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(gòu)

物聯(lián)網(wǎng) （Internet of things，IOT）[1]是將所有物品通過RFID（射頻識(shí)別）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)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(shù)充分運(yùn)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(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。在此基礎(chǔ)上，人類可以更加精細(xì)和動(dòng)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(guān)系。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)主要包括3個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層，如圖1所示。感知層是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中所沒有的，主要用于識(shí)別物體、采集信息，由各類感知設(shè)備組成，主要包括RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、視頻采集等各行各業(yè)的傳感采集設(shè)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(luò)兩部分。接入單元有行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、離散的M2M終端、共享式網(wǎng)關(guān)等。接入網(wǎng)絡(luò)包括有線（寬帶、PSTN）、無線（2G/3G、Wi-Fi、WiMAX等）。網(wǎng)絡(luò)層要根據(jù)感知延伸層的業(yè)務(wù)特征，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)特性，更好地支持物-物與物-人通信。

應(yīng)用層最終面向各類應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享、決策。從服務(wù)主體出發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分為：行業(yè)專用服務(wù)、行業(yè)公眾服務(wù)、公眾服務(wù)。從應(yīng)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(gè)人服務(wù)等人們可以預(yù)見的各種場景。應(yīng)用層涉及海量信息的智能處理、分布式計(jì)算、中間件、信息發(fā)現(xiàn)等多種技術(shù)。

2 基于CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的電力遠(yuǎn)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(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的電力抄表多是通過人工定時(shí)到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力資源，而且在數(shù)據(jù)的時(shí)實(shí)性、準(zhǔn)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(shù)與信息通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等結(jié)合在一起的遠(yuǎn)程電力抄表物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠?yàn)殡娏芾聿块T提供及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀的電量使用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)狀況，加強(qiáng)了電力管理部門對電量使用的監(jiān)控和管理能力。CDMA技術(shù)的出現(xiàn)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用深入，為遠(yuǎn)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(lǐng)域也出現(xiàn)了一些基于GPRS等無線技術(shù)的電力遠(yuǎn)程抄表應(yīng)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(jì)的飛速發(fā)展和電力企業(yè)信息化加速，電力遠(yuǎn)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(shí)，隨著電力企業(yè)對用戶的“分時(shí)計(jì)費(fèi)”策略的深入推進(jìn)，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(jìn)一步提高。傳統(tǒng)的GPRS電力遠(yuǎn)程抄表等方案已經(jīng)逐漸不適應(yīng)遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用發(fā)展的需要，電力企業(yè)對更加高效的電力遠(yuǎn)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(luò)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(yīng)用[3]。目前，中國電信股份有限公司（以下簡稱中國電信）構(gòu)建了覆蓋廣泛的CDMA制式3G網(wǎng)絡(luò)，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，特別是Ev-Do的高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具備很強(qiáng)的行業(yè)競爭優(yōu)勢?；贑DMA 3G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電力遠(yuǎn)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(shí)時(shí)傳遞到地、市、省級的集中監(jiān)控中心，以實(shí)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(gòu)和原理

基于CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的電力遠(yuǎn)程抄表物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括3個(gè)基本組成部分：電力數(shù)據(jù)采集設(shè)備（感知層）、電信傳輸網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)層）、電力抄表數(shù)據(jù)中心平臺(tái)（應(yīng)用平臺(tái)層），其組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

感知層部分由電力數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shè)置一個(gè)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(shí)現(xiàn)對用戶現(xiàn)場電表數(shù)據(jù)的匯集，每臺(tái)樓宇采集器最多可接入32臺(tái)普通電表。每臺(tái)樓宇采集器可通過免費(fèi)計(jì)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(zhǔn)確性上存在不足，因此目前多采用免費(fèi)計(jì)量頻段的無線方式進(jìn)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(fèi)計(jì)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(jìn)行注冊、管理和鑒權(quán)，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(luò)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(jìn)行調(diào)整和設(shè)定，一般設(shè)置比例為1臺(tái)小區(qū)集中器對應(yīng)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(luò)通信來傳輸電力數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層部分由中國電信覆蓋廣泛的cdma2000 1x/Ev-Do網(wǎng)絡(luò)組成，電力公司抄表數(shù)據(jù)中心服務(wù)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(luò)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(luò)的 PDSN（packet data serving node）服務(wù)器，然后PDSN服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸至抄表數(shù)據(jù)中心，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程通過透明傳輸完成。PDSN服務(wù)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(jìn)行連接，這種方式成本較低、安全性高，且速度和服務(wù)質(zhì)量都有所保障。

