智能小區供電信息化網絡的應用研究＊

魏旭來，王紅蕾

（貴州大學 電氣工程學院，貴陽550025）

引 言

隨著全球能源問題與環境問題凸顯，電能作為清潔高效的二次能源在經濟社會的發展中扮演著越來越重要的角色。我國對電能的需求逐年上升，但是在現有的技術條件中一直存在著電能浪費嚴重、利用率不高的現象［1］。因此，如何改變人們粗獷型的用電方式、提高電能的利用率，將會是電網發展主流方向。以節約的方式緩解能源與環境問題也將會是我國的長期發展政策［4］。

本文設計的智能小區用電通信網絡涉及智能用電的相關領域，用電信息的采集是其中的一個分支［2］。通過設計由CAN網絡和以太網互連而成的智能小區通信網絡，實現小區用戶和電力管理部門的信息暢通和實時交互，為智能用電的進一步研究打下基礎。本論文的主要研究內容包括以下幾個方面：第一，研究智能小區底層現場總線和上層以太網的互聯；第二，設計一款高性能的小區集中器，硬件上以32位ARM處理器為核心，軟件上以嵌入式操作系統為核心；第三，研究CAN總線在用電信息網絡上的應用，以解決國內普遍采用的相對簡易卻并不適合大規模組網的RS－485總線存在的問題［3］。

1 系統總體設計

系統總體結構框架如圖1所示。

圖1 系統總體架構

系統從總體上分為三個部分：第一部分為以智能電表為核心的用戶節點，負責用戶用電情況的計量、存儲、按時上傳以及其他一些功能；第二部分為小區集中器，負責收集小區各個用戶節點上傳的用戶用電信息，并對采集的信息進行有序的存儲管理；第三部分為用電管理部門的上位機服務器系統，通過以太網與各個小區集中器相連，并能夠通過客戶端訪問各小區集中器整理好的用戶節點的用電信息，實現用電管理部門對小區用戶的信息化管理。其中，底層的通信網絡采用CAN總線搭建，上層的通信網絡采用以太網搭建，最終實現CAN總線與以太網的異構通信網絡的信息暢通。

2 系統硬件設計

系統的設備節點主要由小區集中器和用戶節點構成，小區集中器通過CAN總線采集用戶節點的用電信息，并將用電信息有序地存儲管理。管理部門上位機可以通過以太網訪問查看，小區用戶也可以通過集中器的人機交互界面訪問查看集中器中的用電信息。用戶節點用于模擬智能小區用戶家中的智能電表，它主要負責記錄用戶的用電信息并將用電信息通過CAN總線上傳。實驗中用戶節點的電能測量模塊用電位器代替，其計量的用電信息用電位器的電壓值來模擬。電位器的電壓值和實際用電信息本質上都屬于模擬量，在實驗中可以等價處理，不影響研究結果。小區集中器和用戶節點的硬件總體結構如圖2所示。

圖2 集中器和用戶節點的總體硬件架構

小區集中器處理核心選型S3C2440A作為主控芯片；存儲模塊主要分為外部存儲器和內部存儲器，外部存儲器芯片選用K9F1208作為Nand Flash存儲芯片，內部存儲器選用H57V2562GTR作為同步動態隨機存儲器；以太網接口模塊選用CS8900A芯片作為以太網控制器；CAN總線接口模塊由CAN總線控制器和CAN總線收發器構成，CAN總線控制器選用MCP2510，CAN總線收發器選用TJA1050。用戶節點的硬件核心選用STM32F10X處理器；人機交互模塊的硬件核心選用ILI9325DTFT液晶顯示驅動芯片；CAN總線收發器選用SN65HVD230，其供電電壓為3.3V，可以直接與集成在主控芯片上的CAN總線控制器相連。

3 系統軟件設計

3.1 小區集中器軟件設計

小區集中器的軟件架構以Linux操作系統為軟件核心，在內核層上設計Linux的CAN總線驅動程序、移植以太網控制芯片驅動用以向應用程序提供操作硬件設備的接口；在應用層上移植嵌入式數據庫、設計CAN總線數據采集管理程序用以有序地采集和管理用戶的用電信息；移植Boa服務器、設計CGI網關程序提供以太網的 Web服務，使上位機可以通過Web瀏覽器訪問小區集中器。其主要的軟件架構如圖3所示。

