王利明 李新堂

（深圳市特發(fā)泰科通信科技有限公司 廣東省深圳市 518057）

1 引言

作為電力基礎(chǔ)設(shè)施之一的配電站房，下面管轄的站點(diǎn)數(shù)量多、地點(diǎn)又比較分散，就會(huì)有象運(yùn)維效率低下、監(jiān)管困難、沒(méi)有辦法第一時(shí)間排除故障等等的各種難題，于是便有了針對(duì)電力行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的信息收集，包括視頻、溫濕度、SF6 等有害氣體數(shù)據(jù)、配電設(shè)備局放和電氣量等，并集中送往當(dāng)?shù)睾笈_(tái)或遠(yuǎn)方調(diào)度主站，同時(shí)將后臺(tái)或主站命令傳遞給各測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)程控制。

當(dāng)前電力通信網(wǎng)以光纖網(wǎng)絡(luò)為主，并且市場(chǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備大多是基于有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的，少數(shù)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以通過(guò)4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，但也不具有鏈路備份的功能，也就是說(shuō)，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備都無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與光纖有線網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路備份功能。

雖然有一些路由器或備份設(shè)備可以提供無(wú)線/有線的鏈路備份功能，將物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)和這些設(shè)備連接，可以實(shí)現(xiàn)將物聯(lián)網(wǎng)關(guān)采集到的數(shù)據(jù)傳送到中心監(jiān)控平臺(tái)，但由于通過(guò)4G/5G 的SIM卡獲得的IP 地址是動(dòng)態(tài)的，這種方式都是由下向上傳送數(shù)據(jù)，無(wú)法由中心監(jiān)控平臺(tái)向物聯(lián)網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢和控制指令。

因此，為保障通信鏈路的傳輸，研究和開(kāi)發(fā)具有鏈路備份功能的配電房監(jiān)控系統(tǒng)就顯得十分必要和迫切。該系統(tǒng)基于4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與光纖有線網(wǎng)絡(luò)的鏈路備份，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與中心站點(diǎn)的中心服務(wù)器設(shè)備之間采用端對(duì)端的鏈路測(cè)試、切換方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)絡(luò)的鏈路備份，并實(shí)現(xiàn)鏈路的自動(dòng)切換功能，解決了重要數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通道冗余備份傳輸?shù)男枨蟆Ｍ瑫r(shí)，在無(wú)線鏈路上采用VPN 虛擬網(wǎng)絡(luò)的方式，實(shí)現(xiàn)了中心站點(diǎn)的監(jiān)控平臺(tái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的主動(dòng)請(qǐng)求。

為了保障告警信息等重要數(shù)據(jù)的及時(shí)上報(bào)，該系統(tǒng)采用了有線和無(wú)線兩條鏈路同時(shí)發(fā)送的方法，即物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)兩條鏈路同時(shí)發(fā)送給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器收到任意鏈路的第一條數(shù)據(jù)后，馬上轉(zhuǎn)發(fā)給中心監(jiān)控平臺(tái)，而將第二條數(shù)據(jù)丟棄，節(jié)約了鏈路故障后鏈路切換的時(shí)間，使告警的通知和聯(lián)動(dòng)處理更加及時(shí)。

2 鏈路備份系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概況

該系統(tǒng)整體包括兩部分，安裝在各個(gè)業(yè)務(wù)站點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備和安裝在中心站點(diǎn)的中心服務(wù)器設(shè)備。中心服務(wù)器設(shè)備通過(guò)兩個(gè)IP地址分別連接光纖網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的是公網(wǎng)IP地址，可以采用Windows Server 或Linux 操作系統(tǒng)運(yùn)行路由算法和數(shù)據(jù)處理；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)接口連接光纖網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線接口通過(guò)插入SIM 卡連接4G/5G 無(wú)線系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與中心服務(wù)器同時(shí)在兩條通道（光纖網(wǎng)絡(luò)通道及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道）上進(jìn)行端對(duì)端的鏈路測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)傳輸?shù)穆酚膳渲?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路備份功能。系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)連接示意圖

