专利名称：电力载波数字传输网络通信方法
技术领域：
本发明涉及一种网络的通信方法，特别是指将现代网络技术运用在现有低压电线网上，从而建立起的一种电力载波(PLC net)数字传输网络的通信方法。
目前，普遍使用的水、电、气三表的计费方法大致有如下几种一，最传统的人工抄表方式来统计、核算，该方法工作量大、工作效率低、易出错、存在统计误差和不利于统计，同时，入户抄表打扰住户，给居民造成潜在的不安全因素；二，有线集中查表，将各家各户的水电气表计量数据分别用信号线集中到一处，然后进行处理，该方法虽然解决了打扰住户的问题，但由于要铺设大量的信号线，因此集中点管理的户数十分有限；三，无线集中查表，将各家各户的水电气表计量数据用无线电或红外线集中到一处，然后进行处理，由于抗干扰、信号隔离等技术原因不能普遍实用四，IC卡，近年来IC卡应用十分普及，该技术已成功的应用于IC电表，但由于需要供电及重复性人工操作(插卡、拔卡)，应用于水表和气表时隐含着较大的安全性问题和后期维护问题五，电力载波网络管理，网络技术的发展和应用，为三表查表计费提供了一条新思路，近年来国内外都作了大量的研究和开发工作，现有的进口设备价格高，且不适应中国国情，国内开发的产品往往只有简单的网络结构而不具备网络的多层协议，因此存在抗干扰、误码率等技术问题和普遍实用的产品化问题。如中国专利92110485.8电表、水表、气表自动数据采集系统就是仅仅以电力载波方式来解决传输问题，数据通信为点到点的直接传送方式，并无网络的结构及通信协议存在。
另外，随着信息技术的发展，人们希望实现楼宇及住宅的现代化管理，这是城市走向现代化的一项重要标志，也是针对城市建设集群化、小区化的发展状况而急需解决的一个问题，采用楼宇自动化管理系统的高低完善程度，业已成为房产价值估计的重要环节。
鉴于上述情况，本发明的目的就是开发设计一种电力载波数字传输网络通信方法，该网络通信方法具备一套完整的四层网络协议，使整个网络的数据通信稳定、可靠，误码率低、抗干扰能力强。
本发明的进一步目的就是采用上述电力载波网络技术，用220V/380V电力线，构造电力载波网，管理水电气表的数据传输和相关网络设备的工作，从而提供一种实用、稳定可靠、性能价格比高和适合中国住宅状况的三表综合管理系统。
本发明的目的是通过以下方式实现的。
一种电力载波数字传输网络通信方法，网络由电力网、载波接口、调制解调器组成，该电力载波数字传输网络在进行数字信息传输通信时，采用四层网络协议通信方法，其中，由主站到从站的下行数据流向依次为应用层、网络层、数据链路层及物理层，而由从站到主站的上行数据流向依次为物理层、数据链路层、网络层及应用层。
所述的应用层包括应用软件、用户界面、应用功能以及网络信息的形成及分析、应用功能的操作完成等，是单片机系统及微机系统为实际应用而完成的功能，如用户终端数据采集、显示及微机系统的汇集、统计、打印、设计、转发、监视等。
所述的网络层控制端到端的报文的正确传递，包括地址、路由、转发、网络状态监控等功能，它为应用层提供透明的“对话”。
所述的数据链路层确定点到点的正确传输速率、帧结构、校验方法、网络收发冲突控制及检验。
所述的物理层完成点到点“比特”的正确发送及提取，为网络高层提供透明的物理信道。
一种水电气表综合管理系统，由220V/380V三相配电线路、一中心站主机、一中心控制器、数个中继器、数个终端采集器及数个数字表头组成，利用220V/380V三相配电线构成电力载波网络，三表综合管理系统的电力载波网络在进行数据通信时采用上述四层网络通信协议方法。
由于上述电力载波网络通信的应用，采用由主站到从站的下行数据流向依次为应用层、网络层、数据链路层及物理层，而由从站到主站的上行数据流向依次为物理层、数据链路层、网络层及应用层，使网络通信方法具备一套完整的四层网络协议，使整个网络的数据通信稳定，误码率低、抗干扰能力强，利用本发明通过电力载波网可提供一种实用、稳定可靠、性能价格比高和适合中国住宅状况的三表综合管理系统。
以下结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图1为本发明水电气表综合管理系统网络连接示意图。
图2为本发明网络协议结构图。
图3为本发明网络协议应用层发送模块信号流程图。
图4为本发明网络协议应用层接收模块信号流程图。
图5为本发明网络协议网络层接收模块信号流程图。
图6为本发明网络协议网络层接收模块信号流程图。
图7为本发明网络协议数据链路层接收模块信号流程图。
图8为本发明网络协议数据链路层接收模块信号流程图。
