一种应用于智能电表的互通高质量传输控制协议实现方法及系统与流程

本发明设计电子信息，具体涉及一种个应用于智能电表的互通高质量传输控制协议实现方法及系统。

背景技术：

1、目前，智能电表领域主要应用的通信协议包括dl/t 645系列协议、iec 62056（dlms/cosem）协议和modbus协议。

2、（1）dl/t 645系列协议

3、这是中国电力行业应用最广泛的标准，目前存在1997版本和2007版本。该协议采用主-从结构的半双工通讯模式，帧格式固定，包括起始符、地址域、控制码、数据域、校验码和结束符。数据标识采用四级树状结构，用2个字节的4个字段分别标识数据的类型和属性。但在实际应用中，不同厂商对协议的理解和实现存在差异，导致地址编码方式不统一，例如有的电表使用12位地址，有的仅使用最后几位。

4、（2）iec 62056 (dlms/cosem)协议

5、这是国际通用的面向对象建模标准，采用obis（对象标识系统）为每个数据提供唯一标识码，协议栈分为物理层、数据链路层（采用hdlc协议）和应用层（使用asn.1语法描述数据）。该协议互操作性强，但实现复杂度高，对硬件资源要求较高。

6、（3）modbus协议

7、modbus在工业控制领域应用广泛，采用主从式点对点通讯，允许一台主机和多台从机之间进行数据通信。modbus rtu运行于rs-485总线，modbus tcp基于以太网传输。国家推荐标准gb/t 29871-2013专门针对基于modbus通信协议的能源计量仪表进行了规范。

8、（4）物理层传输方式

9、主要包括rs-485总线（抗干扰能力强、传输距离远）、nb-iot（广覆盖、海量连接、低功耗）、lora（通信距离远、穿透力强）以及以太网等。

10、这些协议在实际应用中存在以下问题：

11、协议互通性差：不同厂商对同一协议标准的实现存在差异，例如dl/t 645协议中地址编码方式不统一，有的电表使用12位地址，有的仅使用最后几位，导致设备间难以互联互通。

12、传输质量不稳定：在复杂电磁环境下，rs-485总线长距离传输存在信号衰减；nb-iot等无线方式在地下室等密闭环境中存在通信盲区。

13、安全机制不完善：现有协议多采用简单的crc校验或纵向信息校验和，缺乏完善的身份认证和数据加密机制。

14、协议适配成本高：智能电表需要支持多种通信协议，但现有方案通常需要更换硬件模块或烧录不同固件，无法实现“即插即用”。

15、因此，亟需一种能够兼容多种协议、自适应调整传输参数、增强安全性且降低适配成本的通信控制协议。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是现有技术中协议互通性差、传输质量不稳定、安全机制不完善和适配成本高的技术问题，为解决上述问题，提供一种应用于智能电表的互通高质量传输控制协议实现方法及系统。

2、本发明的目的是以下述方式实现的：

3、一种应用于智能电表的互通高质量传输控制协议实现方法，本方法的数据处理流向包括接收方向和发送方向，包括以下步骤：

4、步骤a：在接收方向上，通过物理适配层兼容多种物理通信介质，并向上层提供统一的硬件抽象接口，所述物理适配层同时支持多通信链路的冗余管理以及超长数据包的分片重组功能，并自动检测信道质量并动态调整传输参数；

