基于A(yíng)RM的嵌入式電能計量系統設計

摘要：針對高校學(xué)生宿舍電能計量控制系統不方便學(xué)生實(shí)時(shí)查詢(xún)的狀況,分析了網(wǎng)絡(luò )電能計量集采控制系統的系統結構,以ARM芯片和Linux操作系統為基礎設計了嵌入式電能數據采集終端及Web服務(wù)器,采用該嵌入式電能計量系統能方便地進(jìn)行電能數據網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)和管理。

1 引言

高校學(xué)生宿舍用電控制系統采用智能電能計量集采控制系統,一般學(xué)校 已統一規劃購置到位。但在使用時(shí)發(fā)現學(xué)生只是被動(dòng)地被管理, 學(xué)生并不能 直觀(guān)了解相關(guān)用電數據，不方便查詢(xún)和提醒剩余電量，宿舍經(jīng)常在不知不覺(jué) 中突然停電，如果在傍晚或者周末,電工沒(méi)有上班，停電后不能及時(shí)買(mǎi)電, 只能在黑暗中度過(guò)了,嚴重影響了學(xué)生的正常生活?？紤]到學(xué)生上網(wǎng)方便， 如果學(xué)生能夠隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)站查詢(xún)到自己房間的剩余電量，及時(shí)買(mǎi)電就可避免 以上情況。本文設計了一個(gè)既能接入宿舍電量采集系統又能接入校內 Intranet 信息網(wǎng)絡(luò )的嵌入式電能計量及查詢(xún)系統，在電能數據采集終端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統Linux，在linux 的 基礎上結合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù)，構成完整的嵌入式系統Web 服務(wù)器，將 其作為數據采集器嵌入到在現有的電能計量集采控制系統中，既可以與管理計算機之間傳輸數據，也可以供學(xué)生登陸實(shí)時(shí)查詢(xún)用電信息。

2 電能計量系統設計

電能計量系統框圖如圖1 所示，在遠程電能數據采集終端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式實(shí)時(shí)linux 構成完整的嵌入式系統,在linux 的基礎上結 合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù),可實(shí)現實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的交互查詢(xún)功能。ERTU 采用定 時(shí)或者實(shí)時(shí)啟動(dòng)抄表任務(wù),通過(guò)RS-485 總線(xiàn)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 串口數據輸出。每一個(gè)ERTU 裝置都可以接 多路RS-485 總線(xiàn),這樣就可以同時(shí)采集多路的電能表信息。利用現有的網(wǎng)絡(luò ) 硬件基礎，方便地建立基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的Internet/Intranet 網(wǎng)絡(luò )系 統。Web 技術(shù)允許任意地點(diǎn)的用戶(hù)通過(guò)瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)電能計量管理 工作站訪(fǎng)問(wèn)嵌入式Web 服務(wù)器，管理和維護電能數據采集終端的數據，包括 查詢(xún)各宿舍的實(shí)時(shí)用電情況、根據輸入金額確定宿舍使用電能量、啟動(dòng)電能 表給宿舍供電、根據需要遠程斷開(kāi)相關(guān)宿舍的用電開(kāi)關(guān)。學(xué)生通過(guò)計算機網(wǎng) 絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)電能數據采集終端及Web 服務(wù)器，查詢(xún)自己宿舍的實(shí)時(shí)用電情況，以 便及時(shí)買(mǎi)電，避免出現意外斷電情況。買(mǎi)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(mǎi)電，只要在網(wǎng)上輸入卡號和 密碼就可以充值實(shí)現買(mǎi)電。