图9为本发明网络协议物理层接收模块信号流程图。
图10为本发明网络协议物理层接收模块信号流程图。
如图2所示，本发明一种电力载波数字传输网络通信方法，网络由电力网、载波接口、调制解调器组成。该电力载波数字传输网络在进行数字信息传输通信时，采用四层网络协议通信方法，其中，由主站到从站的下行数据流向依次为应用层、网络层、数据链路层及物理层，而由从站到主站的上行数据流向依次为物理层、数据链路层、网络层及应用层。
各层的结构和功能是相对独立的，但使用时又是互相关联，低层为高层提供服务，高层对低层进行控制。而不同节点的相同层上互有协议，按照协议可进行正常的对话。物理上各站点完全分开，各不相同，而逻辑上相当于一个系统的不同端口，应用时可随时查询该端口的情况。
本发明具有四层网络协议结构及其相应内容1、应用层该层包括应用软件、用户界面、应用功能以及网络信息的形成及分析、应用功能的操作完成等，是单片机系统及微机系统为实际应用而完成的功能，应用层主要是为实际应用而完成的有关功能，如用户终端数据的采集、显示及微机系统的数据汇集、统计、打印、设计等，这里主要介绍微机系统与单片机系统之间的应用层关系，它们之间的关系主要涉及如下两类信息a微机向单片机系统(用户终端、中继器)发送的命令。
b单片机系统(用户终端、中继器)向微机系统回送的信息及状态。
以上两类信息在应用层的实现主要是由功能表来实现的，对每一种功能给以特定的编号，向下一层发送时，直接传送编号及所携带的数据。数据的基本结构为1 byte n byte功能编号携带数据对于本发明的系统，应用层基本内容具体如图3、4所示。在发送时，串口初始化，取功能号查表，取数据长度，发送功能号，发送正确与否？如果正确发送结束，并发送下一字节；置接收时间，启动接收；如果发送出错，置发送错误并返回；当接收时，接收功能号，正确后取功能号查表，取接收数据长度，定超时，如果超时，则返回；如果未超时，接受是否有中断，有，则取接收数据。
2、网络层控制端到端的报文的正确传递，包括地址、路由、转发、网络状态监控等功能，它为应用层提供透明的“对话”；该层从应用层获得数据后转换为如下格式的网络数据1 byte1 byte1 byte1 byten byte数据长度 路由 地址 功能 数据其中路由及地址是由网络层根据应用层实施功能的对象加上的，在主控制器中有一张用户号和路由号对照表，数据长度是指该字节后所有内容的字节数。
在本发明的系统中网络层的内容具体如图5、6所示。当从链路层到网络层时，取链路层数据，初始化网络层，RW不等于0时，置非本机数据，返回RW等于0时，置本机数据当从网络层到链路层时，取网络层数据流，初始化链路层数据流，当I=0时，查表取陆路由控制字RW，并置转换，完成结束。
3、数据链路层确定点到点的正确传输速率、帧结构、校验方法、网络收发冲突控制及检测。该层从网络层获得数据后，转换为网络帧下传，或将网络帧转换为网络层数据上传，网络帧结构为1 byte1 byte1 byte1 byte1 byten byte1 byte同步头 路由 地址 路由控制｜数据长度 功能 数据 FCS其中，同步头字节采取奇校验，其它字节的数据采取偶校验，FCS为校验和。路由控制/数据长度字节中BIT7-BIT4表示路由控制，BIT7=1表示下行数据(即由主控制器向下发送)，BIT7=0表示上行数据，BIT6-BIT4表示中继级数，下行时，其初始数值表示该操作到达目的站所需要的中继次数，每经过一级中继，其数值减1，到达目的站时其数值为零；相反当上行时，其初始值为0，每往上传递一级，其数值加1,BIT3-BIT0表示数据长度，可为0-FH。
参见图7、8，发送时，取数据，取同步字节，查表取调频字，字节同步定时，调物理发送模块，发送同步字头及奇校验位，同步字节定时，取下一个字节，调物理发送模块，发送同步字头及偶校验位，发送结束，返回。接收时，初始化，字节同步定时，调物理接收模块，接收同步字头，字节同步定时，调物理接收模块，接收下一字节，接收完成，取路由控制RW，本机数据接收，返回。
4、物理层包括电力网、载波接口、调制解调器，完成点到点“比特”的正确发送及提取，为网络高层提供透明的物理信道。该层将上层送来的网络帧组成2400BPS的串行数据，然后调制为100K～200K的载波信号通过载波接口送到电网上；或将电网上的载波信号解调为2400BPS的串行数据，然后转换为网络帧送到网络高层处理。
