基于以太網的嵌入式遠程抄表系統設計

陳 輝，周文超，魏永強，閆冠宇，李 明，楊龍凡

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

現代工業的發展離不開電，電的質量對公司的生產乃至經濟效益極其重要。我公司是用電大戶，每天按時間段要去各個車間抄表，再把抄得的數據匯報給中心站以計算每日用電度數及產生的電費。由于廠區大、電表多且分散，每日抄表計算約要花去一個小時的時間，不僅浪費時間、占用勞動力，而且由于各種原因數據準確度不高，影響各車間每天生產成本結算。鑒于此，筆者研制了一種基于以太網的嵌入式遠程抄表系統，為電工崗位上的工作者帶來了極大的方便，同時通過對大型設備運行時段的優化降低公司綜合用電成本。

1 系統總體結構

本系統集電量數據采集、顯示、打印和遠程抄表于一體，圖1為抄表系統結構圖。嵌入式監控單元通過RS485總線讀取數字電表的實時數據信息并在LCD/觸摸屏上顯示，通過嵌入式采集單元所帶的微型打印機接口連接打印機進行打印，同時嵌入式采集單元通過以太網將采集到的電量數據上傳至抄表主機進行顯示、存儲，從而達到現場采集與遠程抄表的目的。

2 硬件設計

基于嵌入式系統穩定可靠、精度高、擴展靈活等優點而廣泛應用于工業領域。本系統采用嵌入式ARM9為核心的工控板，硬件結構圖如圖2所示。該系統硬件設計簡單、可靠，外接接口豐富。

圖1 抄表系統結構圖Fig.1 Structure diagram of meter reading system

圖2 系統硬件結構Fig.2 System hardware structure

2.1 AT91SAM9261S

AT91SAM9261S是一款工業級品質的以ARM926EJ-S處理器為核心的32位超低功耗微控制器，可直接驅動觸摸屏。外設包括實時定時器，3個32位并行I／O、SD卡，3個USART，SPI等。以AT91SAM9261S為主處理器的EM9161工控板是一款面向工業自動化領域的高性價比的嵌入式主板，帶有1路以太網口，4路標準UART串口和多種總線。本系統選用EM9161工控板為嵌入式采集單元。

2.2 RS485總線

RS485接口[1]是標準的工業現場總線接口，RS485收發器采用平衡發送和差分接收因而抑制共模干擾的能力強，傳輸距離遠。RS485總線一般最大支持32個節點，本系統中的數字電表是帶有RS485接口的全數字電子表，可直接掛接在RS485總線上。每個RS485模塊可以掛32個數字電表。

2.3 以太網接口

EM9161工控板上的以太網接口[2-3]為標準的RJ45插座，硬件電路圖如圖3所示。EM9161工控板上引出的以太網信號經過11F-05到RJ45插座上，其中11F-05為RJ45集成網絡隔離變壓器，主要起信號傳輸、阻抗匹配、信號雜波抑制和高電壓隔離等作用。以太網的RJ45插座上自帶指示燈，綠燈為LINK燈，黃燈為100 M燈。

3 軟件設計

本抄表系統軟件采用WINCE操作系統[4]進行開發。WINCE是微軟公司著名的多線程實時操作系統，是目前嵌入式領域的主流操作系統之一。它包括了以TCP/IP為特色的完整的網絡通訊協議，并提供了基于TCP/IP應用協議的服務器程序，如FTP Server、Web Server等等很實用的軟件程序。EM9161工控板已嵌入正版Windows CE5.0實時多任務操作系統。Windows CE 5.0具有核心操作系統組件和強大的開發和測試工具，它為嵌入式開放人員提供了一套統一的工具，以構建、調試和部署基于Windows CE的自定義設備。本系統因其需要存儲的數據結構簡單、數據量較小，故使用WINCE自帶的數據庫，該數據庫系統最多支持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通信規約

我國電力系統中常用的DL/T645通信規約[1]將24小時的電價劃分為尖、峰、平、谷4個時間段。尖峰時期是用電量高的時間，用電用戶多且用電量大，電網會出現供電不足，系統頻率下降；平峰時期是用電量正常合理的使用，電網供電充足，頻率穩定；低谷時期就是夜間低谷，此時電網會出現電能過剩，頻率上升，同樣會造成不平衡。按時段定電價，那么峰時比平時要高0.2～0.3元，比谷時要高0.5元左右，所以合理安排用電時段可以大大降低用電費用，提高經濟效益。

