遠程通信電能信息采集系統及嵌入式技術的應用研究

陳慶旭

（南京國電南自軟件工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著能源管理控制工作的全面發展，電能管理工作質量受到了更多的關注，要建立基于嵌入式電能信息采集終端的控制模式，實現電能數據的合理化采集管理，并打造遠程通信輸送平臺，更好地提高數據的準確性和可靠性，為電能集約化管理提供保障。

1 遠程通信電能信息采集系統總體設計方案

結合功能需求搭建如圖1所示的遠程通信電能信息采集系統，落實相應模塊的協同控制要求，滿足整體管理需求的同時，更好地實現數據的遠程管理。

圖1 遠程通信電能信息采集系統結構

1.1 遠程通信方案

在遠程通信網絡體系中，要完成主站數據中心和信息采集終端之間的數據交互管理，配合通信距離要求完成數據的采集匯總，從而滿足穩定性和可靠性傳輸管理。本文選取通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）數據傳輸模式，技術較為成熟且編程資源較為豐富，加之GPRS模塊價格適中，系統整體開發成本較低，針對數據流較小的傳輸模式具有較為突出的優勢[1]。本系統中系統采集的電能信息傳輸本身具有連續性不足、突發性較強等特點，利用對應的通信網絡控制體系就能打造更加科學的傳輸協議，以維持完整的數據管理控制。

1.2 系統信息采集終端單元方案

第一，建立主微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）和外圍輔助電路控制模式。選取性價比較高且穩定性較好的單片機作為主MCU，配合時鐘電路就能打造完整的應用約束體系，并實現多路發光二極管（Light Emitting Diode，LED）協同指示系統工作狀態的目標，滿足多接頭在線調試。

第二，完成MCU和RS485總線電路的電能數據采集工作后，從屬MCU能滿足并行通信的具體需求，具有工作效率高且讀寫速度快的特點。利用RS485總線電路芯片能實現大批量電表數據采集的目標，配合高效性的電能數據分析平臺，最大程度上實現資源協同管理的目標[2]。

第三，遠程通信。借助主MCU和GPRS模塊實現信息交互管理，配合主站數據中心的鏈路體系完成數據的實時性傳輸和控制，更好地維持終端信息交互結構的平衡。

第四，數據存儲。主MCU主要是負責信息的接收和傳輸，將相關數據直接發送到數據中心，但是一旦數據中心接收無效，就要利用存儲模塊將相應的數據內容直接放置在存儲器中，以保證再次發送時數據的完整性和準確性。選取MicroSD卡，滿足數據暫存的基本需求[3]。

第五，參數設備。利用RS232C電路和上位機完成實時性信息交互，建立通信管理平臺，匹配參數設定操作控制模塊的同時，更好地利用電路將系統的運行情況直接顯示在上位機軟件中。

2 遠程通信電能信息采集系統具體設計內容

結合遠程通信電能信息采集系統的應用要求和規范，要整合具體的應用內容，建構完整的系統控制平臺，從而滿足綜合化管理的具體控制需求，實現多元化管理，并更好地維持電能信息采集效率。

2.1 硬件設計

基于遠程通信電能信息采集系統的應用需求，在進行如圖2所示的硬件系統設計環節中，要保證時鐘、驅動、調試接口等環節銜接合理，共同建構完整的主MCU和從MCU控制平臺，確保后續電能信息采集和匯總管理工作都能順利展開，減少資源損耗和經濟損失[4]。

圖2 硬件設計

在MCU功能電路設計環節中，借助嵌入式技術完成相應設計流程，打造綜合化管控體系和運行平臺[5]。

2.1.1 主MCU電路

主MCU電路是整個嵌入式系統的核心組成部分，選取的MCU需要滿足客戶的實際需求并且產品開發較為成熟，具有通用型接口。最終選取的是AT91SAM7X256單片機，不僅存儲空間大，而且利用32位ARM核精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器，具備較為豐富的外設接口和I/O口線，能起到中心調度的作用。借助串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）處理模塊將整個系統與MCU連接，建立完整的通信體系，能實時獲取對應電能表的數據信息。與此同時，單片機和GPRS模塊進行連接，配合實際應用環境，就能借助無線處理方式完成數據傳輸管控，將其直接傳輸到數據中心，更好地減少數據丟失造成的影響。一旦出現通信失效等問題，AT91SAM7X256單片還支持模塊內數據的暫存管理，等待網絡運行正常后再次發送[6]。