3 電能數據采集終端及Web 服務(wù)器設計

3.1 硬件系統

電能數據采集終端及Web 服務(wù)器硬件系統框圖如圖2 所示，由于嵌入式微 處理器采用精簡(jiǎn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)內核,負責各個(gè)功能任務(wù)的管理,以滿(mǎn)足電能 表性能不斷擴展所需要增加的功能。同時(shí)嵌入式微處理器具備網(wǎng)絡(luò )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(luò )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(diǎn)通過(guò)Web 瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)電能數據,實(shí)現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 數據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(gè)DMA 通道，3 通道UART，1 個(gè)多主I2C 總線(xiàn)控制器，1 個(gè)IIS 總線(xiàn)控制器，4 通道PWM 定時(shí)器及一個(gè)內部定時(shí)器，117 個(gè)通用I/O 口， 24 個(gè)外部中斷源，兩個(gè)USB 主/一個(gè)USB 從，8 通道10 位ADC，實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看 門(mén)狗定時(shí)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 位的數據寬度，工作電壓一般為3.3V。系 統中使用Winbond 公司的存儲容量為64M 字節的存儲芯片，工作電壓為 3.3V ， 兼容LVTTL 接口， 支持自動(dòng)刷新（ Auto-Refresh ） 和自刷新 （Self-Refresh），16 位數據寬度。

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

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(guò)以 太網(wǎng)接口與計算機網(wǎng)絡(luò )連接,實(shí)現數據的遠程傳輸。 現在的電能表，正在由傳統的機械式電能表向全電子式電能表轉換，電 能數據采集終端的設計要考慮接納各種電能表，但高校學(xué)生宿舍電能計量系 統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(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口與現代電子式表計接口,讀取多個(gè)電能表計量數據。

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、 現場(chǎng)實(shí)時(shí)反應能力強、軟件層次模塊化、可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。將電能計量軟 件劃分為抄表管理、數據庫管理、參數設置、系統設置、通訊模塊等子任務(wù) 軟件模塊,由嵌入式linux 負責任務(wù)調度和管理。同時(shí)應用嵌入式Web 服務(wù) 器技術(shù),運行小型精簡(jiǎn)的服務(wù)器程序使得遠程用戶(hù)隨時(shí)可以通過(guò)瀏覽器獲取 Web 服務(wù)器的信息,進(jìn)而實(shí)現遠程實(shí)時(shí)控制、維護。

由于Web 用戶(hù)界面是標準化的,節約了不同操作系統平臺定制人機界面的開(kāi)發(fā)、培訓和維護費用,在降低成本的同時(shí),提高了效率。系統軟件組成如圖3 所示。HTTP 引擎響應用戶(hù)的請求、通過(guò)虛擬文件系統訪(fǎng)問(wèn)靜態(tài)數據信息、通 過(guò)應用程序接口得到動(dòng)態(tài)數據信息。

虛擬文件系統為嵌入式Web 服務(wù)器提供 虛擬文件服務(wù)。通過(guò)虛擬文件系統將Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件編 譯為Web 服務(wù)器認可的代碼。配置模塊使系統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(wù)器的參數。配置模塊對標準瀏覽器是開(kāi)放 的，這就使得安全問(wèn)題非常重要，尤其是對網(wǎng)絡(luò )設備的配置和控制信息的訪(fǎng) 問(wèn)成為安全保護的重點(diǎn)。安全模塊通過(guò)在服務(wù)器上定義安全域和對每個(gè)安全 域定義的用戶(hù)名/密碼等敏感信息的保護。還可以對請求數據采取加密措施 實(shí)現安全保護功能。應用程序接口模塊實(shí)現和嵌入式電能計量應用系統的數 據交換，電能計量應用系統與嵌入式操作系統通信，實(shí)現對嵌入系統的配置、 監視和控制。

4 結論

嵌入式的電能計量系統是當前電能數據遠程抄送、統計、查詢(xún)、買(mǎi)電等現 代數字網(wǎng)絡(luò )式電能計量管理系統的主要應用方向，基于A(yíng)RM 的嵌入式電能計 量系統在高校宿舍應用中，具有電能管理的所有功能，并且能夠讓學(xué)生實(shí)時(shí) 查詢(xún)宿舍用電情況，還可通過(guò)修改軟件擴充系統功能。

論文創(chuàng )新點(diǎn)：設計電能數據采集終端并設置Web 服務(wù)器，可以通過(guò)瀏覽器 實(shí)時(shí)查詢(xún)用電數據。