3.2 TCP/IP協議

TCP／TP協議[3，5]一個使用非常普遍的網絡互聯標準協議，可使Internet上的數據快速安全準確的傳輸。TCP/TP的參考模型有4層，分別是：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層。以太網是Internet上廣泛使用的局域網，不僅完全支持TCP/IP協議，通信速率高（10～100 Mbps），而且組網成本低、可靠性高。本抄表系統只需給每個數字電表設置一個IP，抄表主機通過IP地址就可以和數字電表進行通信，非常方便。

3.3 RS485通訊

因RS485為半雙工數據通訊模式，數據的收發不能同時進行。為了保證數據收發不沖突，硬件上是通過方向切換來實現的，相應地軟件上必須將收發的過程嚴格地分開。

封裝兩個類來實現DL645通信規約：一個用于串口通信的Serial類，主要完成打開、關閉和收發串口數據等功能。一個用于實現DL645規約鏈路層DL645的類，它主要提供設置通信地址，超時時間等信息，并完成通信幀的打包、解包、錯誤較驗和數據幀的收發等功能。

基于485半雙工通信的特點，使用一個函數Transmit（）完成數據的收發。一個完整的數據接收發送過程如下：

1）應用層調用DL645類的Transmit（）函數，并將發送的數據送給 Transmit（）函數；

2）在Transmit（）函數中對數據打包，增加幀起始符、幀結束符、校驗碼等信息，使其符合DL645規約；

3）調用串口通信Serial類的 WritePort（）函數，發送一幀數據；

4）等待數據接收。遇到下列情況之一時函數返回：①接收到一幀完整數據；②接收超時；③較驗出錯；④通信出錯。

數據接收時，Serial類的中斷處理函數收到數據，直接調用 DL645類中的 Receive（）函數，在 Receive（）函數中完成一幀數據的解包工作。

3.4 抄表主界面

以型號為PD204E-2S4的江陰表為例，依據尖峰平谷用電制度設計抄表界面[6]如圖5所示。

圖5 抄表主機界面Fig.5 Meter reading mainframe interface

抄表主機界面主要功能有系統初始化、參數設置、自動抄表、停止抄表和數據庫查詢。其中參數設置可以設置當前時間和自動抄表周期，可以設置為每隔一個小時抄一次表，最長可設置為每日抄表一次；數據庫查詢可以查詢近一個月的電量使用情況。在數字電表界面中，可以按對時按鈕來和抄表主機時間同步，與抄表主機之間建立連接、斷開連接并向抄表主機發送數據。

4 結束語

文中詳細介紹了嵌入式遠程抄表系統的軟硬件設計，系統硬件設計簡單可靠，軟件采用WINCE操作系統，代碼少且可移植性強運行速度快。本抄表系統可以抄多種電子表，給電工人員提供了很大的方便，同時根據用電制度安排大型設備的運行時段優化生產減低用電成本，在電費上漲的情況下也能將用電費用控制在預算內。

[1]趙同生，曹冰.組建自動抄表系統存在的幾個問題[J].電測與儀表，2002（12）:4-7，55.

ZHAO Tong-sheng，CAO Bing.The exist several problems of forming automatic meter reading system[J].Electrical Measurement and Instrumentation，2002 （12）:4-7，55.

[2]鮑軍民.基于ENC28J60控制器的智能儀表以太網接口設計[J].新特器件應用，2007，9（11）:1-5.

BAO Jun-min.Design of intelligent instrument Ethernet Interface based on ENC28J60 controller[J].New Special Device Applications，2007，9 （11）:1-5.

[3]趙蓮清，李海濤，王樹東，等.基于以太網的嵌入式遠程電力自動抄表系統[J].中國農村水利水電，2008（6）:78-80.

ZHAO Lian-qing，LI Hai-tao，WANG Shu-dong，et al.Embedded Ethernet-based remote automatic meter reading system power[J].China’s Rural Water Conservancy and Hydro-power，2008（6）:78-80.

[4]華清遠見嵌入式培訓中心.Windows CE嵌入式開發標準教程[M].北京:人民郵電業出版社，2010.

[5]蘭少華，楊余旺，呂建勇.TCP／IP網絡與協議[M].北京：清華大學出版社，2006.

[6]汪兵，李存斌，陳鵬.EVC高級編程及其應用開發[M].北京:中國水利水電出版社，2005.