基于ARM的嵌入式電能計量系統(tǒng)設計

摘要：針對高校學生宿舍電能計量控制系統(tǒng)不方便學生實時查詢的狀況,分析了網(wǎng)絡電能計量集采控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構,以ARM芯片和Linux操作系統(tǒng)為基礎設計了嵌入式電能數(shù)據(jù)采集終端及Web服務器,采用該嵌入式電能計量系統(tǒng)能方便地進行電能數(shù)據(jù)網(wǎng)絡查詢和管理。

1 引言

高校學生宿舍用電控制系統(tǒng)采用智能電能計量集采控制系統(tǒng),一般學校 已統(tǒng)一規(guī)劃購置到位。但在使用時發(fā)現(xiàn)學生只是被動地被管理, 學生并不能 直觀了解相關用電數(shù)據(jù)，不方便查詢和提醒剩余電量，宿舍經(jīng)常在不知不覺 中突然停電，如果在傍晚或者周末,電工沒有上班，停電后不能及時買電, 只能在黑暗中度過了,嚴重影響了學生的正常生活。考慮到學生上網(wǎng)方便， 如果學生能夠隨時通過網(wǎng)站查詢到自己房間的剩余電量，及時買電就可避免 以上情況。本文設計了一個既能接入宿舍電量采集系統(tǒng)又能接入校內 Intranet 信息網(wǎng)絡的嵌入式電能計量及查詢系統(tǒng)，在電能數(shù)據(jù)采集終端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式實時操作系統(tǒng)Linux，在linux 的 基礎上結合嵌入式Web 服務器技術，構成完整的嵌入式系統(tǒng)Web 服務器，將 其作為數(shù)據(jù)采集器嵌入到在現(xiàn)有的電能計量集采控制系統(tǒng)中，既可以與管理計算機之間傳輸數(shù)據(jù)，也可以供學生登陸實時查詢用電信息。

2 電能計量系統(tǒng)設計

電能計量系統(tǒng)框圖如圖1 所示，在遠程電能數(shù)據(jù)采集終端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式實時linux 構成完整的嵌入式系統(tǒng),在linux 的基礎上結 合嵌入式Web 服務器技術,可實現(xiàn)實時、動態(tài)的交互查詢功能。ERTU 采用定 時或者實時啟動抄表任務,通過RS-485 總線讀取智能電能表內的電量信息和事件信息,支持標準的RS-485 串口數(shù)據(jù)輸出。每一個ERTU 裝置都可以接 多路RS-485 總線,這樣就可以同時采集多路的電能表信息。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡 硬件基礎，方便地建立基于TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議的Internet/Intranet 網(wǎng)絡系 統(tǒng)。Web 技術允許任意地點的用戶通過瀏覽器接入網(wǎng)絡，通過電能計量管理 工作站訪問嵌入式Web 服務器，管理和維護電能數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)，包括 查詢各宿舍的實時用電情況、根據(jù)輸入金額確定宿舍使用電能量、啟動電能 表給宿舍供電、根據(jù)需要遠程斷開相關宿舍的用電開關。學生通過計算機網(wǎng) 絡訪問電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務器，查詢自己宿舍的實時用電情況，以 便及時買電，避免出現(xiàn)意外斷電情況。買電方式可以采用讓管理人員從電能 計量管理工作站充值，也可以采用充值卡方式買電，只要在網(wǎng)上輸入卡號和 密碼就可以充值實現(xiàn)買電。

3 電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務器設計

3.1 硬件系統(tǒng)

電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務器硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示，由于嵌入式微 處理器采用精簡的實時多任務內核,負責各個功能任務的管理,以滿足電能 表性能不斷擴展所需要增加的功能。同時嵌入式微處理器具備網(wǎng)絡通信功能, 可以方便地擴展為遠程測控中使用的基于TCP/IP 的網(wǎng)絡化智能儀器。在嵌 入式微處理器所擁有的硬件資源基礎上建構嵌入式Web 平臺,允許管理員在 任意地點通過Web 瀏覽器訪問電能數(shù)據(jù),實現(xiàn)跨平臺的遠程控制和管理。

S3C2410X 微處理器是一款由Samsung 公司設計的基于ARM920T 核的16/32 位RISC 處理器，工作頻率203MHz，內部16KB 數(shù)據(jù)Cache，16KB 指令Cache， 帶MMU、外部存儲器控制器，內置LCD 控制器，NAND FLASH 控制器，SD/MMC 接口支持，4 個DMA 通道，3 通道UART，1 個多主I2C 總線控制器，1 個IIS 總線控制器，4 通道PWM 定時器及一個內部定時器，117 個通用I/O 口， 24 個外部中斷源，兩個USB 主/一個USB 從，8 通道10 位ADC，實時時鐘及看 門狗定時器等，內核工作電壓1.8V，I/O 及存儲器3.3V。