2.2 鏈路路由維護(hù)

該系統(tǒng)的鏈路路由維護(hù)模式采用C/S（客戶端/服務(wù)器）模式，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備運(yùn)行客戶端程序，中心服務(wù)器設(shè)備運(yùn)行服務(wù)器程序。鏈路路由維護(hù)操作主要由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備來(lái)發(fā)起，中心服務(wù)器設(shè)備被動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)雙邊鏈路的同步切換。

具體實(shí)現(xiàn)流程是：

（1）物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備啟動(dòng)后，測(cè)試連接中心服務(wù)器設(shè)備的光纖網(wǎng)絡(luò)和4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中一條網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)，優(yōu)先測(cè)試光纖有線鏈路。測(cè)試成功后，在該測(cè)試成功的網(wǎng)絡(luò)鏈路對(duì)應(yīng)的接口向中心服務(wù)器設(shè)備發(fā)送路由設(shè)置報(bào)文；中心服務(wù)器設(shè)備根據(jù)接收的路由設(shè)置報(bào)文設(shè)置此物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的業(yè)務(wù)鏈路到該測(cè)試成功的網(wǎng)絡(luò)鏈路，并向物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送響應(yīng)報(bào)文；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備根據(jù)接收的響應(yīng)報(bào)文設(shè)置本端的業(yè)務(wù)鏈路到與該測(cè)試成功的網(wǎng)絡(luò)鏈路所對(duì)應(yīng)的接口。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行鏈路測(cè)試進(jìn)程，監(jiān)控當(dāng)前通道狀態(tài)。同時(shí)，啟動(dòng)VPN 客戶端模塊，和中心服務(wù)器上的VPN 服務(wù)器之間建立無(wú)線鏈接的VPN 通道連接，這樣可以使主備切換時(shí)間短?？蛇x地，用戶也可以配置為只有在切換到無(wú)線鏈路時(shí)才建立VPN通道連接。此處以先建立連接描述。

（2）基于有線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性更佳，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備默認(rèn)以光纖有線鏈路為主用通道，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為備用通道。如果當(dāng)前通道狀態(tài)是主用通道，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備監(jiān)測(cè)到有線接口（FE 接口）鏈路故障后，在無(wú)線接口測(cè)試鏈路，如果測(cè)試成功，則在無(wú)線接口上發(fā)送路由設(shè)置報(bào)文，中心服務(wù)器設(shè)備收到路由設(shè)置報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容設(shè)置業(yè)務(wù)鏈路到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)發(fā)送路由設(shè)置響應(yīng)報(bào)文，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備收到路由設(shè)置響應(yīng)報(bào)文后，設(shè)置本端的業(yè)務(wù)鏈路到無(wú)線接口；如果當(dāng)前通道狀態(tài)是備用通道，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備持續(xù)執(zhí)行鏈路測(cè)試進(jìn)程，一旦有線接口鏈路測(cè)試成功，則按前述路由設(shè)置方法將業(yè)務(wù)鏈路切換回有線鏈路。

其中，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鏈路維護(hù)實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鏈路維護(hù)實(shí)現(xiàn)流程

2.3 告警雙報(bào)

關(guān)于告警等重要數(shù)據(jù)雙路上報(bào)發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1：雙路上報(bào)數(shù)據(jù)格式

