肖 監(jiān)，王玉萍，劉 磊，桂 專（貴州電力科學研究院，貴陽 550000）

基于ARM+Linux的光網絡高速抄表網絡系統(tǒng)設計

肖 監(jiān)，王玉萍，劉 磊，桂 專
（貴州電力科學研究院，貴陽 550000）

目前智能用電系統(tǒng)中，居民用戶遠程抄表一般使用低壓電力載波信道，電力載波信道不穩(wěn)定，導致抄讀數(shù)據(jù)少，成功率低。針對此問題，以ARM9 AT91SAM9G25芯片硬件平臺和光纖作通信通道，以IEC62056協(xié)議通信協(xié)議為基礎，設計了高速、穩(wěn)定、系統(tǒng)靈活的抄表網絡。光纖使用無源光纖EPON，通信協(xié)議使用IEC62056協(xié)議，自描述，自協(xié)商，自接入。應用結果證明：系統(tǒng)能夠極大提高抄表效率、抄表可靠性及靈活性。

ARM9；光纖；Linux系統(tǒng)；高速；抄表網絡

在智能用電居民集中抄表領域，目前主要使用遠程抄表取代最初的人工上門抄讀。遠程抄表一般使用低壓電力線載波，但受到通信信道穩(wěn)定性差、帶寬低的影響，對居民用戶的數(shù)據(jù)采集時，一天只能抄讀一個數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)監(jiān)控和費用結算。隨著智能用電系統(tǒng)要求逐步提升，電網需要逐步實現(xiàn)居民用戶用電數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，因此必須使用穩(wěn)定、高速的通信通道及設備取代當前抄表方式。EPON無源光纖通信具有通信距離遠、通信帶寬高、不易干擾、技術成熟、施工便利等特點，可以滿足高速、穩(wěn)定的抄表要求［1］。本系統(tǒng)設計使用ARM9芯片作為主CPU，具有體積小、功耗低、成本低、性能優(yōu)、外設資源充足、文檔豐富及嵌入式應用多等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。嵌入式Linux操作系統(tǒng)由于代碼開源、可移植、軟硬件可裁剪，支持各種應用平臺，被廣泛應用到嵌入式系統(tǒng)中［2］。IEC62056是國際IEC電工協(xié)會公開發(fā)布的能源信息領域通信標準及協(xié)議，具有多層自動協(xié)商、密匙認證、自接入等特點，能較大提高系統(tǒng)兼容性和靈活性［3］。因此，本文以ARM9為系統(tǒng)硬件平臺，嵌入Linux系統(tǒng)為軟件平臺，以IEC62056為通信協(xié)議，光纖為通信通道，設計了網絡高速抄表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示，為整個系統(tǒng)通信框架圖。

圖1 光纖抄表系統(tǒng)架構圖

圖1中，集中器終端通過網口和光纖終端（OLT）連接，OLT連接光纖，光纖通過分光器擴展為多條光纖（比例有1∶8、1∶16、1∶32等），光纖連接到各個光纖電能表上，終端通過光纖網絡和電能表通信。EPON設備無源光纖可現(xiàn)實20 km可靠通信。無源光纖屬于純物理光傳輸，不會受外部環(huán)境干擾，運行穩(wěn)定，維護便利［4］。一個集中器可以帶一個OLT，每個OLT可以帶1 024塊電能表，實現(xiàn)5 min所有電能表數(shù)據(jù)輪詢一遍，抄表穩(wěn)定，速率較電力載波方式提高了近萬倍，滿足實時運行數(shù)據(jù)監(jiān)控需求。

2 硬件平臺

硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構

圖2中，終端以32位ARM9為硬件核心，400 M的運行主頻，所有外設之間的交互，通過CPU高速協(xié)調處理（部分DMA處理除外）。CPU和外設之間，除部分遙信、遙控、直流量、脈沖等直接使用GPIO端子，其他部分使用總線通信，包括CPU和內存、時鐘、網卡芯片、串口，F(xiàn)lash等外設。終端使用Linux系統(tǒng)為軟件平臺，建立多進程及多線程運行系統(tǒng)。終端各個功能模塊使用獨立的線程運行管理，各線程并行處理。各外設一般使用中斷方式，合理分配終端的處理器資源，提高響應速度。

