杜文靜

(江蘇林洋電子股份有限公司， 江蘇 啟東　226200)

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IEC 62056-47協(xié)議在自動抄表系統(tǒng)的應用研究

杜文靜

(江蘇林洋電子股份有限公司， 江蘇 啟東226200)

針對計量儀表智能數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，將DLMS/COSEM的通信架構應用于GPRS通信模型，根據(jù)IEC 62056-47傳輸協(xié)議，設計了一款GPRS通信模塊。采用物理地址與邏輯地址相結(jié)合、應用層地址與網(wǎng)絡層地址相結(jié)合的技術，解決了通信尋址問題，并詳細闡述了模塊運行時數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€流程。長期的廠內(nèi)測試跟蹤及現(xiàn)場試運行表明，所設計的模塊運行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸成功率高，能夠滿足客戶需求。

計量儀表數(shù)據(jù)傳輸智能通信協(xié)議尋址機制安全性可靠性IEC 62056-47GPRSTCP/IP

0　引言

IEC 62056系列標準(抄表、費率和負荷控制的數(shù)據(jù)交換)包含設備語言報文規(guī)范(device language message specification,DLMS)和能源計量配套規(guī)范(companion specification for energy metering,COSEM)兩個主要部分，即DLMS/COSEM。DLMS/COSEM通信協(xié)議是國際電工委員會為解決自動抄表系統(tǒng)和計量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、儀表安裝、維護、系統(tǒng)集成等問題而新提出的電能表通信標準。該標準以良好的系統(tǒng)互聯(lián)性和互操作性，成為迄今為止較為完善的電表通信協(xié)議標準。該標準是一個開放式的標準，致力于滿足所有計量儀表與自動抄表系統(tǒng)的應用要求。它采用面向?qū)ο蟮姆椒ńx表模型，能夠滿足不同設備系統(tǒng)之間的集成，提高了模塊功能的靈活性，減少了重復開發(fā)工作。該標準在國際上已經(jīng)得到普遍認可，并廣泛應用在多個領域[1-2]。

通用分組無線服務技術(general packet radio service,GPRS)產(chǎn)品以其優(yōu)良性能，幾乎可以應用于所有低速率的數(shù)據(jù)傳輸服務器，如城市電網(wǎng)的配電網(wǎng)絡自動化工程，城市供水、供燃氣、供熱的遠程集中抄表及管理自動化等眾多領域。本文將IEC 62056-47標準與GPRS通信模型相結(jié)合，設計了一款通信終端[3-5]。

1　傳輸層協(xié)議介紹

IEC 62056-47標準用于IP網(wǎng)絡的COSEM傳輸層[6]?；赥CP-UDP/IP的COSEM傳輸層包含封裝層和TCP/ UDP傳輸層，即在COSEM應用層和TCP/ UDP層之間增加一個封裝層。該層是為了適應開放系統(tǒng)互聯(lián)(open system interconnection,OSI)模型服務而專門設置的，它有以下兩個功能：①提供了除TCP /UDP端口外附加的尋址能力；②提供了要傳輸數(shù)據(jù)的長度，以保證收發(fā)數(shù)據(jù)的完整性。

COSEM應用層通過封裝來使用TCP/UDP中的服務，進而使用IP網(wǎng)絡層中的服務來與連接在抽象網(wǎng)絡中的其他節(jié)點通信，如圖1所示。這種情況下的COSEM 應用層，可以像FTTP、FTP或者SNMP一樣，作為一種互聯(lián)網(wǎng)標準應用協(xié)議使用，并與它們共存。

圖1　COSEM傳輸層結(jié)構及TCP/UDP層服務Fig.1　The structure of COSEM transport layer and TCP/UDP services

