基于Wi-Fi無線通信技術的電能自動抄表系統設計

孫 萍 (安徽水利水電職業技術學院電子與信息系，安徽 合肥 230001)

楊輝軍 (安徽國際商務職業學院信息服務系,安徽 合肥 230051)

基于Wi-Fi無線通信技術的電能自動抄表系統設計

孫 萍 (安徽水利水電職業技術學院電子與信息系，安徽 合肥 230001)

楊輝軍 (安徽國際商務職業學院信息服務系,安徽 合肥 230051)

針對現有自動抄表系統的不足，利用Wi-Fi無線通訊技術設計了電能自動抄表系統。在硬件設計上采用ARM處理器和MarveII88W8686芯片組構成無線監控通訊終端平臺；在軟件設計上使用嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系統平臺，并移植LwIP協議實現TCP/IP協議通信，并在VC++和數據庫上實現上位機的抄表管理軟件植入。實際應用表明，該系統能夠對現場電能流量進行實時、直觀地監測和分析，從而為電力部門的電能表網絡化管理及抄表自動化提供了一種科學高效的手段。

自動抄表系統；Wi-Fi；μC/OS-Ⅱ

自動抄表系統是實現遠程抄讀水、電和氣表使用量的智能化系統，但現有自動抄表系統有成本較高、GPRS網絡同時工作的時隙受限制以及實際數據傳輸速率較低的缺陷，而利用Wi-Fi無線通信技術可以改變上述狀況，因為該技術擁有數據傳輸速率快、可靠性高、方便與現有的有線以太網絡整合、組網成本低等特點。首先，Wi-Fi采用802.1lB標準，最高帶寬可達11Mb/s，若采用802.11G在2.4GHz頻段工作，所支持的速度最高達54Mbps，若采用802.11N工作在2.4GHz或者5.0GHz，最高速度可達600Mbps;其次，Wi-Fi傳輸距離較遠，覆蓋范圍大，一般小區均能滿足正常使用；此外，Wi-Fi帶寬可隨外部環境自動調整[1]。為此，筆者利用Wi-Fi無線通信技術設計了電能自動抄表系統。

1 系統架構

圖1 自動抄表系統結構圖

該系統架構由智能電表模塊、Wi-Fi無線局域網網絡系統、控制中心構成(見圖1)。Wi-Fi無線局域網網絡系統包括Wi-Fi通信模塊、無線中繼器與無線AP 3個子系統。Wi-Fi通信模塊與智能電表模塊直接相連，采集用戶電表的信息，再將其處理后通過無線中繼器以通信方式發送給無線AP接入點；無線AP接入點將收集到的數據通過有線網絡傳送給控制中心。控制中心對采集到的用戶數據信息進行整理、分析和歸類并保存到抄表系統的數據庫中，回傳并發布抄表數據，使得用戶能夠通過基站清楚地了解相關抄表數據信息。同時控制中心可以根據系統預設定、用戶設定或狀態信息發出相應的控制命令(如數據采集、數據發送、數據存儲以及報警等指令)控制整個抄表系統。在實際操作中，考慮到抄表的實時需求，可以將用戶用電量數據采集的時間間隔設定為15min，該設定通過控制中心下達系統命令來完成。

2 系統硬件設計

圖2 AP接入點硬件設計框圖

系統硬件平臺主要包括無線AP模塊、無線中繼模塊、無線通訊模塊3部分。無線AP模塊起著上傳下送相關數據的作用，并可將控制中心發出的命令轉發給無線通訊模塊，接收通信模塊取得電表中的數據后返回并轉發給無線AP。無線通訊模塊由Wi-Fi收發模塊和ARM組成。Wi-Fi收發模塊可根據實際情況選用符合2.4GHz的Wi-Fi標準的WM-G-MR-09模塊(采用MarveII 88W8686芯片組)，其具有小封裝尺寸、低功耗、多接口和OS支持等優勢并可提供SDIO和G-SPI主機接口以及WPA加密模式。控制芯片采用ATMEL的AT91 SAM7X256芯片，有256KB的Flash、64KB SRAM、1個10/100Base-T的以太網口和2個SPI外設接口。圖2所示為AP接入點硬件設計框圖。

