基于嵌入式Linux系統(tǒng)的電力遠程自動抄表裝置詳解

1電力自動抄表系統(tǒng)

我國社會經(jīng)濟的快速增長直接促進了電力工業(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)化運營，必須有一套計量精確、功能強大的電能計量計費系統(tǒng)。

運用最新的計算機技術(shù)，可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中的各種計量設(shè)備（表計）的自動抄表。這是電力工業(yè)信息化發(fā)展的總趨勢，自動化抄表系統(tǒng)不僅節(jié)約了大量的人力和時間，能快捷、準確地傳遞信息，減少人工抄表誤差，提高工作效率，而且也是全面實現(xiàn)發(fā)、輸、配電網(wǎng)用戶電能量的自動采集、分析與計費功能的自動化系統(tǒng)，是電網(wǎng)推行商業(yè)化運營和管理、電力走向市場的技術(shù)保障。

典型的電能計量自動抄表系統(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，計算電量。

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，是整個電能計量自動抄表系統(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數(shù)據(jù)進行匯總和分析，作出相應(yīng)的決策。如果硬件允許，還可直接向下級集中器或電能表發(fā)出指令，從而對用戶的用電行為實施控制，如停、送電遠程操作。

2嵌入式的強大功能

后PC時代，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、實時性強、穩(wěn)定性高等特點。目前，商用嵌入式操作系統(tǒng)比較多，如 Vxworks，QNX，Nucleaus，WinCE等，但價格都很昂貴，并不適合廣泛應(yīng)用。嵌入式Linux為這個問題提供了良好的，其開放的源代碼、強大的技術(shù)支持、良好的可擴展性及對眾多硬件的支持都是它嵌入化的優(yōu)勢。

電能表數(shù)據(jù)采集器一般都掛接1～16路電能表，實現(xiàn)對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)實現(xiàn)，存在處理速度偏低，抄表時間過長，處理任務(wù)單一，存儲空間過小等問題，已難以適應(yīng)現(xiàn)在電力計量復(fù)雜化、實時化的趨勢。因此，將高性能的CPU處理器和多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)用于自動抄表系統(tǒng)中，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)來實現(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。基于嵌入式Linux的多任務(wù)機制，可以在多個進程調(diào)度下實現(xiàn)對電能表的同時采集，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存儲器，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間。為電力計量計費的準確、實時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)用的遠程抄表系統(tǒng)很多都是利用電話網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，基于“點對點”的傳輸模式。但是這種“點對點”的模式效率低，抄表中心需要逐個進行讀表操作。為了提高抄表速度，抄表主機往往使用多個和多根電話線，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)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)，并且充分利用了現(xiàn)有移動通信網(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，形成一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體。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)有永遠在線、按實際使用量收費、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)成、覆蓋完善、安全可靠等優(yōu)點，很適合行業(yè)用戶遠程數(shù)據(jù)采集的使用。

方案設(shè)計中，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?shù)匾苿拥暮诵慕粨Q系統(tǒng)直接連接GGSN）。這樣只有數(shù)據(jù)發(fā)送端走移動的空中信道資源，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，時延非常小（1～ s），完全可以滿足電力行業(yè)的需要。在服務(wù)端其實是一臺服務(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）的及時通信，可以通過配置在Linux或下的多進程（或單進程下的多線程）來保證服務(wù)端的穩(wěn)定和可靠，即便在某個或幾個數(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。

4自動抄表系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

從總體上看，此嵌入式系統(tǒng)由5個軟、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)議對于計算機存儲器、運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，相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬小，網(wǎng)絡(luò)延時較大，連接可靠性低。這些都對嵌入式系統(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100 Mz，適合于計算量較大的應(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，擴展能力和集成度等。集成了兩個處理塊，一是嵌入的核，另一個是通信處理模塊（communications processor ，CPM）。通信處理模塊支持4個串行通信控制器（serial communication ，SCC），實際上它有8個串行通道： 4個SCC，2個串行管理控制器（serial management channels，SMC），一個串行外圍（serial peripheral ，SPI）和一個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，實時性強，穩(wěn)定性高的特點。嵌入式Linux除了具有以上特點之外還有源代碼開放、可制定性強、支持多種芯片等優(yōu)點。在網(wǎng)絡(luò)通信方面：支持CP/IP及協(xié)議并提供通信協(xié)議動態(tài)掛接技術(shù)，以及操作系統(tǒng)內(nèi)部的進程通信應(yīng)用接口技術(shù)。采用穩(wěn)定的.4內(nèi)核，并對它進行合理的裁減和加載，作為操作平臺。

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。它實現(xiàn)了GSM/GPRS通信功能。GPRS低層基于IP協(xié)議，用戶可以隨時隨地接入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Internet費用高而速率低的瓶頸問題。同時在鏈路層，采用PPP協(xié)議。PPP協(xié)議作為Linux操作系統(tǒng)的一個重要組成部分，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

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括操作系統(tǒng)，驅(qū)動程序，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，從而縮減對資源的使用。由于系統(tǒng)需要CPU通過串口完成對GSM/GPRS模塊的控制以及和它的數(shù)據(jù)通信，以實現(xiàn)Internet的接入。所以要求Linux內(nèi)核保留對串口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CP/IP，PPP的支持。

PPP協(xié)議是在串行連接上運行IP以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的一種機制，使用PPP可以把基于Linux的嵌入式系統(tǒng)連接到一臺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的運行需要兩類程序：PPP驅(qū)動程序和pppd程序。使用腳本程序ppp-on可以非常方便快捷的控制，登陸到遠程主機并啟動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)議接入移動網(wǎng)關(guān)，進而實現(xiàn)移動Internet平臺。

同時為了保證抄表事件的順利完成，必須采取Linux多任務(wù)執(zhí)行的方式進行軟件規(guī)劃。多任務(wù)的執(zhí)行基于多進程運行原理，這使得數(shù)據(jù)采集器可以在同一時間抄多個表以及完成數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)工作。建立后臺監(jiān)測進程，用來完成GPRS數(shù)據(jù)通道的建立、檢測與重連；建立通信進程，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MPC860串口建立電能表數(shù)據(jù)采集進程，負責(zé)讀取每一路電能表的能量寄存器值、分時數(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)動機制，設(shè)定1 min時間間隔找一次任務(wù)，高級別任務(wù)可以打斷低級別任務(wù)。同1 min時間段內(nèi)可有若干任務(wù)，按任務(wù)級別排序進入任務(wù)隊列，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)的電力遠程自動抄表裝置，集嵌入式計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)為一體，采用高性能的CPU、先進的無線通信模塊，應(yīng)用GPRS作為數(shù)據(jù)傳輸平臺，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與Internet的結(jié)合。由于Linux的強大多任務(wù)處理功能，使得表計采集器可以連接更多總線和電能表路數(shù)，同時大大提高了現(xiàn)場抄表的效率，電力自動抄表系統(tǒng)整體性能有了大幅提高?？梢灶A(yù)見，代表著計算機領(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。