羅 俊，周 峰

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 物聯(lián)網(wǎng)架構

物聯(lián)網(wǎng) （Internet of things，IOT）[1]是將所有物品通過RFID（射頻識別）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)把新一代信息通信技術充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在此基礎上，人類可以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關系。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構主要包括3個層面：感知層、網(wǎng)絡層以及應用層，如圖1所示。感知層是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡架構中所沒有的，主要用于識別物體、采集信息，由各類感知設備組成，主要包括RFID、傳感器網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡、視頻采集等各行各業(yè)的傳感采集設備。傳送層主要用于信息傳遞，包括接入單元以及接入網(wǎng)絡兩部分。接入單元有行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、離散的M2M終端、共享式網(wǎng)關等。接入網(wǎng)絡包括有線（寬帶、PSTN）、無線（2G/3G、Wi-Fi、WiMAX等）。網(wǎng)絡層要根據(jù)感知延伸層的業(yè)務特征，優(yōu)化網(wǎng)絡特性，更好地支持物-物與物-人通信。

應用層最終面向各類應用，實現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享、決策。從服務主體出發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)應用分為：行業(yè)專用服務、行業(yè)公眾服務、公眾服務。從應用場景看，包含工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、醫(yī)療、交通物流、家居、個人服務等人們可以預見的各種場景。應用層涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發(fā)現(xiàn)等多種技術。

2 基于CDMA 3G網(wǎng)絡的電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)

電力抄表是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的電力抄表多是通過人工定時到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，不僅會耗費大量的人力資源，而且在數(shù)據(jù)的時實性、準確性上都存在著許多不足之處。將現(xiàn)代的電力傳感測量技術與信息通信技術、計算機技術等結合在一起的遠程電力抄表物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠為電力管理部門提供及時、準確、直觀的電量使用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計狀況，加強了電力管理部門對電量使用的監(jiān)控和管理能力。CDMA技術的出現(xiàn)和物聯(lián)網(wǎng)技術的應用深入，為遠程的數(shù)據(jù)傳輸提供了新的有效途徑。

目前在電力抄表領域也出現(xiàn)了一些基于GPRS等無線技術的電力遠程抄表應用，解決了部分地區(qū)的電力用戶抄表需求[2]。但隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和電力企業(yè)信息化加速，電力遠程抄表系統(tǒng)的覆蓋用戶規(guī)模需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢；同時，隨著電力企業(yè)對用戶的“分時計費”策略的深入推進，電力企業(yè)對抄表信息的數(shù)據(jù)量要求更大，對系統(tǒng)的管理功能也有了更高的要求。另外，由于抄表數(shù)據(jù)信息具有一定的隱私性和安全性要求，電力企業(yè)和用戶對抄表系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的保密和安全方面的要求也進一步提高。傳統(tǒng)的GPRS電力遠程抄表等方案已經(jīng)逐漸不適應遠程抄表應用發(fā)展的需要，電力企業(yè)對更加高效的電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)解決方案的需求十分迫切。

CDMA無線通信網(wǎng)絡具備系統(tǒng)容量大、傳輸速率高、保密性好、功耗低等優(yōu)勢，非常適合電力等行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應用[3]。目前，中國電信股份有限公司（以下簡稱中國電信）構建了覆蓋廣泛的CDMA制式3G網(wǎng)絡，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡，特別是Ev-Do的高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務具備很強的行業(yè)競爭優(yōu)勢?；贑DMA 3G網(wǎng)絡構建電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)解決方案，可為電力系統(tǒng)提供簡單、高效、安全的通信傳輸手段，非常適合電力部門用來將民用和工業(yè)電表采集的電力數(shù)據(jù)實時傳遞到地、市、省級的集中監(jiān)控中心，以實現(xiàn)對用電信息的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。

2.1 系統(tǒng)架構和原理

基于CDMA 3G網(wǎng)絡的電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括3個基本組成部分：電力數(shù)據(jù)采集設備（感知層）、電信傳輸網(wǎng)絡（網(wǎng)絡層）、電力抄表數(shù)據(jù)中心平臺（應用平臺層），其組網(wǎng)架構如圖2所示。

