嵌入式高端培訓(xùn)班_基于嵌入式Linux的通用分組無線業(yè)務(wù)自動(dòng)抄表系統(tǒng)

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嵌入式高端培訓(xùn)班_基于嵌入式Linux的通用分組無線業(yè)務(wù)自動(dòng)抄表系統(tǒng),   

  

摘　要：自動(dòng)化抄表系統(tǒng)是電網(wǎng)推行商業(yè)化運(yùn)營(yíng)和管理、電力走向市場(chǎng)的技術(shù)保障。為此，介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)的電力遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置方案，該方案采用了高性能的2位CPU（）、先進(jìn)的無線通信模塊，應(yīng)用通用分組無線業(yè)務(wù)（）作為數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電力抄表現(xiàn)場(chǎng)的高效率以及與的無縫數(shù)據(jù)融合，提升了電力抄表技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)抄表系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；；電能表  

1電力自動(dòng)抄表系統(tǒng)

我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)直接促進(jìn)了電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，電力需求不斷增加，供應(yīng)日趨緊張，如今的電力系統(tǒng)已成為一個(gè)龐大復(fù)雜的多元化系統(tǒng)。為了保證電網(wǎng)正確、安全的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，必須有一套計(jì)量精確、功能強(qiáng)大的電能計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

運(yùn)用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中的各種計(jì)量設(shè)備（表計(jì)）的自動(dòng)抄表。這是電力工業(yè)信息化發(fā)展的總趨勢(shì)，自動(dòng)化抄表系統(tǒng)不僅節(jié)約了大量的人力和時(shí)間，能快捷、準(zhǔn)確地傳遞信息，減少人工抄表誤差，提高工作效率，而且也是全面實(shí)現(xiàn)發(fā)、輸、配電網(wǎng)用戶電能量的自動(dòng)采集、分析與計(jì)費(fèi)功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，是電網(wǎng)推行商業(yè)化運(yùn)營(yíng)和管理、電力走向市場(chǎng)的技術(shù)保障。

典型的電能計(jì)量自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由前端采集子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和中心處理子系統(tǒng)等三部分組成，如圖1。

  

電能表數(shù)據(jù)采集器是前端采集子系統(tǒng)的主要組成部分，電能表數(shù)據(jù)的采集一般分為脈沖采集型和通過串行口直接連接于集中器的數(shù)據(jù)采集型兩種形式。脈沖采集型利用電能表本身提供的脈沖或者通過加裝光電轉(zhuǎn)換器，利用電能表表盤轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，計(jì)算電量。

通信子系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)傳送到控制中心的信道。為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信子系統(tǒng)的構(gòu)成有多種方案。按照通信介質(zhì)的不同，通信子系統(tǒng)主要有、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸?shù)人姆N。

中心處理子系統(tǒng)主要由中心處理工作站以及相應(yīng)的軟件構(gòu)成，是整個(gè)電能計(jì)量自動(dòng)抄表系統(tǒng)的最上層，所有用戶的用電信息通過信道匯集到這里，管理人員利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，作出相應(yīng)的決策。如果硬件允許，還可直接向下級(jí)集中器或電能表發(fā)出指令，從而對(duì)用戶的用電行為實(shí)施控制，如停、送電遠(yuǎn)程操作。

2嵌入式的強(qiáng)大功能

后PC時(shí)代，隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,嵌入式操作系統(tǒng)也越來越受到重視。嵌入式操作系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)小巧、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。目前，商用嵌入式操作系統(tǒng)比較多，如 Vxworks，QNX，Nucleaus，WinCE等，但價(jià)格都很昂貴，并不適合廣泛應(yīng)用。嵌入式Linux為這個(gè)問題提供了良好的，其開放的源代碼、強(qiáng)大的技術(shù)支持、良好的可擴(kuò)展性及對(duì)眾多硬件的支持都是它嵌入化的優(yōu)勢(shì)。

