【摘要】本文所設(shè)計的電表采集器以Cortex-M3型嵌入式微控制器為核心，從電表上的RS485通訊接口實(shí)時地讀取表中數(shù)據(jù)，并通過WIFI模塊連接無線網(wǎng)絡(luò)將電表數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。這些采集的設(shè)備用電量和運(yùn)行時間可使企業(yè)及時準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)運(yùn)行情況，并實(shí)現(xiàn)企業(yè)的自動化管理。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；無線采集；微控制器；RS485

Abstract：The electric-meter collector is designed with the Cortex-M3 embedded microcontroller controller as the core.It reads the data from electric-meter on the RS485 communication interface in real time，and transfers these data to the server using WIFI module connect wireless network.Companies can timely and accurate understanding of the production operation by the collected information of electricity consumption and operation time.Then automated management of the enterprise is implemented.

Key words：embedded；wireless acquisition；MCU；RS485

1.引言

如今，隨著信息化應(yīng)用的發(fā)展，將無線通信技術(shù)、智能采集技術(shù)和自動控制技術(shù)綜合應(yīng)用于現(xiàn)代企業(yè)信息化管理，已成為一種趨勢。企業(yè)也迫切需要將各種有利于提高生產(chǎn)效率的信息因素收集匯總，用于分析與管理，而設(shè)備的消耗電能與運(yùn)行時間正是十分重要的一種生產(chǎn)信息。本文所設(shè)計的電表采集器是生產(chǎn)采集系統(tǒng)的核心部件，通過電表上的通訊接口，實(shí)時地讀取表中的數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器中。這使得企業(yè)能夠及時準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)運(yùn)行情況，在避免手工抄表中不及時和易出錯情況的同時，也為合理利用資源及有效維護(hù)設(shè)備提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。

2.采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

近年來，電表的數(shù)字化程度越來越高，大多提供標(biāo)準(zhǔn)的通信總線結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計人員編程實(shí)現(xiàn)對電表數(shù)據(jù)的讀取。在生產(chǎn)采集系統(tǒng)中，分散于廠區(qū)各個配電間的電表采集器與多個電表通過通訊接口相連，構(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)的主從網(wǎng)絡(luò)，定時采集各表的電度值與電流值；在將整理后數(shù)據(jù)通過WIFI網(wǎng)絡(luò)上傳至WEB服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中存儲；終端客戶可通過網(wǎng)絡(luò)訪問和查詢服務(wù)器中的各個設(shè)備運(yùn)行情況。

3.采集器的硬件設(shè)計

電表采集器以嵌入式Cortex-M3微控制器為核心，使用MAX485芯片與PZ162L型電表進(jìn)行RS485總線形式通信，獲取電表內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)；使用SD2405芯片獲取系統(tǒng)時鐘，以判斷發(fā)送的時間；使用WIFI232模塊連接WIFI網(wǎng)絡(luò)，將組幀數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。電表采集器的硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 采集器硬件設(shè)計圖

3.1 主要部件的選擇

電表采集器使用TI公司生產(chǎn)的32位Cortex -M3內(nèi)核微控制器LM3S8962，存儲方式為哈佛結(jié)構(gòu)，其獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線使得該芯片可以同時進(jìn)行讀寫指令和數(shù)據(jù)的操作[1]。該芯片工作頻率可達(dá)50MHz，有256K的Flash RAM，3個UART串口和一個I2C總線接口。通用I/O口功能設(shè)計為：MAX485接UART0，即Rx端接PA0口，Tx端接PA1口，控制口接PF0口；WIFI模塊接UART1，即Rx端接PD2口，Tx端接PD3口，其電源控制口接PF1口；SD2405接I2C總線接口，即SDA端接PB2口，SCL端接PB3口；異常指示燈連PF2口；電度測試按鍵連PE0口，電流測試按鍵接PE1口。

WIFI模塊采用第三方提供的串口與WIFI數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)模塊，型號為USR-WIFI232-X[2]，采集器將數(shù)據(jù)組幀以串行方式送至WIFI模塊，WIFI模塊則以網(wǎng)絡(luò)終端形式再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至服務(wù)器。

系統(tǒng)時鐘芯片SD2405是一種內(nèi)置晶振、充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實(shí)時時鐘芯片，可通過5位地址尋址來讀寫片內(nèi)32字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)（包括時間寄存器、報警寄存器、控制寄存器、通用SRAM寄存器）[3]。

3.2 采集器與電表通信的實(shí)現(xiàn)

廠區(qū)使用的PZ162L型數(shù)字電表集成了RS485通信協(xié)議，因此設(shè)計增加了MAX485芯片來完成LM3S8962的RS485通信。微控制器采用UART0串口與MAX485傳輸數(shù)據(jù)，通信模式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，波特率為9600。而采集端的電表波特率也為9600，而表的A、B端與MAX485的A、B端相連，并共用地線。設(shè)計中使用通用接口PF0作為MAX485的控制口，置高電平時向總線發(fā)數(shù)據(jù)，置低電平時從總線接收數(shù)據(jù)。另外，由于每個采集器要采集多個電表，在對電表配置時，需保證使每個表的編號唯一，以免因目標(biāo)沖突引起采集錯誤。