感知層部分由電力數(shù)據(jù)采集設備組成。目前居民使用的電表主要由普通電表和智能電表組成。老小區(qū)多使用普通電表，針對普通電表可在每棟樓宇里設置一個樓宇采集器，各家各戶的普通電表通過RS485總線連接到樓宇集中器，將采集的電力數(shù)據(jù)發(fā)送到樓宇采集器。通過樓宇采集器可實現(xiàn)對用戶現(xiàn)場電表數(shù)據(jù)的匯集，每臺樓宇采集器最多可接入32臺普通電表。每臺樓宇采集器可通過免費計量頻段（470～510 MHz，覆蓋范圍為 1～2 km）采用無線方式，也可通過電力線載波（power line carrier，PLC）方式將樓宇集中器的電力數(shù)據(jù)上傳至小區(qū)集中器。由于PLC方式在抄表的穩(wěn)定性和準確性上存在不足，因此目前多采用免費計量頻段的無線方式進行傳輸。而針對采用智能電表的新建小區(qū)，各家各戶的智能電表可采用免費計量頻段的無線方式將用電數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫^(qū)集中器。小區(qū)集中器包含CDMA通信模塊，使用中國電信物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一的UIM卡進行注冊、管理和鑒權，可將各樓宇集中器匯集上來的用戶用電數(shù)據(jù)通過CDMA網(wǎng)絡發(fā)送到電力公司抄表數(shù)據(jù)中心。小區(qū)集中器的數(shù)目可根據(jù)小區(qū)住戶規(guī)模進行調(diào)整和設定，一般設置比例為1臺小區(qū)集中器對應200戶左右住戶。對工業(yè)大用戶電表而言，可將電表連接CDMA通信模塊直接與CDMA網(wǎng)絡通信來傳輸電力數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡層部分由中國電信覆蓋廣泛的cdma2000 1x/Ev-Do網(wǎng)絡組成，電力公司抄表數(shù)據(jù)中心服務器配置固定的IP地址，小區(qū)集中器依靠CDMA基于IP的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡完成與電力公司抄表數(shù)據(jù)中心的通信功能。小區(qū)集中器先通過CDMA通信模塊將電力抄表數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺DMA 網(wǎng)絡的 PDSN（packet data serving node）服務器，然后PDSN服務器將數(shù)據(jù)傳輸至抄表數(shù)據(jù)中心，整個數(shù)據(jù)傳輸過程通過透明傳輸完成。PDSN服務器與抄表數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信可通過公網(wǎng)使用VPN進行連接，這種方式成本較低、安全性高，且速度和服務質(zhì)量都有所保障。

應用平臺層部分則由電力公司抄表數(shù)據(jù)中心組成。數(shù)據(jù)中心服務器接收到CDMA網(wǎng)絡傳輸來的數(shù)據(jù)進行認證后，可通過系統(tǒng)軟件平臺進行計費、校驗、存儲、分析、管理等，并可對異常情況進行告警，同時對用戶的電力使用情況進行實時監(jiān)控，以保證電力公司的合法利益。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模式

該系統(tǒng)可根據(jù)電力用戶的不同需要，如定時上報樓宇月用電總數(shù)據(jù)、查詢某戶單月用電數(shù)據(jù)、實時異常/報警數(shù)據(jù)等，提供不同的數(shù)據(jù)傳輸模式，包括永久在線、定時傳輸、短信觸發(fā)等模式。

·永久在線模式：小區(qū)集中器的CDMA通信模塊開機后便自動連接cdma2000 1x/Ev-Do網(wǎng)絡，根據(jù)抄表數(shù)據(jù)中心配置的IP地址自動連接數(shù)據(jù)中心，并通過發(fā)送心跳幀以保持和維護通信鏈路的連接。當網(wǎng)絡發(fā)生異常時，CDMA通信模塊會在故障恢復后自動重新建立鏈路。該模式能實時對抄表數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，設備響應時間快，但因長時間占用CDMA通信網(wǎng)絡資源，且產(chǎn)生了多余的無效數(shù)據(jù)量，增加了運營成本。

·定時傳輸模式：抄表數(shù)據(jù)中心可設定小區(qū)集中器CDMA模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時間。小區(qū)集中器在指定的時間接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送的指令，并在指定時間上報電力數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)收發(fā)過程完畢，自動斷線，并在下一個時間喚醒。該模式節(jié)省網(wǎng)絡通信資源，成本較低，適合日常電力數(shù)據(jù)的上報等。

·短信觸發(fā)模式：小區(qū)集中器在無數(shù)據(jù)通信要求時間段斷開CDMA通信鏈路。電力數(shù)據(jù)中心在需要收集或發(fā)送數(shù)據(jù)時，可通過短信對小區(qū)集中器的CDMA通信模塊進行喚醒，并進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。當數(shù)據(jù)收發(fā)完畢，自動斷線。該模式適合日常、告警、異常等電力數(shù)據(jù)的上報等。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