3 軟件架構

軟件系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構圖

圖3中，終端軟件設計主要以系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為基礎進行數(shù)據(jù)的交換，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括實時運行數(shù)據(jù)庫和任務數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫中包括了運行參數(shù)、當前數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、擴展參數(shù)等，保存在內存中，任務數(shù)據(jù)庫包括終端抄讀電能表的歷史曲線數(shù)據(jù)，保存在外部固態(tài)Flash上，并按照軟件算法，終端一次讀取100條記錄到內存中，滿足抄讀歷史曲線數(shù)據(jù)抄讀的需求，終端其他線程需要終端當前數(shù)據(jù)或狀態(tài)時，直接讀取數(shù)據(jù)庫相應的數(shù)據(jù)項，終端其他線程運行產生新的數(shù)據(jù)項時，及時保存到終端數(shù)據(jù)庫中。

4 應用程序設計

網絡點對點抄讀主流程如圖4所示。

圖4 點對點抄表主流程

圖4中，終端為實現(xiàn)和大量電能表之間點對點通信，使用網口和OLT設備連接，通過OLT經過分光器連接到各個電能表上，終端和電能表的通信可以使用TCP或UDP通信方式，終端根據(jù)需求主動發(fā)送通信幀，并等待電能表應答，終端使用時間片輪詢的方式，保證數(shù)據(jù)抄讀效率。

網絡點對點抄讀詳細流程如圖5所示。

圖5 點對點抄表詳細流程

圖5中，終端對電能表的抄讀控制，通過該流程算法，終端搜索需要抄讀的電能表及電能表數(shù)據(jù)項，在一個周期對10只以上的電能表發(fā)起抄讀請求幀，并在一個周期查詢電能表返回數(shù)據(jù)幀，對返回幀的IP和端口，匹配到相應的電能表上，將抄讀到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

5 試驗結果

通過終端程序實現(xiàn)，搭建系統(tǒng)圖1中的框架試驗局，并接入大量光纖表和電腦模擬電能表，通過電能表自動協(xié)商接入到終端設備中，終端在每個周期自動采集電能表數(shù)據(jù)，并使用終端軟件對終端抄讀的數(shù)據(jù)進行抄讀，分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和采集速度。

試驗過程中，將終端和電能表及光通信網絡設備OLT、分光器、電能表模擬表等接入，通過電腦網路抓包軟件監(jiān)控光纖/網絡中通信數(shù)據(jù)幀，并分析幀信息，電能表和終端通信協(xié)商使用要求的IEC62056協(xié)議接入，自動協(xié)商接入終端網絡，終端根據(jù)協(xié)商結果自動維護電能表檔案庫，并在每個抄表周期，主動抄讀電能表數(shù)據(jù)。

試驗結果表明，基于ARM9硬件平臺，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，通過光纖網絡，IEC62056協(xié)議抄讀電能表數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)高速、穩(wěn)定、靈活的抄表需求，滿足系統(tǒng)實時大量抄表需求，系統(tǒng)高效、靈活、可靠，具有廣泛的應用價值。

［1］ Daniel P Bovet，Marco Cesati.Understanding the Linux Kernel［M］.3rd Edition.USA：O′Reilly Media，Inc，2005.

［2］ 中國電信集團公司.EPON/GPON技術問答［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］ 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，IEC.Electricity metering-Data exchange for meter reading，tariff and laod control Part 53：COSEM application layer［S］.

［4］ 王慶，胡衛(wèi)，程博雅，等.光纖接入網規(guī)劃設計手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］ Karim Yaghmour，Jon Master，Gilad Ben-yossef.Building Embedded Linux Systems［M］.USA：O′Reilly Media，Inc，2008.

［6］ Gary R Wright，W Richard Stevens，TCP/IP Illustrated Volume 2：The Implementation［M］.USA：Addison-Wesley Proffessional，2011.

［7］ W Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 3：TCP for Transactions，HTTP，NNTP，and the UNIX Domain Protocols［M］.USA：Addison-Wesley Proffessional，1996.

High-speed optical network meter reading system based on ARM and Linux

XIAO Jian，WANG Yu?ping，LIU Lei，GUI Zhuan
（Guizhou Electric Power Science Institute，Guiyang 550000，China；）

At present，in the intelligent power system，the remote meter reading of resident users generally use low power line carrier channel（PLC）.The PLC channel is not steady，causes few meter data，low communication success rate.To solve this problem，the optical network meter reading system is designed in embedded linux operating system on ARM9 AT91SAM9G25 chip.Based on communication protocol follow IEC62056，it designs high speed，steady，flexible system of meter reading network.The fibre-optical uses EPON communication fellow IEC62056.It can realize auto negotiation，automatic access.The experiment results confirm that the system can greatly improve the efficiency of meter reading，reliability and flexibility of the system.

ARM9；optical fiber；Linux system；high speed；meter reading network

2015-11-30

TM933.47

B

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.012