2.1.2 外圍輔助電路

應用時鐘電路、聯合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）調試接口電路以及LED指示燈電路等建立可控化管理體系，整合相關運行模式，滿足在振蕩電路應用管理的基本需求。例如，在JTAG調試接口電路選擇時，要具備接口支持模式，實現前期系統開發程序調試，有效搜索錯誤程序，更好地保證設計方案的準確性和規范性[7]。標準的JTAG要具備相應的引腳，具體信息見表1。

表1 引腳信息

2.2 軟件設計

在如圖3所示的軟件設計環節，要結合信息采集系統軟件和上位機參數設定內容完成相關工作，確保具體的設計內容符合綜合監管的需求，整合資源結構共同維持管理效率，配合總體設計和電能數據采集程序設計、電能信息數據幀格式以及數據暫存程序設計打造完整的控制體系，共同優化管理模式的運行質量。

圖3 軟件設計

一方面，總體軟件基于終端處理要求落實具體工作，在系統進入正式信息處理環節后，利用初始化設置就能維持各個系統模塊運行管理的規范性。設置SPI串行通信接口等，滿足自動調整后發送開機碼的基本要求，并且能實時性讀取Flash系統設置的數據幀，以保證系統運行工作的連續性[8]。

另一方面，軟件支持程序中的主MCU運行效率得以優化升級，利用中斷服務模式就能完成系統的階段性控制，配合串行通信中斷程序有效建構完整的GPRS模塊，實現上位機軟件通信體系的建立和管控目標。例如，定時器中斷程序中，定時器0會每間隔0.5 s就完成一次中斷，借助系統中LED燈的閃爍控制完成信號傳遞。相應的，定時器1會每間隔1 s進行一次中斷處理，判定主MCU是否能借助SPI串行通信接口完成數據管理，評估數據是否存在超時溢出等問題[9]。

3 基于嵌入式技術的遠程通信電能信息采集系統測試

3.1 嵌入式系統電源

利用工業12 V直流穩壓進行供電，點亮所有LED指示燈，并且將系統模式調控為定時器1的模式，系統RS485總線采取的是電能數據模塊和GPRS模塊，滿足相應控制要求后進行測試處理。

結合測試條件進行主MCU和從MCU的功耗測試程序編寫，利用直流穩壓電源完成系統供電測試，有效評估直流供電環境下系統的實際功耗參數。為確保測試的準確性，將萬用表直接串聯在電路中，以實現無數據發送狀態下和有數據發送狀態下的測試對比，更好地判定功耗參數，并繪制曲線。最終測試結果表明，為更好地減少系統運行功耗，結合嵌入式系統運行要求，直流電壓數值要選取8～13 V，系統采取229 V交流市電供電，轉12 V電源變壓器能有效優化功耗效果。

3.2 GPRS遠程通信

主要是借助傳輸控制協議/用戶數據報協議（Transport Control Protocol/User Data Protocol，TCP/UDP） Socket調試軟件進行測試，配合嵌入式處理模式，能建立GPRS模塊和數據中心之間的通信連接體系，更好地滿足實際應用的設計要求，并配合串行通信接口調試軟件和仿真器實現數據暫存管理[10]。

4 結 論

總而言之，基于嵌入式技術建立遠程通信電能信息采集系統具有重要的研究意義，能在提升系統運行效率的同時，打造更加可控化的數據監督管理模式，減少數據傳輸中功耗情況，維持良好的數據運維管理效能，整合硬件設計和軟件設計內容，共同打造完整的信息管理體系，為遠程通信電能信息采集系統的可持續健康發展奠定堅實基礎。