電能表數(shù)據(jù)采集器一般都掛接1～16路電能表，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的輪流電量采集，任務(wù)繁重�，F(xiàn)在通用的大多采用8位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，存在處理速度偏低，抄表時(shí)間過長(zhǎng)，處理任務(wù)單一，存儲(chǔ)空間過小等問題，已難以適應(yīng)現(xiàn)在電力計(jì)量復(fù)雜化、實(shí)時(shí)化的趨勢(shì)。因此，將高性能的CPU處理器和多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)新型的數(shù)據(jù)采集器，可以大幅度地提高系統(tǒng)整體性能�；�于嵌入式Linux的多任務(wù)機(jī)制，可以在多個(gè)進(jìn)程調(diào)度下實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的同時(shí)采集，處理速度大為提高，并且基于高速的處理器，可以連接大容量的和FLAS存儲(chǔ)器，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。為電力計(jì)量計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)操作提供了可靠的技術(shù)保證。

3無線通信方式的優(yōu)越性

現(xiàn)在應(yīng)用的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)很多都是利用電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的傳輸模式。但是這種“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的模式效率低，抄表中心需要逐個(gè)進(jìn)行讀表操作。為了提高抄表速度，抄表主機(jī)往往使用多個(gè)和多根電話線，這又增加了成本。

無線抄表方式是指集中器的上行信道采用無線通信或集中器與移動(dòng)抄表設(shè)備采用無線通信。通用分組無線業(yè)務(wù)（ packet radio ，GPRS），它是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，并且充分利用了現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)的設(shè)備，在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體。由于其基礎(chǔ)是使用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及頻率資源，是GSM話音通信的增值，成本低。該技術(shù)有永遠(yuǎn)在線、按實(shí)際使用量收費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)成、覆蓋完善、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，很適合行業(yè)用戶遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的使用。

方案設(shè)計(jì)中，在數(shù)據(jù)發(fā)送端使用GPRS無線智能傳輸模塊，數(shù)據(jù)接收端使用專線方式（與當(dāng)?shù)匾苿?dòng)的核心交換系統(tǒng)直接連接GGSN）。這樣只有數(shù)據(jù)發(fā)送端走移動(dòng)的空中信道資源，另外的數(shù)據(jù)接收端則走專線方式。這種應(yīng)用方式下表現(xiàn)的結(jié)果非常穩(wěn)定和可靠，時(shí)延非常�。�1～ s），完全可以滿足電力行業(yè)的需要。在服務(wù)端其實(shí)是一臺(tái)服務(wù)器，通過通信軟件來完成與大量的數(shù)據(jù)發(fā)送端（可以上千個(gè)）的及時(shí)通信，可以通過配置在Linux或下的多進(jìn)程（或單進(jìn)程下的多線程）來保證服務(wù)端的穩(wěn)定和可靠，即便在某個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送端失效的情況下依然保證服務(wù)端能服務(wù)于其它的數(shù)據(jù)發(fā)送端，而且完全可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令或控制指令給數(shù)據(jù)接受端。

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從總體上看，此嵌入式系統(tǒng)由5個(gè)軟、硬件子系統(tǒng)組成，它們分別是中央處理器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、輸入輸出子系統(tǒng)和操作系統(tǒng)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件框圖見圖2。

  

4.1嵌入式微處理器

考慮到上面的各種通信協(xié)議對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求比較高，支持CP/IP等協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源。同時(shí)，相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬小，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較大，連接可靠性低。這些都對(duì)嵌入式系統(tǒng)的微處理器提出了較高的要求。因此，采用了公司的2位微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的 CPU，主頻達(dá)100 Mz，適合于計(jì)算量較大的應(yīng)用環(huán)境。

內(nèi)部集成了微處理器和一些控制領(lǐng)域的常用外圍組件，特別適用于通信產(chǎn)品。包括器件的適應(yīng)性，擴(kuò)展能力和集成度等。集成了兩個(gè)處理塊，一是嵌入的核，另一個(gè)是通信處理模塊（communications processor ，CPM）。通信處理模塊支持4個(gè)串行通信控制器（serial communication ,SCC）,實(shí)際上它有8個(gè)串行通道: 4個(gè)SCC，2個(gè)串行管理控制器（serial management channels，SMC），一個(gè)串行外圍（serial peripheral ，SPI）和一個(gè)I2C（inter　integrated ）接口。

4.2嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)小巧，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。嵌入式Linux除了具有以上特點(diǎn)之外還有源代碼開放、可制定性強(qiáng)、支持多種芯片等優(yōu)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)通信方面：支持CP/IP及協(xié)議并提供通信協(xié)議動(dòng)態(tài)掛接技術(shù)，以及操作系統(tǒng)內(nèi)部的進(jìn)程通信應(yīng)用接口技術(shù)。采用穩(wěn)定的.4內(nèi)核，并對(duì)它進(jìn)行合理的裁減和加載，作為操作平臺(tái)。

