甘德国，熊天意

（西南电子设备研究所,四川成都，610036）

0 引言

信号源、频谱仪、示波器及矢网等仪器作为电子设备类科研院所最常使用的电子测量仪器，具备单台价值大、使用频率高、位置分散等特点，虽然重要仪器每年在不断增补，但始终难以满足使用需求，为仪器管理和投资采购带来了极大的挑战。目前仪器管理主要存在使用状态不明、位置信息不准等问题，导致仪器资源被长时间独占、资源不能共享。为了降低仪器增量投入带来的成本压力，提高关键仪器的使用效率，需要对所有仪器使用状态和位置进行动态监控，支撑仪器在忙闲不均时的动态调配使用。目前缺乏符合保密要求的、不采用无线传输信号的仪器管理手段，结合应用需求设计和实现对仪器使用状态和位置信息实时动态监控具备重要的研究价值。

低压电力线载波通信技术（Low Voltage Power Line Communication，LVPLC）是一种将低压电力线（220V用户线）作为传播载体，把信息数据调制耦合到电力线上同电源同步传输，利用调制解调技术在接收端将信息解调的通信方式。[1-2]低压电力线是一种非均匀分布的传输线，存在着噪声干扰强、信号衰减大、阻抗变化明显等影响着实际应用的问题。[3-5]随着有关研究的深入和技术的发展，国内外已研制专用的载波通信芯片，并制定了相应的通信协议标准，该技术已在电网远程抄表、能耗监测、路灯控制等方面得到了广泛的应用，[6-9]成都天奥测控公司则重点围绕着电力载波技术在涉密场所应用进行了分析，初步分析了实现流程和应用场景。[10]

结合仪器管理实际应用需求，本文设计并实现了一种基于电力载波通信技术的仪器动态监控系统，该系统具备以下优点：

（1）低成本：仪器使用分散并且随测试任务不同而到处搬移，利用电力线可以减少终端网络布线，解决“最后一公里”的网络接入。

（2）保密性好：采用电力线进行信息传播，传输距离可控，同时避免了无线发射，适应保密要求高的场所使用。

1 系统设计方案

仪器存在经常搬动位置的特点，为了能够在仪器移动后也能监控其使用状态和位置，只能在电源线上加装检测装置，用于采集仪器用电的电压和电流等数据，判断仪器处于使用或关机状态。利用低压电力载波技术，电源线上的采集模块将采集状态信息调制为高频载波信息通过电力线发送，同时在每个房间安装一个集中器对电力载波信号进行解调，实现与采集模块的数据通信，集中器接入内部局域网络，实现数据传输和位置定位，仪器状态采集与管理软件采集所有集中器上报的信息，实现对所有仪器终端的使用状态和位置的管理、统计和分析。系统总体设计如图1所示。

图1 仪器资源动态监控系统设计框图

系统主要组成及功能包括：

（1）采集终端：在原有的仪器电源线中串入采集终端，可与仪器电源接口相互连接，用电检测模块主要负责对仪器使用中的电压和电流数据进行采集，电力载波模块将采集到的数据调制后通过电力载波的方式传输给集中器。

（2）集中器：通过电力线传输的方式与采集终端通信，接收仪器状态采集终端采集到的仪器电压电流数据并通过网络向外部应用系统转发，由于网络交换机所处的位置确定，同时可以确定仪器所在的房间位置。

（3）仪器状态采集与管理软件：主要负责接收并解析集中器发送的仪器电压电流数据，并判断使用状态（开机、关机），将处理好的数据进行存储并与仪器资产管理信息进行关联，开展仪器数据统计分析。

2 硬件设计方案

系统硬件由两部分组成，包括采集终端和集中器。

（1）采集终端包括控制电路、电源转换模块、存储模块、时钟同步电路、继电器控制电路、电力载波调制解调电路、耦合电路、计量电路和过零检测电路等。采集终端工作原理如图2所示。

图2 采集终端工作原理框图

采集终端AC/DC转换电路将220V电压输入转换为电路需要的12V和3.3V电压；耦合电路用于隔离强电，并确保较高的载波信号加载效率；过零检测电路将工频交流电的过零时刻以脉冲的方式告知载波芯片，为分时通信和相位判断提供依据；计量电路用于采集仪器使用时的电压电流数据，在离线状态时时钟同步电路提供系统时钟，为数据打上时间标志后通过存储器进行数据存储，当与集中器正常进行通信连接时，则通过电力载波信号调制电路将离线存储或实时采集数据进行调制放大后耦合加载到电力线进行传输上报。

（2）集中器主要包括控制电路、AC/DC电路、电力载波调制解调电路、耦合电路、过零检测电路以及网络接口电路，工作原理如图3所示。

图3 集中器工作原理框图

集中器是整个载波通信的核心，是应用系统与终端连接的桥梁，集中器向下通过电力载波完成与采集终端的通信，向上通过网络将信息传送到仪器状态采集与管理软件服务器。

3 软件设计方案

软件设计围绕着系统的管理以及统计分析应用，按照平台层、服务层以及应用层进行分层设计，软件架构如图4所示，其中平台层为集中器组网、数据采集、存储以及分析计算提供基础平台，服务层为设备基础管理、数据统计分析及可视化等提供模块化组件服务，应用层面向系统管理提供人机交互界面，展示仪器终端的位置及使用状态信息，并提供多维度的数据统计分析功能。软件具备以下功能：

图4 软件架构图

（1）对采集终端和集中器进行管理和配置，包括仪器类型、编号、部门、使用人等基础信息。

（2）能够配置仪器开关机的状态参数，能够根据通信连接情况生成位置拓扑图。

（3）具备数据的统计分析功能，包括按照单台设备统计每日使用时长和单天使用率；按照使用部门统计计算每类设备的数量、总体使用率，并对单台仪器使用率进行排序；按照仪器种类统计计算每种仪器各部门的数量、总体使用率并对部门使用率进行排序；按照每天、每周、每月、每季度、每年或自定义的方式统计计算使用率并自动生成分析报告。

4 应用试验结果

仪器动态监控系统分别在2个区域3个房间共布置了15套采集终端对信号源、频谱仪和矢网等仪器进行了监控，其中房间1布置了5套采集终端和1个集中器，房间2部署了3套采集终端和1个集中器，房间3部署了7套终端和1个集中器，系统试验部署方案如图5所示。

图5 系统试验部署方案

系统部署后运行状态稳定，根据各种仪器使用功耗区别设定了开关机判定阈值，采集通过采集终端检测电流数据，当能够与所在房间的集中器通信时，则判定仪器所在位置并在软件位置拓扑图界面中自动显示，同时可解析上传数据展示仪器实时的使用状态，并且对大量积累的数据进行统计分析和结果展示，支持仪器管理人员精细化管理和调度。仪器位置及使用状态信息如图6和图7所示。

图6 仪器位置拓扑图

图7 仪器使用状态信息

5 结束语

本文针对仪器管理中存在的“用没用”和“在哪儿”两个基本问题，基于电力载波通信技术设计了仪器动态监控系统，并进行了部署试验，验证了传输可靠性和监测的准确性，试验结果表明，该系统能够在不采用无线发射的条件下满足对仪器管理的需求，特别适用于保密要求较高的场所，对后续推广运用具有指导意义。