3.3 WIFI模塊的供電控制

在電表采集器中，WIFI模塊耗電量和發(fā)熱量都較大，且實(shí)際每天僅需一次連接無線網(wǎng)絡(luò)，故在硬件設(shè)計中加入了WIFI模塊的供電控制電路。該電路使用ST111電壓控制轉(zhuǎn)換芯片，可將電路電壓穩(wěn)定在WIFI模塊所需的3.3V上，而芯片的控制端則與通用接口PF1相連。每天在需要傳送數(shù)據(jù)前，微控制器將PF1口置1，啟動ST111芯片使WIFI模塊上電，而在傳送數(shù)據(jù)結(jié)束后，將PF1口置清0，使WIFI模塊斷電。這種工作方式可以減少采集器的能耗與發(fā)熱，延長無線模塊的使用壽命。其供電控制電路如圖2所示。

圖2 WIFI模塊供電控制電路

4.采集器的軟件設(shè)計

電表采集器的整體設(shè)計方案是先檢測電表的編號與個數(shù)，并在指定時間點(diǎn)發(fā)送控制字獲取每個表的相應(yīng)信息，再將得到的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給服務(wù)器，其軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 采集器軟件流程圖

設(shè)計流程中，初始化部分是對LM3S8962的GPIO引腳進(jìn)行初始化，如UART初始化，設(shè)定指定引腳的功能、通訊模式、波特率，還有I2C的初始化。此外還包括時鐘的初始化，以及維護(hù)時的屏幕和按鍵的初始化。

鑒于工廠中各電表不一定能按順序排列，需要采集器檢測總線上實(shí)際的電表數(shù)量和編號，才能準(zhǔn)確的發(fā)送查詢命令，因此加入了電表信息檢測部分。該設(shè)計部分使采集器的通用性增強(qiáng)，具備了一定的自動化功能。由于檢測電表信息僅執(zhí)行一次，如要新增電表，需重啟采集器，就能檢測到新添加的電表的數(shù)據(jù)了。

發(fā)送時間的判斷主要通過讀取SD2405的系統(tǒng)時間，與設(shè)定時間相比較，判定是否要為WIFI模塊供電。未到發(fā)送時間，則每分鐘檢測一次各個電表的電流，當(dāng)電表電流大于設(shè)定閾值時認(rèn)為設(shè)備正在運(yùn)行，對應(yīng)時間計數(shù)器自增1，該計數(shù)器即為設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的分鐘數(shù)；到達(dá)發(fā)送時間，則為WIFI模塊上電，從總線獲取各電表的電度值并組幀發(fā)送，將時間計數(shù)器值作為設(shè)備運(yùn)行時間并組幀發(fā)送，再將計數(shù)器清0，并將WIFI模塊斷電。在實(shí)際設(shè)計中，發(fā)送信息設(shè)置為每天一次，因此采集的數(shù)據(jù)為某生產(chǎn)線的每日電度值和運(yùn)行時間。

圖4 設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行界面圖

5.采集器的運(yùn)行測試

根據(jù)廠方的實(shí)際要求，在廠區(qū)車間共安裝了3個無線電表采集器，采集各生產(chǎn)線對應(yīng)的18個電表。所設(shè)計的采集器能夠自動檢測總線上的電表的編號及個數(shù)，且讀取電表的數(shù)據(jù)與電表顯示值一致，發(fā)送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)幀也完整無誤，服務(wù)器后臺的數(shù)據(jù)庫能記錄到各個電表的電能和機(jī)器運(yùn)行時間。圖4為服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后處理生成的設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行界面。

綜上所述，本文設(shè)計的無線電表采集器能夠準(zhǔn)確檢測電表當(dāng)前的電能和電流等信息，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，上傳至服務(wù)器，可得到企業(yè)所需的生產(chǎn)電力成本和設(shè)備運(yùn)行時間，以利于企業(yè)快捷有效的統(tǒng)計成本，準(zhǔn)確把握機(jī)器運(yùn)行狀況，并能對生產(chǎn)做出合理調(diào)整。此外，采集器充分利用了廠區(qū)覆蓋的WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，還具有布點(diǎn)靈活、節(jié)省成本的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]http：//www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/overview.page.

[2]濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司.USR-WIFI232-X型嵌入式模組使用說明[S].2012.

[3]深圳市興威帆電子技術(shù)有限公司.IIC串行接口的實(shí)時時鐘——SD2405ALPI設(shè)計開發(fā)手冊[S].2011.

[4]上海安科瑞電氣股份有限公司.PZ系列可編程智能電測表安裝使用說明書[S].V1.1，2010.

作者簡介：許鵬（1978—），男，南通大學(xué)電子信息學(xué)院講師，主要研究方向：信息與通信系統(tǒng)，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。