基于物聯網的智能電表采集系統設計※＊

亢紅波，許宏科

（1.長安大學 電子與控制工程學院，西安710064；2.西安郵電大學）

亢紅波（講師），研究方向為智能測控。

引 言

物聯網已逐漸走進智能電網的時代，傳統的電表（包括電子式電表）已遠遠落后于發展需求，智能電表將成為一個不可或缺的重要環節。目前市場流行多種傳輸方式的遠程抄表系統，如現場總線方式［1］、專用光纖網絡方式、電話交換網絡方式［2］、Internet方式［3］、無線數傳電臺方式、GPRS方式［4－7］，這些方式在成本、功耗等方面各有其優缺點［8］。

本文設計的基于物聯網的智能電表采集系統，遵循DL／T645－2007《多功能電能表通信協議》、GB／T19582－2008《基于Modbus協議的工業自動化網絡規范》等規范標準，采用超低功耗控制設計思想，通過Modbus總線網絡與互聯網絡的本地融合，實現雙流向、遠距離、全自動、高可靠的智能儀表數據采集，豐富了智能電表系統的內涵。

1 系統整體介紹

基于物聯網的智能電表采集系統結構如圖1 所示。采集系統包括：智能儀表節點、數據采集終端設備、監控上位機。智能儀表節點包括遵循各類規范標準的智能儀表，完成命令接收（要數命令、配置命令），以及數據上傳（數據信息、本地信息）等功能，可選用標準工業化設備；數據采集終端設備是整個網絡的核心，實現儀表數據采集、數據處理、協議轉換、TCP／IP網絡協議封裝打包及數據上傳、遠程命令下發、本地存儲調試等功能；監控上位機完成數據的歸檔、融合、顯示、查詢，必要時輔以專家系統，以實現相應的控制動作，系統也包含了相應的用戶安全設計。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件設計原則

系統硬件設計以功耗、可靠性為基本評價標準，同時還需兼顧現場的供電、維護等條件，主要包括：

①低功耗設計：采用低功耗主控器與外圍功能元件；

圖1 系統結構圖

②多方案供電設計：除外部電源適配器供電外，還配備了后備電池（關鍵單元配專用電池）；

③易維護性設計：預留本地調試接口，可進行現場維護，還可通過遠程網絡授權維護；

④抗干擾及穩定性設計：選用抗電磁干擾設計器件，電路合理分區布局，電源的濾波與抗噪，合理利用看門狗，系統環境溫濕度監測與處理等。

2.2 數據采集終端設備硬件設計

數據采集終端設備的組成框圖如圖2所示。

圖2 數據采集終端設備組成框圖

硬件采用模塊化的電路設計，包括微控制器最小系統模塊、網絡模塊、RS485總線傳輸模塊、數據存儲模塊、系統調試模塊、電源管理模塊、RTC電路模塊等部分。

2.2.1 微控制器最小系統設計

系統選取飛思卡爾超低功耗微控制器KL46為主控芯片，其有3個UART、2個SPI和2個I2C接口，并集成了高速模擬比較器和功能強大的定時器，完全滿足本系統設計要求。KL46最小系統包括了復位電路、晶振電路、JTAG接口電路。微控制器最小系統原理圖略——編者注。

2.2.2 網絡模塊設計

網絡模塊以ENC28J60為主芯片，與MCU 通過SPI接口進行通信，輸入／輸出信號有：RST 復位信號、INT 中斷信號、WOL 喚醒信號及CLKOUT 時鐘輸出信號，如圖3所示。

圖中R13～R20 均為上拉電阻，對主控制器KL46到芯片ENC28J60之間的信號做上拉處理，避免高阻態的出現；C12為1μF 的極性電容，作為電源的濾波；而TPOUT＋、TPOUT－以及TPIN＋、TPIN－則為網絡傳輸的差分信號線，這4根跳線將接入到網絡變壓器進行電壓轉換后，再傳輸。

網絡接口選用HR911105A 的RJ45接口，其內部含有網絡信號的電壓保護及轉換電路，客觀上也減少了PCB的設計負擔。

2.2.3 數據存儲模塊設計

數據存儲模塊選用超小型大容量SD 記憶卡為載體，其原理略——編者注。

2.2.4 RS485總線電路設計

RS485總線電路分為兩個RS485總線模塊部分：數據采集部分和數據上傳部分。如圖4所示，RS485傳輸芯片采用Maxim 公司生產的MAX3072，具有3.3V 的供電特性，可支持高達256個節點的通信。

2.2.5 電源管理電路設計

系統在設計時考慮到功耗及抗干擾因素，需要分別對3部分電路進行穩壓設計：核心部分（主控制器、調試端口、時鐘芯片），采集部分（RS485總線采集的芯片設備），以及網絡部分（ENC28J60 網絡芯片、數據上傳部分及SD卡）。

為了解決工業環境的電源供電問題，系統利用LM2940的5V 穩壓芯片，可以滿足6～26V 電源的DC直流輸入和備用電池充電輸入，其前級可采用AC／DC 模塊，備用電池接口具備防反接設計。電源、開關電路及3.3V穩壓電路設計略——編者注。

圖3 網絡模塊電路

圖4 RS485電路

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用服務式層次化程序設計思路，針對不同的模塊，編寫相應的驅動代碼與通信協議代碼。利用ARM 內核的NVIC 對系統不同的服務進程進行任務調度，從而實現了簡單的多任務處理過程，同時通過優化程序代碼結構，系統對資源的利用率和對任務的響應速度都得到了極大的提升。