5、步骤b：承接步骤a输出的原始数据流，通过协议适配层内置的多协议解析引擎，自动识别通信对端使用的协议类型，并将不同协议的数据格式统一转换为内部标准格式；

6、步骤c：承接步骤b输出的标准格式数据，通过安全增强层在现有协议校验机制基础上增加双向身份认证、数据加密传输和防重放攻击功能；

7、步骤d：承接步骤c输出的安全校验后数据，通过应用互操作层采用面向对象的数据建模方法，为所有计量数据定义统一的访问接口；

8、在所述发送方向上，数据依次经过步骤d、步骤c、步骤b、步骤a进行逆向处理，完成数据下发或响应上报。

9、所述物理适配层包括以下硬件单元及其连接关系：

10、主控单元，其数据端口分别与物理层接口单元、安全单元、存储单元和标准化接口连接；

11、物理层接口单元，包括rs-485收发器、nb-iot模组、lora模组和以太网phy芯片，各接口单元的数据输出端均连接至主控单元的不同串行通信接口；

12、安全单元，通过i2c或spi总线与主控单元连接；

13、存储单元，通过spi总线与主控单元连接；

14、电源管理单元，其输入端连接外部直流电源，输出端分别连接主控单元、物理层接口单元、安全单元和存储单元的电源引脚；

15、标准化接口，其信号引脚包括电源引脚、uart引脚、spi引脚、gpio引脚和复位引脚，该接口与电表本体的对应接口插接或通过din导轨卡扣固定连接。

16、所述协议适配层执行以下逻辑步骤：

17、步骤b1：物理层接收数据帧后，记录完整帧数据和时间戳，提取帧前2~4字节作为特征码，与预存的协议特征向量表进行匹配；

18、步骤b2：若特征码匹配成功，则按对应协议格式解析地址域，并校验地址域合法性；

19、步骤b3：等待完整帧接收完毕后，按协议规范校验帧校验和；

20、步骤b4：校验通过后，确认协议类型，并将该地址对应的协议信息缓存于协议缓存表中；

21、步骤b5：当连续3次通信失败时，清除该地址的缓存，重新进入识别阶段。

22、所述安全增强层的双向身份认证逻辑包括：

23、主站向电表发送认证请求，该请求包含主站证书序列号和第一随机数r1；

24、电表验证主站证书有效性，生成第二随机数r2，并计算会话密钥key = kdf(r1||r2)；

25、电表返回认证响应，该响应包含r2、用主站公钥加密的会话密钥以及用电表私钥签名的电表证书；

26、主站解密获得会话密钥，验证电表证书，双方确认后进入安全通信模式。

27、还包括超限通信技术的实现步骤：

28、当物理电表的数据包超过通信协议约束的字节容量限制时，将其拆分为多个子数据包，每个子数据包对应一个虚拟电表标识；

29、建立动态映射表，记录物理电表地址与虚拟电表地址范围及数据分片标识的对应关系；

30、接收端根据虚拟电表地址和分片标识，将属于同一物理电表的数据包合并重组，恢复原始完整数据；

31、其中，根据信道质量动态调整分片大小：信道质量高于阈值时采用大分片，信道质量低于阈值时采用小分片，并附加前向纠错编码。

32、还包括通信质量自适应调整步骤：

33、计算综合信道质量评估值q = w1×snr + w2×(1/ber) + w3×rssi + w4×(1/重传率)，  其中： snr表示信噪比， ber表示误码率， rssi表示接收信号强度，重传率为最近10次通信的重传次数/10， w1~w4是权重系数，可配置；

34、当q值低于第一阈值t1时，将rs-485通信速率降低一级；

35、当q值低于第二阈值t2时，切换到备用通信通道；

36、根据rssi动态调整无线通信发射功率，步进为2dbm。

37、一种应用于智能电表的互通高质量传输控制系统，包括：

38、物理适配层模块，用于兼容多种物理通信介质并提供统一硬件抽象接口，该模块包含自动信道质量检测单元和传输参数动态调整单元；

39、协议适配层模块，其输入端连接物理适配层模块的输出端，包含协议识别单元和协议转换单元，所述协议识别单元通过特征码匹配自动识别对端协议类型，所述协议转换单元将不同协议的数据格式转换为内部标准格式；

40、安全增强层模块，其输入端连接协议适配层模块的输出端，包含双向身份认证单元、数据加密单元和防重放攻击单元；

41、应用互操作层模块，其输入端连接安全增强层模块的输出端，包含面向对象的数据建模单元和统一数据访问接口单元；

42、其中，上述各层模块之间通过标准api接口进行数据和控制信号的传递；

43、其中，上述各层模块之间通过内部数据总线和控制信号线进行数据和控制信号的传递；并且，各层模块支持接收方向和发送方向的双向数据处理，在发送方向上数据流向逆向依次经过应用互操作层模块、安全增强层模块、协议适配层模块和物理适配层模块。

44、所述物理适配层模块集成于一独立通信模块内，该通信模块包括：

45、双层pcb板，上层布置主控芯片和射频电路，下层布置接口电路和电源电路；

46、外壳，其上设有导轨卡扣和/或插针，所述插针与电表本体的标准化接口插座直接插接，所述导轨卡扣与din导轨卡接；

47、主控芯片为arm cortex-m4内核微控制器，其spi接口连接spi flash存储芯片，其i2c接口连接安全芯片，其uart接口分别连接rs-485收发器、nb-iot模组、lora模组和以太网phy芯片。

48、还包括多通道冗余传输单元，该单元的逻辑连接关系为：

49、主通道发送请求，若失败则记录失败信息并切换至备用通道，若备用通道成功则缓存数据待主通道恢复后补抄，若所有通道失败则将数据存入重试队列。

50、还包括协作式mesh网络单元，该单元基于6lowpan协议栈实现ipv6 over ieee802.15.4，每个节点维护邻居表和路由表，采用rpl路由协议动态选择最优路径，并支持数据包沿多条路径冗余传输。

51、本发明的有益效果：协议互通性大幅提升：通过动态协议识别与自适应切换机制，提升了多厂商设备兼容率。传输质量显著改善：提升了抄表成功率。安全性增强，满足新型电力系统要求。适配成本降低：通信模块更换成本降低，实现“即插即用”。资源利用率提高：超限通信技术使带宽利用率提升了，延长了电池寿命延长。