圖3 小區集中器主要軟件架構

小區集中器正常工作時，運行在操作系統中的應用程序會監聽CAN總線上的數據，一旦總線上有用戶節點發送的CAN總線數據幀，該程序會將該數據幀采集到集中器中并保存在系統中的臨時文件里。數據庫管理程序會和采集程序協同起來，在一定的時間間隔內將臨時文件中用戶最新信息放入SQLite3數據庫中。時間間隔可調整，其主要工作流程如圖4所示。

圖4 小區集中器工作流程

程序首先初始化一段數據緩沖區用來存儲從CAN總線設備上讀取的數據；然后，打開CAN總線設備文件得到其描述符并調用read函數讀取該設備。當總線上沒有子節點發送的數據幀時，程序阻塞并進入等待隊列。反之，將得到的數據存入緩沖區并進行處理，得到CAN總線數據幀的ID號和用電信息；之后，根據ID號對應的發送用戶，將最新的數據信息更新到相應的存儲文本（如用戶1對應useradvice1.txt文本文件）；最后通過系統時間判斷時間間隔，如果大于或等于預定時間間隔則將最新信息插入數據庫相應用戶的表單中。

3.2 用戶節點軟件設計

用戶節點在實驗過程中，電位器數據采集模塊能夠產生一個用于模擬用戶用電信息的模擬量，經過A／D轉換模塊采集到處理器SRAM中；人機交互模塊將采集到SRAM中的電壓值在液晶屏上顯示出來；按鍵控制模塊對實驗過程中用戶節點用電信息發送啟動和發送關斷進行控制；在發送啟動時CAN總線接口模塊將存儲在SRAM中的最新電壓值通過CAN總線接口向CAN總線上發送，對應的用戶會包裹上相應的幀ID號。其軟件設計包含用電信息A／D轉換程序、液晶顯示程序、按鍵控制程序和CAN總線數據收發程序等。其主要工作流程如圖5所示。

圖5 用戶節點主要工作流程

4 實驗結果

實驗中，用戶節點的數據發送頻率為5ms，兩個用戶節點同時工作，通過其液晶顯示模塊觀察到他們分別發送的不同的電壓值。

圖6所示為通過串口觀察到小區集中器多兩個用戶節點的信息采集情況，小區集中器會根據數據的ID號對其進行分類存儲。整個系統工作情況良好。

圖6 CAN總線數據采集過程

上位機通過局域網和小區集中器相連接，在上位機Web瀏覽器地址欄中輸入小區集中器的IP地址，可以登陸小區集中器對其進行訪問。圖7所示為上位機對底層用戶節點用電信息進行監視。

結 語

今后進一步的工作中，子節點可以增加網絡流量監測環節，根據網絡狀況計算出最佳的發送速率，有效預防網絡上可能存在的數據擁堵狀況；小區集中器可以增加實時電價計量環節，根據從管理部門下載的實時電價方案和用戶用電信息的時間戳，計算出用戶按照該方案的日用電消費情況，初步實現引導用戶合理用電；在小區集中器的Boa服務器和CGI腳本的設計中，可以增加權限管理環節，對訪問者的IP地址進行權限審查并匹配登陸的用戶名和密碼，初步解決系統的安全防范問題。

圖7 上位機采集界面

［1］江澤民.對中國能源問題的思考［J］.上海交通大學學報，2008（3）：345－359.

［2］劉振亞.智能電網知識讀本［M］.北京：中國電力出版社，2010：1－4.

［3］魏立明.智能建筑系統集成與控制技術［M］.北京：化學工業出版社，2011.

［4］李同智.靈活互動智能用電的技術內涵及發展方向［J］.電力系統自動化，2012，36（2）：12－16.

［5］韓成浩，高曉紅.CAN總線技術及其應用［J］.制造業自動化，2010（2）：146－149.

［6］孫天澤，袁文菊.嵌入式設計及Linux驅動開發指南［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［7］張移山.CGI程序設計指南［M］.北京：水利水電出版社，1998.