆传输到外接天线上，保证有源天线的供电需求。

对于嵌入式北斗通信模块，总的来说，由于利用了电源处理单元储能电路的合理设计，使得低功耗模块的设计成为可能。这样，就可以使用嵌入式北斗通信模块代替目前集中器中的基于gprs的远程通信模块，在结构封装和管脚定义上兼容现有的gprs数传模块。

图6示了本实施例的外接天线的结构示意图。有源天线包括rnss接收电路单元102即天线rnss接收电路单元及相应的rnss接收天线103，rdss接收电路单元105即天线rdss接收电路单元及相应的rdss接收天线104，rdss发射电路单元106即天线rdss发射电路单元及相应的rdss发射天线107，电源处理单元108和宽带合路单元101。电源处理单元108为整个有源天线进行供电；rnss接收电路单元102、rdss接收电路单元105、rdss发射电路单元106经过宽带合路单元101进行合路后通过射频同轴电缆与嵌入式北斗通信模块连接。有源天线的供电来自于嵌入式北斗通信模块，即通过射频同轴电缆获取。

这里的宽带合路单元101、rnss接收电路单元102、rnss接收天线103依次连接，从而构成rnss有源天线接收链路；宽带合路单元101、rdss接收电路单元105、rdss接收天线104依次连接，从而构成rdss有源天线接收链路；宽带合路单元101、rdss发射电路单元106、rdss发射天线107依次连接，从而构成rdss有源天线发射链路；电源处理单元108从射频同轴电缆处获取来自于嵌入式北斗通信模块的直流电源，并对电源进行转换、滤波等处理后，给整个有源天线进行供电。

这里的有源天线提取嵌入式北斗通信模块中的电源，可以满足有源天线中的天线电源发射需要，减少无源天线下的嵌入式北斗通信模块到外接天线间的信号衰减，可以满足高纬度区域的北斗信号收发，避免无源天线模式下信号衰减，而北斗信号收发不稳定。

图7示出了本发明中嵌入式北斗通信模块的集中器原理框图。在功能业务流程上，嵌入式北斗通信模块可以通过uart接收来自集中器数据信息，并对数据信息重新进行拆包、打包，使之满足北斗数传的数据格式，在数据协议上满足电力数传协议的要求，最后通过rdss发射通道发送给主站服务器。嵌入式北斗通信模块可以通过rdss接收通道接收来自主站服务器的数据信息，并对数据信息重新进行拆包、打包，使之满足模块和集中器之间的数据格式，在数据协议上满足电力数传协议的要求，最后通过uart接口发送给集中器。嵌入式北斗通信模块可以通过rnss(包括gps)接收通道接收来自导航卫星的数据信息，并对数据信息进行解码，获取模块所在位置的定位信息、定时信息、授时信息等，最后存储在模块上，或者通过uart接口发送给集中器；集中器可以将定位信息、授时信息通过rdss通道上传到主站。嵌入式北斗通信模块与集中器之间的接口满足现有电力相关接口标准，主要信号包括串口信号、模块状态信号、集中器对模块的控制信号，以及直流供电等。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的北斗通信终端及集中器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。