基于以太網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 輝，周文超，魏永強(qiáng)，閆冠宇，李 明，楊龍凡

（1.河南中美鋁業(yè)有限公司 河南 鄭州 452477；2.中化國(guó)際（控股）股份有限公司 北京 100045）

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展離不開電，電的質(zhì)量對(duì)公司的生產(chǎn)乃至經(jīng)濟(jì)效益極其重要。我公司是用電大戶，每天按時(shí)間段要去各個(gè)車間抄表，再把抄得的數(shù)據(jù)匯報(bào)給中心站以計(jì)算每日用電度數(shù)及產(chǎn)生的電費(fèi)。由于廠區(qū)大、電表多且分散，每日抄表計(jì)算約要花去一個(gè)小時(shí)的時(shí)間，不僅浪費(fèi)時(shí)間、占用勞動(dòng)力，而且由于各種原因數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，影響各車間每天生產(chǎn)成本結(jié)算。鑒于此，筆者研制了一種基于以太網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，為電工崗位上的工作者帶來了極大的方便，同時(shí)通過對(duì)大型設(shè)備運(yùn)行時(shí)段的優(yōu)化降低公司綜合用電成本。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)集電量數(shù)據(jù)采集、顯示、打印和遠(yuǎn)程抄表于一體，圖1為抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。嵌入式監(jiān)控單元通過RS485總線讀取數(shù)字電表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息并在LCD/觸摸屏上顯示，通過嵌入式采集單元所帶的微型打印機(jī)接口連接打印機(jī)進(jìn)行打印，同時(shí)嵌入式采集單元通過以太網(wǎng)將采集到的電量數(shù)據(jù)上傳至抄表主機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)采集與遠(yuǎn)程抄表的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、精度高、擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用嵌入式ARM9為核心的工控板，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，外接接口豐富。

圖1 抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of meter reading system

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 System hardware structure

2.1 AT91SAM9261S

AT91SAM9261S是一款工業(yè)級(jí)品質(zhì)的以ARM926EJ-S處理器為核心的32位超低功耗微控制器，可直接驅(qū)動(dòng)觸摸屏。外設(shè)包括實(shí)時(shí)定時(shí)器，3個(gè)32位并行I／O、SD卡，3個(gè)USART，SPI等。以AT91SAM9261S為主處理器的EM9161工控板是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高性價(jià)比的嵌入式主板，帶有1路以太網(wǎng)口，4路標(biāo)準(zhǔn)UART串口和多種總線。本系統(tǒng)選用EM9161工控板為嵌入式采集單元。

2.2 RS485總線

RS485接口[1]是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口，RS485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收因而抑制共模干擾的能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。RS485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)中的數(shù)字電表是帶有RS485接口的全數(shù)字電子表，可直接掛接在RS485總線上。每個(gè)RS485模塊可以掛32個(gè)數(shù)字電表。

2.3 以太網(wǎng)接口

EM9161工控板上的以太網(wǎng)接口[2-3]為標(biāo)準(zhǔn)的RJ45插座，硬件電路圖如圖3所示。EM9161工控板上引出的以太網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過11F-05到RJ45插座上，其中11F-05為RJ45集成網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，主要起信號(hào)傳輸、阻抗匹配、信號(hào)雜波抑制和高電壓隔離等作用。以太網(wǎng)的RJ45插座上自帶指示燈，綠燈為L(zhǎng)INK燈，黃燈為100 M燈。

3 軟件設(shè)計(jì)

本抄表系統(tǒng)軟件采用WINCE操作系統(tǒng)[4]進(jìn)行開發(fā)。WINCE是微軟公司著名的多線程實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是目前嵌入式領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)之一。它包括了以TCP/IP為特色的完整的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，并提供了基于TCP/IP應(yīng)用協(xié)議的服務(wù)器程序，如FTP Server、Web Server等等很實(shí)用的軟件程序。EM9161工控板已嵌入正版Windows CE5.0實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。Windows CE 5.0具有核心操作系統(tǒng)組件和強(qiáng)大的開發(fā)和測(cè)試工具，它為嵌入式開放人員提供了一套統(tǒng)一的工具，以構(gòu)建、調(diào)試和部署基于Windows CE的自定義設(shè)備。本系統(tǒng)因其需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量較小，故使用WINCE自帶的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)最多支持4種排序索引。主程序流程圖如圖4所示。

圖3 以太網(wǎng)接口硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of circuit Ethernet interface

