亢紅波，許宏科

（1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安710064；2.西安郵電大學(xué)）

亢紅波（講師），研究方向為智能測控。

引 言

物聯(lián)網(wǎng)已逐漸走進智能電網(wǎng)的時代，傳統(tǒng)的電表（包括電子式電表）已遠遠落后于發(fā)展需求，智能電表將成為一個不可或缺的重要環(huán)節(jié)。目前市場流行多種傳輸方式的遠程抄表系統(tǒng)，如現(xiàn)場總線方式［1］、專用光纖網(wǎng)絡(luò)方式、電話交換網(wǎng)絡(luò)方式［2］、Internet方式［3］、無線數(shù)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(yōu)缺點［8］。

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表采集系統(tǒng)，遵循DL／T645－2007《多功能電能表通信協(xié)議》、GB／T19582－2008《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用超低功耗控制設(shè)計思想，通過Modbus總線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的本地融合，實現(xiàn)雙流向、遠距離、全自動、高可靠的智能儀表數(shù)據(jù)采集，豐富了智能電表系統(tǒng)的內(nèi)涵。

1 系統(tǒng)整體介紹

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。采集系統(tǒng)包括：智能儀表節(jié)點、數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、監(jiān)控上位機。智能儀表節(jié)點包括遵循各類規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的智能儀表，完成命令接收（要數(shù)命令、配置命令），以及數(shù)據(jù)上傳（數(shù)據(jù)信息、本地信息）等功能，可選用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化設(shè)備；數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議封裝打包及數(shù)據(jù)上傳、遠程命令下發(fā)、本地存儲調(diào)試等功能；監(jiān)控上位機完成數(shù)據(jù)的歸檔、融合、顯示、查詢，必要時輔以專家系統(tǒng)，以實現(xiàn)相應(yīng)的控制動作，系統(tǒng)也包含了相應(yīng)的用戶安全設(shè)計。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計原則

系統(tǒng)硬件設(shè)計以功耗、可靠性為基本評價標(biāo)準(zhǔn)，同時還需兼顧現(xiàn)場的供電、維護等條件，主要包括：

①低功耗設(shè)計：采用低功耗主控器與外圍功能元件；

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

③易維護性設(shè)計：預(yù)留本地調(diào)試接口，可進行現(xiàn)場維護，還可通過遠程網(wǎng)絡(luò)授權(quán)維護；

④抗干擾及穩(wěn)定性設(shè)計：選用抗電磁干擾設(shè)計器件，電路合理分區(qū)布局，電源的濾波與抗噪，合理利用看門狗，系統(tǒng)環(huán)境溫濕度監(jiān)測與處理等。

2.2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備的組成框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備組成框圖

硬件采用模塊化的電路設(shè)計，包括微控制器最小系統(tǒng)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、RS485總線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、系統(tǒng)調(diào)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(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計要求。KL46最小系統(tǒng)包括了復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口電路。微控制器最小系統(tǒng)原理圖略——編者注。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(tài)的出現(xiàn)；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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟罘中盘柧€，這4根跳線將接入到網(wǎng)絡(luò)變壓器進行電壓轉(zhuǎn)換后，再傳輸。

網(wǎng)絡(luò)接口選用HR911105A 的RJ45接口，其內(nèi)部含有網(wǎng)絡(luò)信號的電壓保護及轉(zhuǎn)換電路，客觀上也減少了PCB的設(shè)計負擔(dān)。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)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(shè)計

RS485總線電路分為兩個RS485總線模塊部分：數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)上傳部分。如圖4所示，RS485傳輸芯片采用Maxim 公司生產(chǎn)的MAX3072，具有3.3V 的供電特性，可支持高達256個節(jié)點的通信。

2.2.5 電源管理電路設(shè)計

系統(tǒng)在設(shè)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(wěn)壓設(shè)計：核心部分（主控制器、調(diào)試端口、時鐘芯片），采集部分（RS485總線采集的芯片設(shè)備），以及網(wǎng)絡(luò)部分（ENC28J60 網(wǎng)絡(luò)芯片、數(shù)據(jù)上傳部分及SD卡）。

為了解決工業(yè)環(huán)境的電源供電問題，系統(tǒng)利用LM2940的5V 穩(wěn)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(shè)計。電源、開關(guān)電路及3.3V穩(wěn)壓電路設(shè)計略——編者注。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模塊電路

圖4 RS485電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用服務(wù)式層次化程序設(shè)計思路，針對不同的模塊，編寫相應(yīng)的驅(qū)動代碼與通信協(xié)議代碼。利用ARM 內(nèi)核的NVIC 對系統(tǒng)不同的服務(wù)進程進行任務(wù)調(diào)度，從而實現(xiàn)了簡單的多任務(wù)處理過程，同時通過優(yōu)化程序代碼結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)對資源的利用率和對任務(wù)的響應(yīng)速度都得到了極大的提升。