3 系統軟件設計

圖3 上位機軟件實現圖

系統軟件設計分為2部分：上位機軟件設計與下位機軟件設計。通過上位機軟件實現數據收發與顯示功能，上位機的數據收發部分與顯示部分通過網線連接，應用TCP/IP的Socket套接字編程；下位機軟件應用嵌入式OS系統μC/OS-Ⅱ平臺，該平臺具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強的特點，并在μC/OS-Ⅱ操作系統中植入LwIP協議實現TCP/IP通信[2]。

3.1上位機軟件設計

控制中心實現的平臺為基于VC++開發的控制軟件，在功能上分為系統管理、用戶管理、查詢統計和報警管理等，包括對整個無線局域網的網絡管理、終端的配置、數據服務接口配置、數據采集、數據庫連接和備份、信息管理等(見圖3)。操作員可以從用戶信息查詢、添加或刪除用戶的一些基本信息；設備管理中詳細列舉了電表信息的基礎信息設置；查詢統計中可以查詢當前抄表情況、歷史抄表等；抄表管理中設置抄表周期、供電狀態和抄表有關的設置信息；報警管理可以對危機用電、欠費等進行報警操作。

3.2下位機軟件設計

圖4 μC/OS-Ⅱ文件系統結構

下位機操作系統采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統，設計時首先需要把μC/OS-Ⅱ移植到應用系統中，使其在系統所采用的嵌入式微處理器上可以正常運行。μC/OS-Ⅱ的文件系統結構包括核心代碼、設置代碼以及與處理器相關的移植代碼，其文件系統結構如圖4所示。其中，系統核心代碼部分包括7個源代碼文件和1個頭文件，分別實現內核管理、事件管理、存儲管理、消息管理、任務調度和定時管理等功能；系統設置代碼部分包括2個頭文件，主要用來配置事件控制塊的數目以及是否包含消息管理等；與處理器相關的系統移植代碼部分則是進行系統移植過程中需要更改的部分，包括頭文件OS_cpu.h、匯編文件OS_cpu_a.s和1個C代碼文件。將μc/OS-Ⅱ移植到微處理器上時，關鍵之處是需要更改、調試以下3個與體系結構相關的文件：OS_cpu.h、OS_cpu.c、OS_cpu_a.s。

Wi-Fi模塊自動分配IP地址并通過IP進行尋址，這需要網絡協議支持。由于下位機軟件OS系統采用的μC/OS-Ⅱ，而μC/OS-Ⅱ不支持基本的TCP/IP網絡通信，所以需要將LwIP協議移植到μC/OS-Ⅱ系統中，使其具備網絡通信功能。LwIP協議在μC/OS-Ⅱ下的移植需要修改其在./src/arch/include/arch目錄下與CPU或編譯器等有關的include文件以及與操作系統相關的sys_arch文件。其中，cc.h、cpu.h、perf.h等文件中與CPU或編譯器相關的定義如數據長度、字的高低位順序等應與實現μC/OS-Ⅱ時定義的數據長度等參數保持一致；sys_arch.c和sys_arch.h文件中含有與操作系統相關的結構與函數，也應通過修改重新定義并實現信號量通信結構和消息隊列結構定義等。

4 結 語

結合Wi-Fi無線通信技術、ARM及以太網技術設計了電能自動抄表系統。實際應用表明，該系統能夠對現場電能流量進行實時、直觀地監測和分析，從而達到遠程集中抄表的目的，為電力部門的電能表網絡化管理及抄表自動化提供了一種高效、科學的手段，具有良好的經濟效益和社會效益。

[1]陳文周.Wi-Fi技術研究及應用[J].數據通信,2008(3):14-17.

[2]傅成龍,嚴殊.基于uC/OS-Ⅱ與ARM平臺的LwlP移植[J].西南科技大學學報,2009,24(3):71-74.

[3]盧恩,張步涵,盧益民.一種新的自動抄表系統方案及其實現[J].電力自動化設備,2003, 23(6):68-70.

[4]熊邦毛,陳啞軍,王興邦.基于433M路由算法在抄表系統中的應用與研究[J].計算機工程,2008,34(8):281-282.

[5]王詠萍.遠程自動抄表系統設計[D].南京:南京航空航天大學,2008.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.038

TM933.47

A

1673-1409(2012)09-N108-03

2012-06-28

孫萍(1964-)，女，2005年大學畢業，講師,現主要從事計算機網絡技術方面的教學與研究工作。

[編輯] 李啟棟