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過(guò)有線和無(wú)線雙鏈路發(fā)送報(bào)文，其中序列號(hào)取值1-65535，依次增加，循環(huán)使用。中心服務(wù)器收到物理網(wǎng)關(guān)的報(bào)文后，根據(jù)標(biāo)志字節(jié)判斷是否是雙路上報(bào)。如果是雙路上報(bào)，讀取序列號(hào)，并和已保存的上一次雙路上報(bào)序列號(hào)（初始值為0）比較，除序列號(hào)1（已保存上次序列號(hào)為0 或65535 則是新循環(huán)有效報(bào)文；其他則丟棄）外，相同或小于則丟棄此報(bào)文，如果大于則代表這是新收到的雙路報(bào)文，讀取報(bào)文內(nèi)容并轉(zhuǎn)發(fā)給中心監(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)保存新的序列號(hào)和發(fā)送應(yīng)答報(bào)文。中心服務(wù)器處理報(bào)文流程見(jiàn)圖3。

圖3：中心服務(wù)器處理報(bào)文流程

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)收到應(yīng)答報(bào)文后，保存已使用序列號(hào)。采用超時(shí)機(jī)制對(duì)兩路都沒(méi)有收到應(yīng)答報(bào)文按相同序列號(hào)重新發(fā)送。

注：中心監(jiān)控平臺(tái)可以是位于和中心服務(wù)器同一局域網(wǎng)的其他機(jī)器上，也可以和中心服務(wù)器同一臺(tái)機(jī)器。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

與目前常用的智能配電房監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有如下不同的特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)傳輸采用4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及光纖有線網(wǎng)絡(luò)雙網(wǎng)鏈路備份，自動(dòng)切換，避免因?yàn)閱我煌ㄓ嵕€路故障導(dǎo)致通訊中斷。

（2）通過(guò)SIM 卡獲取的IP 地址是動(dòng)態(tài)的，在無(wú)線鏈路上中心主站監(jiān)控平臺(tái)無(wú)法主動(dòng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)或下連終端發(fā)起請(qǐng)求，采用中心服務(wù)器路由維護(hù)+VPN 的方式后可以解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）告警信息等重要數(shù)據(jù)的及時(shí)上報(bào)，采用了有線和無(wú)線兩條鏈路同時(shí)發(fā)送的方法，即物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)兩條鏈路同時(shí)發(fā)送給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器收到任意鏈路的第一條數(shù)據(jù)后，馬上轉(zhuǎn)發(fā)給中心監(jiān)控平臺(tái)，而將第二條數(shù)據(jù)丟棄，避免了在鏈路故障情況下需要等待鏈路切換后才能上報(bào)，使告警的通知和聯(lián)動(dòng)處理更加及時(shí)。

4 其他說(shuō)明

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)連接的設(shè)備包括各種傳感器、攝像頭、電能表、照明、風(fēng)機(jī)、門禁、測(cè)控設(shè)備等終端設(shè)備，以下簡(jiǎn)稱為終端。

當(dāng)使用無(wú)線鏈路時(shí)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)直接通過(guò)RS232/485 接口連接的終端數(shù)據(jù)查詢或控制，中心監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的報(bào)文目的地址是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的IP 地址；對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)口連接的終端，中心監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的報(bào)文有兩種實(shí)現(xiàn)方式由用戶選擇：

（1）報(bào)文目的地址是終端的IP 地址。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)收到報(bào)文后，檢測(cè)目的地址是終端，根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）采用動(dòng)態(tài)NAT 或端口映射的方法，轉(zhuǎn)換終端IP 地址到物聯(lián)網(wǎng)關(guān)IP 地址，或者映射終端的訪問(wèn)端口到物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的端口，此時(shí)報(bào)文目的地址是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的IP 地址。

另外，也可以采用公有云做為無(wú)線鏈路的中轉(zhuǎn)服務(wù)器，這樣中心服務(wù)器就可以不需要公網(wǎng)IP 地址了。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具備無(wú)線與有線網(wǎng)絡(luò)鏈路備份的配電房監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)關(guān)無(wú)線接口可以避免因?yàn)橛芯€網(wǎng)絡(luò)中斷無(wú)法接收數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)備份，實(shí)現(xiàn)了配電房監(jiān)測(cè)和報(bào)警數(shù)據(jù)在有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間傳輸?shù)逆溌穫浞莨δ?，確保了數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的可靠性，降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。