基于CDMA 3G網(wǎng)絡的電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相比其他遠程抄表系統(tǒng)而言，具備如下特點。

·數(shù)據(jù)傳輸速率高：CDMA 3G網(wǎng)絡傳輸速率理論上可達3.1 Mbit/s，目前實際數(shù)據(jù)傳輸速率平均在600 kbit/s左右，完全滿足本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率（>10 kbit/s）的要求，對于“分時計費”等策略下的高數(shù)據(jù)速率要求也完全能滿足。

·實時性強、數(shù)據(jù)延時小：CDMA系統(tǒng)具有實時在線特性，且傳輸速率高，系統(tǒng)設備響應速度快，能很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的實時性和突發(fā)性要求，對“分時計費”等大數(shù)據(jù)量需求也能良好支持。同時由于CDMA通信模塊處理時間短，CDMA網(wǎng)絡延時低，也能滿足定時傳輸、短信觸發(fā)等數(shù)據(jù)傳輸模式下的延時在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)。

·系統(tǒng)覆蓋范圍廣、建設成本低：CDMA 3G網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，可實現(xiàn)全國絕大部分區(qū)域?qū)﹄娏h程抄表的控制和管理。而且由于采用CDMA無線公網(wǎng)平臺，前期投資少，后期升級維護成本低。

·安全性高：由于整個通信過程采用了CDMA和VPN等技術，保密性強，能有效保護電力數(shù)據(jù)隱私。

·通信費用低：采用包月流量套餐計費方式，運營成本低。

3 系統(tǒng)性能

下面以上海浦東某小區(qū)為例，對基于CDMA 3G網(wǎng)絡的電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)進行系統(tǒng)性能分析。該小區(qū)約有1 300戶住戶，設置了5～6個CDMA小區(qū)集中器。每個集中器通常情況在每月20～25日期間上傳1次，每次上傳的電力抄表數(shù)據(jù)量為20～30 MB。若采用“分時計費”等策略，預計每次需上傳的流量數(shù)增加70%左右。

（1）實時數(shù)據(jù)傳輸功能測試

測試系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸功能發(fā)現(xiàn)，從小區(qū)CDMA集中器發(fā)送抄表數(shù)據(jù)開始，到抄表數(shù)據(jù)中心開始接收數(shù)據(jù)，所對應的通信系統(tǒng)延時一般小于2 s。而數(shù)據(jù)流量的傳輸數(shù)據(jù)率一般在600 kbit/s左右，對應最大數(shù)據(jù)傳輸延時為50 s左右。相比其他無線抄表系統(tǒng)而言，具備明顯的高速率和低延時優(yōu)勢。

（2）短信觸發(fā)功能測試

從測試系統(tǒng)提供的短信觸發(fā)傳輸功能發(fā)現(xiàn)，從抄表數(shù)據(jù)中心發(fā)起短信開始到CDMA小區(qū)集中器喚醒后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，大約經(jīng)歷30 s時間。

（3）通信費用分析

針對不同規(guī)模的小區(qū)流量需求提供不同的包月流量套餐，建議可為每個CDMA小區(qū)集中器提供10～15元/月套餐，包月流量為80～120 MB。該套餐能滿足該小區(qū)目前的電力遠程抄表需求，并基本能滿足對未來“分時計費”等策略的流量需求。

4 結束語

中國電信深入探索物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)應用的需求，將傳感器感知技術、短距離電力傳輸技術與中國電信cdma2000 1x/Ev-Do無線傳輸技術結合，構建了高效的基于CDMA 3G網(wǎng)絡的電力遠程抄表物聯(lián)網(wǎng)，很好地解決了遠程電力抄表領域的需求，同時很好地支持了未來電力行業(yè)的“分時計費”等策略的應用。在下一步的探索中，還可以將智能數(shù)據(jù)分析處理平臺引入到電力遠程抄表數(shù)據(jù)平臺，同時引入“錯峰用電”、“電力調(diào)度分配”等未來電力系統(tǒng)的信息化戰(zhàn)略，更加科學有效地管理和控制單位或個人的電力使用情況，力助電力系統(tǒng)的信息化管理水平的提升。

1 張春紅.物聯(lián)網(wǎng)技術與應用.北京：人民郵電出版社，2011

2 侯思祖，王亞微.GPRS技術在電力抄表領域的研究與應用.低壓電器，2008(8)

3 栗玉霞，徐建政，劉愛兵.GPRS技術在自動抄表系統(tǒng)中的應用.電力自動化設備，2003(12)

4 竇中兆，雷湘.CDMA無線通信原理.北京：清華大學出版社,2004