参见图9、10，本发明的物理层包括发送模块，初始化，取字节同步位，同步后，依次发送起始位、数据位、校验位、停止位，置发送完成，返回；接收模块，初始化，取字节同步位，同步后，接收SYSW，正确后，取SYSW查表，比较载波信号，接收下一字节，完成，返回。
请参见图1，为本发明的电力载波网络通信方法为基础而设计的三表综合管理系统示意图。本系统的最大特点及成功之处是运用了现代网络技术，在电网上建立了一个载波数字网络，实现了寻址通信，而不仅仅是两点通信，使分散的物理功能组成了一个完整的网络体系，并保证了主站和从站之间数字信息的正确、稳定地调制传输。
系统的硬件体系结构由220V/380V三相配电线路、数字表头、采集器(终端)、中继器、中心控制器、中心站主机系统。
1、220V/380V三相配电线路三相四线配电线路，即一般所用的220V/380V低压电线网，由三根相差120度的相线(火线)和一根零线构成，相相为380V，相地为220V。由于该网是住户所必不可少的，而且是局域相互连通的，因此提供了现成的信道，可以加载几万赫兹至几兆赫兹的载波信号。该信道实用目的是传递220V、50HZ的强大功率的电能，因而各用户电器均按低频功率耦合方式挂接在电线上。最常用的是变压器耦合，其传输带宽有限，一般为几赫兹至几千赫兹，而对较高的频率有隔离作用。
2、数字表头数字表头是本系统的重要环节，其功能为将水量、电量、煤气量等物理量转化为数字量，传到采集器。其可靠性和精确度直接影响系统的性能。可采用已经核准使用的数字式水表、电表和煤气表，或将机械式水表、电表和煤气表改装后经核准使用。数字表头的信号输出接口，应当与采集器信号输入接口相匹配或进行匹配转换。
3、采集器采集器是安装在住户或住宅楼道中采集数字表头信号，并可通过电力载波将数据传到中心站的单片机网络终端系统。采集器的应用功能及连接用户数可根据需要设定。其主要功能为采集数字表头信号，累计存储，接收网络信号，传输所计数据等。
4、中继器采集器发射的功率有限，因而传输的距离较短，直线距离可达500M，但当分支较多时，由于介入衰减增大，有效传输距离缩短，一般考虑限于一栋楼(电力干线100M)，而在楼与楼之间需要中继；此外由于三相之间是隔离的，因而也需中继转传；这种中继是智能的，不仅将信号再生放大，而且还可以具有特殊应用功能，如采集总表数据，分段判断电网故障等等。
5、中心控制器中心控制器作为整个系统的网络控制中心，其主要功能是进行载波传输控制，在中心站微机与用户终端之间建立一个数字网络通道，使中心站与用户终端之间能可靠快速地传送各种数据及控制命令。
6、中心站主机系统所有的采集数据最终要集中到中心站主机进行综合处理，包括统计计费，报表打印等等；此外还有住户登记，费率设置，系统管理，初值设定，数据转发等功能，都在中心站主机集中完成。中心站主机系统包括386以上微机一台，安装中文WINDOWS一套，小区三表综合管理软件一套，打印机一台。
对于本系统的主站管理软件是由小区三表综合管理软件安装在网络中心站，包括对整个系统的控制和系统与用户对话的界面，即本系统供用户使用、操作、管理和实现最终所需功能的界面。
本管理软件的开发基于中文WINDOWS平台，采用C++开发软件，使用面向对象的程序设计技术(OOP)。界面美观、友好，使用者可很方便地进行数据采集、计费、打印、系统设置、网络监控及信息浏览等操作。由于采用OOP技术，故可根据用户特殊需要方便地进行修改、扩充。
小区三表综合管理软件按应用功能分四项系统配置、数据采集与设置、数据库管理和帮助。
1、系统配置本模块主要完成以下功能·通信设置选择通信用的串行端口及串行通信端口所使用的波特率。
·通信测试测试主站微机和某用户终端间的通信是否成功可行。在通信失败或不可靠的情况下可向用户给出有关通信失败的原因及通信出错位置等信息，便于系统的安装、调试和维护。
·密码设置设置用户登录本系统时需输入的密码，以防止非法用户使用本系统。
2、数据采集与设置本模块实现可选择地对某一范围住户的三表数据进行采集和三表数据初始化设置的功能
·数据采集将住户的水、电、气用量采集到中心站微机中来，用于查看或保存。
·设置初始数据对住户的水、电、气三表采集器设置初始计数值。
3、数据库管理数据库管理是本系统管理软件的一个重要部分，数据库管理的好坏和可靠性直接影响到本系统的性能和实用与否。本系统的数据库文件和FoxPro库文件兼容，系统生成的数据库文件可直接在FoxPro软件中操作使用。主要有以下功能·检索浏览按某一检索条件将某一范围的住户检索出来，根据使用者的选择列表显示所需浏览的住户信息。
·新住户登记向数据库中增加一个新的住户，输入有关住户的基本信息。