應(yīng)用平臺(tái)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(wù)器接收到CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證后，可通過系統(tǒng)軟件平臺(tái)進(jìn)行計(jì)費(fèi)、校驗(yàn)、存儲(chǔ)、分析、管理等，并可對異常情況進(jìn)行告警，同時(shí)對用戶的電力使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)上報(bào)樓宇月用電總數(shù)據(jù)、查詢某戶單月用電數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)異常/報(bào)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(shí)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(jī)后便自動(dòng)連接cdma2000 1x/Ev-Do網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)抄表數(shù)據(jù)中心配置的IP地址自動(dòng)連接數(shù)據(jù)中心，并通過發(fā)送心跳幀以保持和維護(hù)通信鏈路的連接。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時(shí)，CDMA通信模塊會(huì)在故障恢復(fù)后自動(dòng)重新建立鏈路。該模式能實(shí)時(shí)對抄表數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，設(shè)備響應(yīng)時(shí)間快，但因長時(shí)間占用CDMA通信網(wǎng)絡(luò)資源，且產(chǎn)生了多余的無效數(shù)據(jù)量，增加了運(yùn)營成本。

·定時(shí)傳輸模式：抄表數(shù)據(jù)中心可設(shè)定小區(qū)集中器CDMA模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時(shí)間。小區(qū)集中器在指定的時(shí)間接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送的指令，并在指定時(shí)間上報(bào)電力數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)收發(fā)過程完畢，自動(dòng)斷線，并在下一個(gè)時(shí)間喚醒。該模式節(jié)省網(wǎng)絡(luò)通信資源，成本較低，適合日常電力數(shù)據(jù)的上報(bào)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(shí)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(shí)，可通過短信對小區(qū)集中器的CDMA通信模塊進(jìn)行喚醒，并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。當(dāng)數(shù)據(jù)收發(fā)完畢，自動(dòng)斷線。該模式適合日常、告警、異常等電力數(shù)據(jù)的上報(bào)等。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

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

·數(shù)據(jù)傳輸速率高：CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率理論上可達(dá)3.1 Mbit/s，目前實(shí)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(shí)計(jì)費(fèi)”等策略下的高數(shù)據(jù)速率要求也完全能滿足。

·實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)延時(shí)小：CDMA系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)在線特性，且傳輸速率高，系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)速度快，能很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和突發(fā)性要求，對“分時(shí)計(jì)費(fèi)”等大數(shù)據(jù)量需求也能良好支持。同時(shí)由于CDMA通信模塊處理時(shí)間短，CDMA網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低，也能滿足定時(shí)傳輸、短信觸發(fā)等數(shù)據(jù)傳輸模式下的延時(shí)在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)。

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

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

·通信費(fèi)用低：采用包月流量套餐計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)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(luò)的電力遠(yuǎn)程抄表物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。該小區(qū)約有1 300戶住戶，設(shè)置了5～6個(gè)CDMA小區(qū)集中器。每個(gè)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(shí)計(jì)費(fèi)”等策略，預(yù)計(jì)每次需上傳的流量數(shù)增加70%左右。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能測試

測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(yīng)的通信系統(tǒng)延時(shí)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(yīng)最大數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)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(shí)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(shí)間。

（3）通信費(fèi)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(gè)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(yuǎn)程抄表需求，并基本能滿足對未來“分時(shí)計(jì)費(fèi)”等策略的流量需求。

4 結(jié)束語

中國電信深入探索物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)應(yīng)用的需求，將傳感器感知技術(shù)、短距離電力傳輸技術(shù)與中國電信cdma2000 1x/Ev-Do無線傳輸技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建了高效的基于CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的電力遠(yuǎn)程抄表物聯(lián)網(wǎng)，很好地解決了遠(yuǎn)程電力抄表領(lǐng)域的需求，同時(shí)很好地支持了未來電力行業(yè)的“分時(shí)計(jì)費(fèi)”等策略的應(yīng)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(tái)引入到電力遠(yuǎn)程抄表數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)引入“錯(cuò)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(xué)有效地管理和控制單位或個(gè)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(shù)與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2011

2 侯思祖，王亞微.GPRS技術(shù)在電力抄表領(lǐng)域的研究與應(yīng)用.低壓電器，2008(8)

3 栗玉霞，徐建政，劉愛兵.GPRS技術(shù)在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用.電力自動(dòng)化設(shè)備，2003(12)

4 竇中兆，雷湘.CDMA無線通信原理.北京：清華大學(xué)出版社,2004