目前常用的SDRAM 為8 位/16 位的數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3V。系 統(tǒng)中使用Winbond 公司的存儲容量為64M 字節(jié)的存儲芯片，工作電壓為 3.3V ， 兼容LVTTL 接口， 支持自動刷新（ Auto-Refresh ） 和自刷新 （Self-Refresh），16 位數(shù)據(jù)寬度。

Flas 存儲器采用INTEL 的存儲容量為64M 字節(jié)的存儲芯片，16 位數(shù)據(jù) 寬度。僅需單3.3V 電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過對其內部 的命令寄存器寫入標準的命令序列，可對Flash 進行編程（燒寫）、整片擦 除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。

采用RTL8019AS 芯片作為以太網(wǎng)接口芯片，該芯片是NE2000 兼容的網(wǎng) 卡芯片，Linux 內核中的TCP/IP 協(xié)議支持NE2000 兼容的網(wǎng)卡芯片。通過以 太網(wǎng)接口與計算機網(wǎng)絡連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。 現(xiàn)在的電能表，正在由傳統(tǒng)的機械式電能表向全電子式電能表轉換，電 能數(shù)據(jù)采集終端的設計要考慮接納各種電能表，但高校學生宿舍電能計量系 統(tǒng)可以一次性地更新為電子式電能表，所以只設計嵌入式CPU 通過現(xiàn)場總線接口與現(xiàn)代電子式表計接口,讀取多個電能表計量數(shù)據(jù)。

3.2 軟件設計

在電能計量應用軟件方面,充分利用嵌入式linux 體積小、固化容易、 現(xiàn)場實時反應能力強、軟件層次模塊化、可移植性好的優(yōu)點。將電能計量軟 件劃分為抄表管理、數(shù)據(jù)庫管理、參數(shù)設置、系統(tǒng)設置、通訊模塊等子任務 軟件模塊,由嵌入式linux 負責任務調度和管理。同時應用嵌入式Web 服務 器技術,運行小型精簡的服務器程序使得遠程用戶隨時可以通過瀏覽器獲取 Web 服務器的信息,進而實現(xiàn)遠程實時控制、維護。

由于Web 用戶界面是標準化的,節(jié)約了不同操作系統(tǒng)平臺定制人機界面的開發(fā)、培訓和維護費用,在降低成本的同時,提高了效率。系統(tǒng)軟件組成如圖3 所示。HTTP 引擎響應用戶的請求、通過虛擬文件系統(tǒng)訪問靜態(tài)數(shù)據(jù)信息、通 過應用程序接口得到動態(tài)數(shù)據(jù)信息。

虛擬文件系統(tǒng)為嵌入式Web 服務器提供 虛擬文件服務。通過虛擬文件系統(tǒng)將Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件編 譯為Web 服務器認可的代碼。配置模塊使系統(tǒng)管理員能夠從任何一臺標準的 Web 瀏覽器上設置嵌入式Web 服務器的參數(shù)。配置模塊對標準瀏覽器是開放 的，這就使得安全問題非常重要，尤其是對網(wǎng)絡設備的配置和控制信息的訪 問成為安全保護的重點。安全模塊通過在服務器上定義安全域和對每個安全 域定義的用戶名/密碼等敏感信息的保護。還可以對請求數(shù)據(jù)采取加密措施 實現(xiàn)安全保護功能。應用程序接口模塊實現(xiàn)和嵌入式電能計量應用系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)交換，電能計量應用系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)通信，實現(xiàn)對嵌入系統(tǒng)的配置、 監(jiān)視和控制。

4 結論

嵌入式的電能計量系統(tǒng)是當前電能數(shù)據(jù)遠程抄送、統(tǒng)計、查詢、買電等現(xiàn) 代數(shù)字網(wǎng)絡式電能計量管理系統(tǒng)的主要應用方向，基于ARM 的嵌入式電能計 量系統(tǒng)在高校宿舍應用中，具有電能管理的所有功能，并且能夠讓學生實時 查詢宿舍用電情況，還可通過修改軟件擴充系統(tǒng)功能。

論文創(chuàng)新點：設計電能數(shù)據(jù)采集終端并設置Web 服務器，可以通過瀏覽器 實時查詢用電數(shù)據(jù)。