4.3通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)由西門子公司的MC5模塊構(gòu)成。它實(shí)現(xiàn)了GSM/GPRS通信功能。GPRS低層基于IP協(xié)議，用戶可以隨時(shí)隨地接入Internet。采用GPRS作為嵌入式系統(tǒng)中的無線傳輸層，將從根本上解決目前移動(dòng)Internet費(fèi)用高而速率低的瓶頸問題。同時(shí)在鏈路層，采用PPP協(xié)議。PPP協(xié)議作為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，能夠支持在串行線上的CP/IP的使用，這就使用戶可以通過串口與GPRS模塊通信，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連入Internet中。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括操作系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序。通過編譯內(nèi)核，刪除不需要的功能模塊，再重新配置，可以使操作系統(tǒng)顯著減小，從而縮減對(duì)資源的使用。由于系統(tǒng)需要CPU通過串口完成對(duì)GSM/GPRS模塊的控制以及和它的數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)Internet的接入。所以要求Linux內(nèi)核保留對(duì)串口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CP/IP,PPP的支持。

PPP協(xié)議是在串行連接上運(yùn)行IP以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的一種機(jī)制，使用PPP可以把基于Linux的嵌入式系統(tǒng)連接到一臺(tái)PPP服務(wù)器上，并可訪問該服務(wù)器上連接的網(wǎng)絡(luò)資源。在Linux中，PPP的運(yùn)行需要兩類程序：PPP驅(qū)動(dòng)程序和pppd程序。使用腳本程序ppp-on可以非常方便快捷的控制,登陸到遠(yuǎn)程主機(jī)并啟動(dòng)pppd。在接入過程中，CPU通過串行口SCC1向MC5模塊發(fā)送A命令，完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的初始化工程。附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)之后,可以通過PPP協(xié)議接入移動(dòng)網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)Internet平臺(tái)。?

同時(shí)為了保證抄表事件的順利完成，必須采取Linux多任務(wù)執(zhí)行的方式進(jìn)行軟件規(guī)劃。多任務(wù)的執(zhí)行基于多進(jìn)程運(yùn)行原理，這使得數(shù)據(jù)采集器可以在同一時(shí)間抄多個(gè)表以及完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)工作。建立后臺(tái)監(jiān)測(cè)進(jìn)程，用來完成GPRS數(shù)據(jù)通道的建立、檢測(cè)與重連；建立通信進(jìn)程，完成網(wǎng)絡(luò)通道接口的綁定、監(jiān)聽、已采集數(shù)據(jù)的發(fā)送、主站通信數(shù)據(jù)的接收等工作；為每個(gè)MPC860串口建立電能表數(shù)據(jù)采集進(jìn)程，負(fù)責(zé)讀取每一路電能表的能量寄存器值、分時(shí)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3。

  

電能表采集程序采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，設(shè)定1 min時(shí)間間隔找一次任務(wù)，高級(jí)別任務(wù)可以打斷低級(jí)別任務(wù)。同1 min時(shí)間段內(nèi)可有若干任務(wù)，按任務(wù)級(jí)別排序進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列，依次執(zhí)行。任務(wù)有兩層重試，即包重試和任務(wù)重試，重試次數(shù)可設(shè)定。

采集程序包括兩部分：初始化和主流程。初始化部分清除各種標(biāo)志，從設(shè)置文件讀電能表和能量寄存器信息寫入RAM盤文件，生成能量寄存器文件（如果不存在）并寫入電能表類型。主流程如圖4所示。

  

6結(jié)束語

本文介紹的基于嵌入式Linux系統(tǒng)的電力遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置，集嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)為一體，采用高性能的CPU、先進(jìn)的無線通信模塊，應(yīng)用GPRS作為數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與Internet的結(jié)合。由于Linux的強(qiáng)大多任務(wù)處理功能，使得表計(jì)采集器可以連接更多總線和電能表路數(shù)，同時(shí)大大提高了現(xiàn)場(chǎng)抄表的效率，電力自動(dòng)抄表系統(tǒng)整體性能有了大幅提高�？梢灶A(yù)見，代表著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展方向的嵌入式OS技術(shù)，將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越大的作用。