IEC 62056標準只規(guī)定了通信鏈路及編碼，并未限定通信介質(zhì)。其對鏈路層作了詳細規(guī)定，遠程通信鏈路有兩種方式，HDLC和DLMS封裝層，前者主要針對串行鏈路結(jié)構，后者主要針對IP網(wǎng)絡。GPRS通信通過IEC 62056-47協(xié)議實現(xiàn)底層鏈路到COSEM應用層的轉(zhuǎn)換，減少了通過高級數(shù)據(jù)鏈路控制(high-level data link control,HDLC)通信時所需的協(xié)商與封裝，更適合網(wǎng)絡應用。

IEC 62056-47中定義了兩種通信協(xié)議，基于UDP無連接的COSEM傳輸層和基于TCP且面向連接的COSEM傳輸層，并分別為其提供了詳細的服務原語。

(1)基于TCP的COSEM傳輸層為用戶提供以下服務。

①為TCP連接管理應用層提供連接管理服務：TCP-CONNECT，TCP-DISCONNECT。

②為COSEM 應用層提供數(shù)據(jù)交換服務：TCP-DATA。

(2)基于UDP的COSEM傳輸層為服務端用戶提供服務：UDP-DATA。

圖1中概述了這些服務。在COSEM通信中，應用會話的連接和斷開一般都是由客戶端的應用進程發(fā)起的，這些服務由TCP連接管理應用進程使用。建立連接后進行數(shù)據(jù)交換?；赥CP連接的COSEM傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構由國際標準TCP協(xié)議層和WPDU數(shù)據(jù)單元兩部分組成，WPDU部分又由封裝層控制信息和數(shù)據(jù)域兩部分組成。

2　通信模型與尋址方式

GPRS自動抄表系統(tǒng)主要由用戶端、主站、GPRS通信系統(tǒng)三大部分組成。DLMS/COSEM的通信架構是基于客戶機/服務器模式的操作和通信服務，通常用戶端是服務器，主站為客戶機。COSEM對象模型被設計成三層體系結(jié)構，設備模型由一個物理設備和一系列邏輯設備組成，各邏輯設備是該計量設備的一個功能子集，各功能用COSEM對象模型來標準化。在建立連接的過程中，如何區(qū)別這些設備的身份是設計的關鍵[7]。

2.1應用層的尋址

服務訪問(service access point,SAP)分配表主要管理物理設備里的邏輯設備訪問地址：管理邏輯設備地址和數(shù)據(jù)邏輯設備地址，結(jié)合相應的邏輯地址和物理地址來獲取管理邏輯設備對象清單列表以及數(shù)據(jù)邏輯設備對象清單列表?？蛻舳耸状卧L問服務器端時，需先訪問SAP并獲取相應的邏輯設備地址，再根據(jù)地址訪問邏輯名引用(logic name,LN)聯(lián)結(jié)對象的對象清單列表，最后根據(jù)需要決定是否訪問對象內(nèi)容。LN聯(lián)結(jié)清單提供了物理設備內(nèi)部的每個對象的類標志、版本號、邏輯名和屬性/方法的訪問權限等信息；在短名引用(short name,SN)時，對象清單提供每個對象的基名、類標志、版本號和邏輯名。這樣當客戶端和服務器端建立連接后，就完全提供了服務器端的功能和數(shù)據(jù)類別，達到主站無需預先知道采集器功能就能實現(xiàn)互操作性的目的[8]。

2.2網(wǎng)絡層的尋址

在網(wǎng)絡世界中，每個設備都有唯一的IP地址。將該地址作為源地址，可以向其他任何設備發(fā)送消息；相反，將該地址作為目標地址，也可以收到其他設備發(fā)送的消息。因此，其IP地址是基于TCP-UDP/IP的COSEM物理裝置的唯一標志。

COSEM應用層只能監(jiān)聽一個TCP或者UDP端口上的數(shù)據(jù)交換。在一個物理設備上，可能同時存在幾個客戶端或者服務端應用進程，因此，只用IP地址來標志是不夠的，還需要應用層的尋址。應用層的尋址可由上面提到的封裝層來實現(xiàn)。封裝層提供一個wPort標識，它與TCP/UDP的端口號類似，但是處于TCP/UDP層之上。同一物理裝置上的特定COSEM客戶端應用進程或COSEM邏輯裝置，可由wPort號來標志區(qū)分。