3.1 系統(tǒng)服務(wù)

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用服務(wù)式程序設(shè)計，故系統(tǒng)設(shè)備將以服務(wù)進程的方式運行，由以下幾部分組成。

3.1.1 初始化服務(wù)

初始化服務(wù)分為多個不同的初始化過程，并按照一定的順序進行，當(dāng)完成所有初始化后，該服務(wù)將自行關(guān)閉。

①內(nèi)核初始化：微控制器芯片ARM 內(nèi)核初始化、RAM 空間初始化，分配堆棧區(qū)、中斷向量表等系統(tǒng)使用空間；

②內(nèi)部驅(qū)動初始化：初始化PLL、GPIO、UART、SPI、PIT、LPTMR等；

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

④參數(shù)初始化：使用內(nèi)部Flash和時鐘芯片DS3234中的RAM 進行參數(shù)存儲，以備掉電時的參數(shù)保存，當(dāng)系統(tǒng)啟動時要對參數(shù)進行重新加載。

⑤協(xié)議初始化：芯片器件之間的通信以及網(wǎng)絡(luò)上的通信都需要不同的協(xié)議，根據(jù)獲取的參數(shù)初始化相應(yīng)的協(xié)議功能。

3.1.2 后臺調(diào)試服務(wù)

后臺調(diào)試服務(wù)在系統(tǒng)初始化完成后啟動，負責(zé)指令的識別及相應(yīng)的處理并返回結(jié)果，服務(wù)啟動后將駐留后臺。服務(wù)主要通過UART 接口負責(zé)通信和調(diào)試，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)開啟后將會接入該服務(wù)，利用特定的TCP、UDP端口進行網(wǎng)絡(luò)指令和響應(yīng)的傳輸。

3.1.3 文件系統(tǒng)服務(wù)

文件系統(tǒng)服務(wù)在SD 卡初始化完成后啟用，負責(zé)SD卡等外部存儲設(shè)備的文件讀寫。利用開源的FatFs文件系統(tǒng)，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(tǒng)的操作和管理。服務(wù)主要以后臺等待的方式存在，只有對外部存儲設(shè)備進行操作時在前臺運行。

3.1.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)以TCP／IP協(xié)議棧為主，整個協(xié)議棧存在于主控制器中。網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)啟動后，將接管ENC28J60以太網(wǎng)控制器的控制權(quán)，所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都將由該服務(wù)處理。該服務(wù)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(wù)將在后臺等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

3.1.5 數(shù)據(jù)采集服務(wù)

數(shù)據(jù)采集服務(wù)為整個系統(tǒng)中唯一一個長期處于前臺的服務(wù)程序，僅當(dāng)其他服務(wù)程序均正常啟動時運行，主要負責(zé)RS485總線上的數(shù)據(jù)收發(fā)，發(fā)送節(jié)點終端的查詢數(shù)據(jù)包。接收到數(shù)據(jù)后，首先調(diào)用文件系統(tǒng)服務(wù)，將數(shù)據(jù)寫入外部存儲器，然后再調(diào)用網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)，將數(shù)據(jù)組包發(fā)送給服務(wù)器。

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用層次化結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。利用層次分明的結(jié)構(gòu)進行程序設(shè)計，有利于代碼的編寫、閱讀、修改。從芯片的底層驅(qū)動開始，層層往上，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。下層結(jié)構(gòu)向上層提供函數(shù)接口，上層結(jié)構(gòu)利用下層提供的接口進行控制操作。

圖5 程序結(jié)構(gòu)框圖

3.2.1 TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

系統(tǒng)采用的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為獨立設(shè)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(xié)議，以最少的資源完成最大的功能。協(xié)議報文，TCP 連接，動態(tài)獲取IP過程略——編者注。

3.2.2 存儲設(shè)備驅(qū)動

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

SD卡驅(qū)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(shù)據(jù)，進行操作時為了方便而需要轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)據(jù)，但是與在操作系統(tǒng)中進行的文件操作仍有很大區(qū)別。通過文件系統(tǒng)，用戶可以方便地對存儲器進行分區(qū)、創(chuàng)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(tǒng)研發(fā)的通用FAT 文件系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)略——編者注。

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

3.3 上位機設(shè)計

相關(guān)管理中心的上位監(jiān)控機對整個系統(tǒng)進行管理監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、遠程配置、數(shù)據(jù)融合、能耗分析等功能。利用VC和SQLserver數(shù)據(jù)庫開發(fā)，此處不再贅述。

結(jié) 語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備電氣參數(shù)實時采集及監(jiān)控，靈活地結(jié)合了當(dāng)前智能電表的現(xiàn)場總線傳輸規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，實現(xiàn)了真正意義上的雙向數(shù)據(jù)通信，是智能電網(wǎng)發(fā)展的新方向，為電網(wǎng)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(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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