·住户删除从数据库中删除一个住户。
·管理机构设置设置修改某一小区管理水、电、气三表收费的机构名称。
·小区名设置设置修改小区名称。
·单价设置设置修改水、电、气的收费单价，以供数据库管理系统计费统计用。
·统计方式设置设置数据库管理系统的统计方式，如按月还是按季度统计等。
·打印将统计计费的结果按收费单和各种报表方式打印出来。
4、帮助提供使用本系统的各种联机帮助信息。
关于本发明的网络数据以及网络软件的具体结构可为1、网络软件网络软件包括系统应用软件、网络管理软件、网络控制软件。
系统应用软件是根据用户需求而开发的，主要提供用户界面和数据库管理；包括主站应用软件模块和固化在采集器内的采集模块等。
网络管理软件提供网络数据的设置和使用；以及为网络控制软件提供接口参数等等，该软件模块集成于主站管理软件中。
网络控制软件则是控制网络数据传输的软件模块；固化在主站控制器、中继器、采集器内；实现和控制网络的网络层、链路层和物理层功能。
2、网络数据网络数据包括层间接口数据和网络通信帧，根据信源分为上行数据(由主站发出)和下行数据(由从站发出)。
在本实施例中，系统各种命令的配置可采用
1、系统配置命令系统配置命令只对主控制盒有效。<
2、测试命令测试命令用于从主站测试到某一用户的通信是否成功。<
3、采集命令采集命令用于对用户水、电、气表数据的采集。<
4、设置初始值命令该组命令用于设置用户终端的水电气表的初始值。
5、报警报警命令属于上行命令，当用户发生紧急情况时，可按报警键发送报警信息。其命令编号为BOH6、出错回复命令当下行命令命令往下发送时，有可能得不到正确的回复，这表明信息在传送的过程中发生了错误，出错回复命令便用于向主控制器回复出错信息，当发生错误时，主控制器除收到80H这一字节外，后面还有1字节的数据用来表示出错信息，其意义如下
回复信息的出错中继级数代表发生错误时所到达的中继器，出错类型对应的四位，每一位代表一种错误类型，当该位为1时，表示发生了该错误，具体错误类型如下bit0主控制器发送总超时；bit1载波回收信息超时；bit2载波FCS错；bit3回收信息字节超时。
权利要求
1.一种电力载波数字传输网络通信方法，网络由电力网、载波接口、调制解调器组成，其特征在于该电力载波数字传输网络在进行数字信息传输通信时，采用四层网络协议通信方法，其中，由主站到从站的下行数据流向依次为应用层、网络层、数据链路层及物理层，而由从站到主站的上行数据流向依次为物理层、数据链路层、网络层及应用层。
2.根据权利要求1所述的电力载波数字传输网络，其特征在于所述的应用层包括应用软件、用户界面、应用功能以及网络信息的形成及分析、应用功能的操作完成等，是单片机系统及微机系统为实际应用而完成的功能，如用户终端数据采集、显示及微机系统的汇集、统计、打印、设计、转发、监视等。
3.根据权利要求1所述的电力载波数字传输网络，其特征在于所述的网络层控制端到端的报文的正确传递，包括地址、路由、转发、网络状态监控等功能，它为应用层提供透明的“对话”。
4.根据权利要求1所述的电力载波数字传输网络，其特征在于所述的数据链路层确定点到点的正确传输速率、帧结构、校验方法、网络收发冲突控制及检验。
5.根据权利要求1所述的电力载波数字传输网络，其特征在于所述的物理层完成点到点“比特”的正确发送及提取，为网络高层提供透明的物理信道。
6.一种水电气表综合管理系统，由220V/380V三相配电线路、一中心站主机、一中心控制器、数个中继器、数个终端采集器及数个数字表头组成，利用220V/380V三相配电线构成电力载波网络，其特征在于所述的三表综合管理系统的电力载波网络在进行数据通信时采用权利要求1所述的四层网络通信协议方法。
全文摘要
一种电力载波数字传输网络通信方法，网络由电力网、载波接口、调制解调器组成，该电力载波数字传输网络在进行数字信息传输通信时，采用由主站到从站的下行数据流向依次为应用层、网络层、数据链路层及物理层，而由从站到主站的上行数据流向依次为物理层、数据链路层、网络层及应用层。本发明的网络通信方法具备一套完整的四层网络协议，使整个网络的数据通信稳定、可靠，误码率低、抗干扰能力强，利用本发明通过电力载波网可提供一种实用、稳定可靠、性能价格比高和适合中国住宅状况的三表综合管理系统。
文档编号H04L29/06GK1227991SQ98120059
公开日1999年9月8日 申请日期1998年9月29日 优先权日1998年9月29日
发明者刘泽仁, 蔡晓红 申请人:北京智力通信息工程有限责任公司