COSEM應用會話由以下的標志組來標志，實例模型如圖2所示。

建立在客戶端AP_01和物理裝置01中的邏輯裝置01(AA1)以及物理裝置02中的邏輯裝置02的應用會話(AA2)可分別標志如下。

AA1：[(163.187.45.19,T_N,31)( 163.187.45.36,T_M,527)]。

AA2：[(163.187.45.19,T_N,31)( 163.187.45.78,T_M,3013)]。

其中，T_N和T_M分別表示客戶物理裝置和服務物理裝置的TCP端口。

3　設計與實現(xiàn)

我公司開發(fā)的GPRS通信模塊，選用了SIMCom公司的新型產(chǎn)品SIM900芯片。這是一款內(nèi)置GPRS模塊和TCP/IP協(xié)議棧的片上系統(tǒng)(systerm on chip,SOC)型微程序控制器(microprogrommed control unit,MCU)芯片，SOC的硬件和軟件設計都比較簡單，無需再外加MCU，即可直接在該模塊內(nèi)進行二次開發(fā)。該無線通信模塊支持客戶機和服務器兩種工作模式，可根據(jù)客戶需求進行設置。其主要功能包括GPRS通信鏈路的建立、維護以及電能表與抄表主機間的數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)。

3.1數(shù)據(jù)封裝

在COSEM通信中，應用會話的連接和斷開一般都是由客戶端的應用進程發(fā)起的，這些服務供TCP連接管理應用進程使用。建立連接后，需要進行數(shù)據(jù)交換。基于TCP連接的COSEM傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構由國際標準TCP協(xié)議層和WPDU數(shù)據(jù)單元兩部分組成。WPDU部分又由封裝層控制信息和數(shù)據(jù)域兩部分組成，COSEM傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構如圖3所示。

圖3　COSEM傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構Fig.3　Data structure of COSEM transport layer

3.2數(shù)據(jù)交互

DLMS/COSEM標準協(xié)議是面向連接的操作，只有在建立連接后，客戶機和電能表才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。抄表主機和GPRS通信模塊需要建立TCP層的連接，并各自獲取對方的IP和端口號，從而確定邏輯設備的地址。當客戶端與電能表之間需要交換數(shù)據(jù)時，則需要再建立應用層的連接，應用層連接建立后即可傳輸數(shù)據(jù)。具體流程如下。

①建立Socket連接。模塊上電后，首先初始化模塊，注冊到GSM，附著GPRS網(wǎng)絡并激活場景。當需要進行數(shù)據(jù)通信時，由TCP連接管理進程發(fā)起建立Socket連接，建立Socket連接需要配置遠端通信地址相關參數(shù)。這些參數(shù)由COSEM-OPEN服務中的Protocol Connection Parameters提供。其提供的參數(shù)包括：服務端和客戶端雙方的IP、封裝端口號、COSEM邏輯裝置地址、COSEM物理裝置地址等信息。Socket連接成功后，客戶端可以獲取GPRS通信模塊的IP和端口號，并存入在線列表。

②建立應用層連接。建立TCP Socket連接后，在COSEM應用層通信之前，要先建立LN引用連接通信，由客戶機通過調(diào)用打開連接請求服務啟動，發(fā)送應用連接請求(applicationn association request,AARQ)報文，與電能表協(xié)商應用環(huán)境、xDLMS環(huán)境等并進行身份驗證。在發(fā)送AARQ之前，需按62056-47中定義的封裝層協(xié)議對報文進行封裝。GPRS通信模塊收到該報文后，根據(jù)封裝層中的Wport確定轉(zhuǎn)發(fā)給哪個邏輯設備。如去掉封裝層，將報文轉(zhuǎn)發(fā)給電能表，電能表返回連接響應(application association response,AARE)報文，經(jīng)由模塊加上封裝層，轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，則說明應用層連接成功[8]。