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

3.1 DL/T645通信規(guī)約

我國(guó)電力系統(tǒng)中常用的DL/T645通信規(guī)約[1]將24小時(shí)的電價(jià)劃分為尖、峰、平、谷4個(gè)時(shí)間段。尖峰時(shí)期是用電量高的時(shí)間，用電用戶多且用電量大，電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)供電不足，系統(tǒng)頻率下降；平峰時(shí)期是用電量正常合理的使用，電網(wǎng)供電充足，頻率穩(wěn)定；低谷時(shí)期就是夜間低谷，此時(shí)電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)電能過剩，頻率上升，同樣會(huì)造成不平衡。按時(shí)段定電價(jià)，那么峰時(shí)比平時(shí)要高0.2～0.3元，比谷時(shí)要高0.5元左右，所以合理安排用電時(shí)段可以大大降低用電費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 TCP/IP協(xié)議

TCP／TP協(xié)議[3，5]一個(gè)使用非常普遍的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可使Internet上的數(shù)據(jù)快速安全準(zhǔn)確的傳輸。TCP/TP的參考模型有4層，分別是：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。以太網(wǎng)是Internet上廣泛使用的局域網(wǎng)，不僅完全支持TCP/IP協(xié)議，通信速率高（10～100 Mbps），而且組網(wǎng)成本低、可靠性高。本抄表系統(tǒng)只需給每個(gè)數(shù)字電表設(shè)置一個(gè)IP，抄表主機(jī)通過IP地址就可以和數(shù)字電表進(jìn)行通信，非常方便。

3.3 RS485通訊

因RS485為半雙工數(shù)據(jù)通訊模式，數(shù)據(jù)的收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行。為了保證數(shù)據(jù)收發(fā)不沖突，硬件上是通過方向切換來實(shí)現(xiàn)的，相應(yīng)地軟件上必須將收發(fā)的過程嚴(yán)格地分開。

封裝兩個(gè)類來實(shí)現(xiàn)DL645通信規(guī)約：一個(gè)用于串口通信的Serial類，主要完成打開、關(guān)閉和收發(fā)串口數(shù)據(jù)等功能。一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)DL645規(guī)約鏈路層DL645的類，它主要提供設(shè)置通信地址，超時(shí)時(shí)間等信息，并完成通信幀的打包、解包、錯(cuò)誤較驗(yàn)和數(shù)據(jù)幀的收發(fā)等功能。

基于485半雙工通信的特點(diǎn)，使用一個(gè)函數(shù)Transmit（）完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)接收發(fā)送過程如下：

1）應(yīng)用層調(diào)用DL645類的Transmit（）函數(shù)，并將發(fā)送的數(shù)據(jù)送給 Transmit（）函數(shù)；

2）在Transmit（）函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)打包，增加幀起始符、幀結(jié)束符、校驗(yàn)碼等信息，使其符合DL645規(guī)約；

3）調(diào)用串口通信Serial類的 WritePort（）函數(shù)，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)；

4）等待數(shù)據(jù)接收。遇到下列情況之一時(shí)函數(shù)返回：①接收到一幀完整數(shù)據(jù)；②接收超時(shí)；③較驗(yàn)出錯(cuò)；④通信出錯(cuò)。

數(shù)據(jù)接收時(shí)，Serial類的中斷處理函數(shù)收到數(shù)據(jù)，直接調(diào)用 DL645類中的 Receive（）函數(shù)，在 Receive（）函數(shù)中完成一幀數(shù)據(jù)的解包工作。

3.4 抄表主界面

以型號(hào)為PD204E-2S4的江陰表為例，依據(jù)尖峰平谷用電制度設(shè)計(jì)抄表界面[6]如圖5所示。

圖5 抄表主機(jī)界面Fig.5 Meter reading mainframe interface

抄表主機(jī)界面主要功能有系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)抄表、停止抄表和數(shù)據(jù)庫查詢。其中參數(shù)設(shè)置可以設(shè)置當(dāng)前時(shí)間和自動(dòng)抄表周期，可以設(shè)置為每隔一個(gè)小時(shí)抄一次表，最長(zhǎng)可設(shè)置為每日抄表一次；數(shù)據(jù)庫查詢可以查詢近一個(gè)月的電量使用情況。在數(shù)字電表界面中，可以按對(duì)時(shí)按鈕來和抄表主機(jī)時(shí)間同步，與抄表主機(jī)之間建立連接、斷開連接并向抄表主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

文中詳細(xì)介紹了嵌入式遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，軟件采用WINCE操作系統(tǒng)，代碼少且可移植性強(qiáng)運(yùn)行速度快。本抄表系統(tǒng)可以抄多種電子表，給電工人員提供了很大的方便，同時(shí)根據(jù)用電制度安排大型設(shè)備的運(yùn)行時(shí)段優(yōu)化生產(chǎn)減低用電成本，在電費(fèi)上漲的情況下也能將用電費(fèi)用控制在預(yù)算內(nèi)。

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