3.1 系統服務

系統軟件設計采用服務式程序設計，故系統設備將以服務進程的方式運行，由以下幾部分組成。

3.1.1 初始化服務

初始化服務分為多個不同的初始化過程，并按照一定的順序進行，當完成所有初始化后，該服務將自行關閉。

①內核初始化：微控制器芯片ARM 內核初始化、RAM 空間初始化，分配堆棧區、中斷向量表等系統使用空間；

②內部驅動初始化：初始化PLL、GPIO、UART、SPI、PIT、LPTMR等；

③外部設備初始化：利用已初始化完成的芯片驅動，控制 ENC28J60、 SD 卡、MAX13432、DS3234 等 一 系 列外部器件，同時進行設備的開機自檢，保證設備正常，待后續服務使用；

④參數初始化：使用內部Flash和時鐘芯片DS3234中的RAM 進行參數存儲，以備掉電時的參數保存，當系統啟動時要對參數進行重新加載。

⑤協議初始化：芯片器件之間的通信以及網絡上的通信都需要不同的協議，根據獲取的參數初始化相應的協議功能。

3.1.2 后臺調試服務

后臺調試服務在系統初始化完成后啟動，負責指令的識別及相應的處理并返回結果，服務啟動后將駐留后臺。服務主要通過UART 接口負責通信和調試，當網絡傳輸服務開啟后將會接入該服務，利用特定的TCP、UDP端口進行網絡指令和響應的傳輸。

3.1.3 文件系統服務

文件系統服務在SD 卡初始化完成后啟用，負責SD卡等外部存儲設備的文件讀寫。利用開源的FatFs文件系統，通過已初始化好的SD 卡程序接口，對外部存儲器進行文件系統的操作和管理。服務主要以后臺等待的方式存在，只有對外部存儲設備進行操作時在前臺運行。

3.1.4 網絡傳輸服務

網絡傳輸服務以TCP／IP協議棧為主，整個協議棧存在于主控制器中。網絡傳輸服務啟動后，將接管ENC28J60以太網控制器的控制權，所有網絡數據都將由該服務處理。該服務啟動后將首先運行DHCP請求，以自動獲取IP。獲得分配的IP后，服務將在后臺等待網絡數據。

3.1.5 數據采集服務

數據采集服務為整個系統中唯一一個長期處于前臺的服務程序，僅當其他服務程序均正常啟動時運行，主要負責RS485總線上的數據收發，發送節點終端的查詢數據包。接收到數據后，首先調用文件系統服務，將數據寫入外部存儲器，然后再調用網絡傳輸服務，將數據組包發送給服務器。

3.2 軟件設計

系統軟件采用層次化結構的設計思想。利用層次分明的結構進行程序設計，有利于代碼的編寫、閱讀、修改。從芯片的底層驅動開始，層層往上，程序結構框圖如圖5 所示。下層結構向上層提供函數接口，上層結構利用下層提供的接口進行控制操作。

圖5 程序結構框圖

3.2.1 TCP／IP網絡協議

系統采用的TCP／IP網絡協議為獨立設計編寫，而考慮到單片機的資源利用問題，精簡了大部分無用的子協議，以最少的資源完成最大的功能。協議報文，TCP 連接，動態獲取IP過程略——編者注。

3.2.2 存儲設備驅動

系統需要利用SD卡作為外部存儲設備，再加上文件系統，以對外部存儲器進行文件管理操作。

SD卡驅動略——編者注。在外部存儲器中，存儲的均為0、1組成的二進制數據，進行操作時為了方便而需要轉換成十六進制數據，但是與在操作系統中進行的文件操作仍有很大區別。通過文件系統，用戶可以方便地對存儲器進行分區、創建文件、寫入文件、讀取文件、刪除文件等操作。

FatFs是一個開源的、專門為嵌入式系統研發的通用FAT 文件系統，全代碼由ANSI C編寫完成，具有完全分離的磁盤I／O 操作、獨立的硬件體系結構。其結構略——編者注。

移植FatFs時僅需修改ffconf.h和diskio.c文件，根據系統的需求，修改ffconf.h文件中不同的宏定義即可。

3.3 上位機設計

相關管理中心的上位監控機對整個系統進行管理監控，完成數據采集、命令下發、遠程配置、數據融合、能耗分析等功能。利用VC和SQLserver數據庫開發，此處不再贅述。

結 語

本文設計的基于物聯網的智能電表采集系統，實現了對現場設備電氣參數實時采集及監控，靈活地結合了當前智能電表的現場總線傳輸規范和網絡傳輸方式，實現了真正意義上的雙向數據通信，是智能電網發展的新方向，為電網安全運行提供了更可靠的支撐手段，同時，也為能耗控制提供了保證。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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［2］孔建華.智能遠程抄表系統的設計與開發［D］.南京：南京理工大學，2005.

［3］李蘭春.基于ARM 的GPRS數據采集傳輸系統［D］.太原：太原理工大學，2012.

［4］ChinE Lin，Chih－Ching Li.A Real Time GPRS Surveillance System Using the Embedded System［J］.Journal of Aerospace Computing，Information and Communication，2004（1）：44－59.

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［6］吳雙，徐琦，趙珂，等.基于GPRS技術的遠程智能抄表系統設計與研究［J］.電子設計工程，2011（12）：66－67.

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［8］呂曉東.基于GPRS M 絡的遠程抄表系統軟件設計［D］.南京：南京理工大學，2014.