③數(shù)據(jù)通信。建立連接后，抄表主機就可以使用應用層提供的服務集訪問電能表對象的屬性和方法。GPRS通信模塊對每次收到數(shù)據(jù)按步驟②中對AARQ、AARE的封裝處理方法處理后轉(zhuǎn)發(fā)，對數(shù)據(jù)幀中的具體內(nèi)容不作任何處理。

④斷開連接。由客戶機通過調(diào)用釋放連接請求服務啟動，根據(jù)關聯(lián)控制單元(association control service element,ACSE)協(xié)議生成一個應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(application protocol data unit,APDU)，經(jīng)GPRS通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給電能表。電能表接到斷開連接請求后，通過釋放確認服務原語向COSEM服務應用進程指示該請求。這意味著已經(jīng)成功斷開應用層連接。

至于TCP層的連接是否需要斷開，則可以根據(jù)用戶需要來選擇。如需斷開，則由TCP連接管理應用進程，調(diào)用TCP-DISCONNECT.request服務原語，向GPRS通信模塊發(fā)出指示。斷開后，GPRS通信模塊層處于偵聽狀態(tài) ，等待新的連接請求。至此，一次完整的數(shù)據(jù)通信就結(jié)束了。

4　安全性和可靠性設計

終端主要從三個方面采取措施，以保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

①硬件設計時，增加電源負載的瞬態(tài)響應能力，采用了隔離、屏蔽等多種抗干擾手段，并盡量使用電磁兼容性好的器件。

②軟件設計時，采用TCP層定時發(fā)送短心跳來維持永久在線，通過發(fā)送AT+CIPTKA指令實現(xiàn)，既可靠又節(jié)省流量。另外，程序定時查詢模塊狀態(tài)，檢測到異常并及時處理，可保證模塊的可靠運行。

③用戶使用時，采用移動接入點(access point name,APN)專網(wǎng)固定IP，用戶數(shù)據(jù)中心無需域名系統(tǒng)(damain name system,DNS)解碼，具有固定IP。GPRS模塊上電后，可直接與服務器建立連接，中間環(huán)節(jié)少、穩(wěn)定性好。客戶需先與移動公司申請APN專網(wǎng)業(yè)務，移動公司將為客戶分配專用的APN，無需承擔專門的費用，性價比高。

5　結(jié)束語

該通信模塊在傳輸數(shù)據(jù)時，并不對從電能表上獲取的數(shù)據(jù)進行校驗，這就要求串口傳輸數(shù)據(jù)的可靠性非常高，即使在惡劣的環(huán)境下(如高溫、高濕)，也需保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。公司在此方面進行了大量的試驗和測試，并長期跟蹤。該模塊已用于伊朗智能表，并安裝于現(xiàn)場。截至目前，模塊運行情況良好，客戶方無異常反饋。

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Research on the Application of IEC 62056-47 Protocol in Automatic Meter Reading System

Aiming at the need of intelligent data transmission of measuring instruments,the DLMS/COSEM communication architecture is applied to GPRS communications model,and a GPRS communication module is designed according to IEC 62056-47 transmission protocol.By using the technology of combining physical address and logical address; application-layer address and network-layer address,the issue of communication addressing is resolved.The whole process of data transmission in module operation is described in detail.A long term of factory test tracking and the trial operation on site show that the module designed is operating stably and reliably,the successful rate of data transmission is high,and it can satisfy customer needs.

Measuring instrumentData transmissionIntelligenceCommunication protocolAddressing schemeSecurityReliability IEC 62056-47GPRSTCP/IP

TH71；TP393

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610009

修改稿收到日期：2016-03-20。

作者杜文靜(1984—)，女，2010年畢業(yè)于南通大學控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學位，工程師；主要從事智能電能表及通信模塊方向的研究。